DE3519563A1

DE3519563A1 - Reaktor fuer chemische und biologische reaktionen und damit durchgefuehrte verfahren

Info

Publication number: DE3519563A1
Application number: DE19853519563
Authority: DE
Inventors: Eric Worcester Mass. Lillo
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1984-06-01
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1985-12-05
Also published as: FR2565349A1; JPS6119481A; GB2163452A; US4603109A; CA1265504A; GB8513795D0; CA1255074A; GB2163452B

Description

REAKTOR FÜR CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE REAKTIONEN UND DAMIT DURCHGEFÜHRTE VERFAHREN

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Reaktor für chemische und bio- ^Ologische Reaktionen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und damit durchgeführte chemische und biologische Verfahren.

Als Folge des in den vergangenen Jahren dramatisch angewachsenen Wissens über biologische Reaktionen und durch die 15weitgehenden Verbesserungen in Isoliertechniken, insbesondere von Enzymverbindungen stützt sich die Industrie in großem Umfang auf biochemische Reaktionen, um gewünschte biochemische Produkte zu erhalten.

2°Reaktionen, an denen biologische Materialien teilnehmen, werden typischerweise in Reaktionsgefäßen durchgeführt, die allgemein als "Bioreaktor" bezeichnet werden. Die einfachste Art eines Bioreaktors ist nichts anderes als eine Wanne, in die das biologische Material, beispielsweise ein

^Mikroorganismus oder ein Enzym zusammen mit entsprechenden Reaktionsteilnehmern und/oder Nährstoffen eingebracht wird. Nach Ablauf einer geeignet gewählten Zeitdauer werden die Produkte vom biologischen Material getrennt, beispielsweise unter Verwendung eines Polymer-Membran-Filters und das

•^biologische Material in den Bioreaktor zurückgeleitet.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei Verwendung einer Wanne als Bioreaktor ein diskontinuierlicher Prozeß entsteht, bei dem die Produkte immer nach einer gewissen Zeit 35yerfügbar sind. Da außerdem die Reaktionsprodukte, die zu einem frühen Zeitpunkt in dem diskontinuierlichen Zyklus

entstehen, während des gesamten Zyklus in der Wanne verbleiben, kommt es nicht selten vor, daß die gewünschten Produkte Qualitätseinbußen erleiden oder zusätzlichen unerwünschten Reaktionen ausgesetzt sind. Bei diesen diskontinuierlich arbeitenden Bioreaktoren besteht außerdem nur eine geringe Eingriffsmöglichkeit in die Reaktionsparameter, mit Ausnahme von pauschalen Parametern wie beispielsweise der Temperatur.

⁰ Obwohl ein Bioreaktor . nach Art einer Wanne für einige biologische Reaktionen durchaus brauchbar ist, werden aufgrund der oben geschilderten Probleme viele Reaktionen in Bio-Reaktoren geführt, die erst kürzlich entwickelt wurden und eine mit Glasperlen gefüllte Säule enthalten. In einem

¹^ derartigen "Füllkörper"-Bioreaktor werden die Glasperlen zuerst so behandelt, daß ihre Oberfläche mit einem dünnen Film einer organischen Substanz bedeckt wird, die das der Reaktion zu unterwerfende biologische Material anziehen und festhalten; verschiedene Silane und/oder Olefine werden häufig für diesen Zweck eingesetzt. Eine Lösung mit dem biologischen Material wird dann so durch die Säule geführt, daß das biologische Material an der organischen Schicht auf den Glasperlen haftet und so in der Säule verbleibt. Schließlich wird eine Lösung mit den Reaktionspartnern in die Säule eingegeben und die Reaktionsprodukte sowie nicht umgesetzte Reaktionspartner am unteren Ende der Säule gesammelt .

Ein wichtiger Vorteil des Füllkörper-Bioreaktors über einen Wannen-Bioreaktor · besteht darin, daß die Füllkörper-Type ein halbkontinuierliches System darstellt, bei dem die Reaktionsprodukte in einer relativ konstanteren Weise entstehen als in einem Wannen-Bioreaktor . Ein weiterer Vorteil des Füllkörper-Bioreaktors liegt darin, daß die Größe der Glasperlen und die Strömungsgeschwindigkeit der Lösung

eingestellt werden können, um die in der Säule ablaufende Reaktion zu steuern. Da weiterhin die Reaktionsprodukte laufend aus dem System entnommen werden, ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Qualitätseinbußen oder unerwünschten Reaktionen im Vergleich zum Wannen-Bioreaktor beträchtlich herabgesetzt.

Obwohl also ein Füllkörpersäulen-Bioreaktor im Vergleich zu einem Wannen-Bioreaktor sehr viel besser ist, da die Reaktionsrate im wesentlichen diffusionsbegrenzt ist, bleibt die Eingriffsmöglichkeit zur Steuerung vieler Reaktionsparameter doch begrenzt, und zwar insbesondere am Ort der Reaktion. Da weiterhin nur die Oberflächen der Perlen mit biologischem Material versehen sind, bleibt innerhalb der Säule viel Platz ungenutzt; es ist daher üblicherweise notwendig, sehr große Säulen zu verwenden. Obwohl weiterhin die Reaktionsprodukte und nicht verbrauchte Reaktionspartner laufend aus dem Säulensystem entfernt werden und dadurch die Menge unerwünschter Nebenreaktionen im Vergleich zu solchen Reaktionen in Wannen-Bioreaktoren beträchtlich herabgesetzt ist, müssen Reaktionsprodukte, die in der Nähe des Einlaufpunktes der Säule erzeugt werden, im wesentlichen die gesamte Länge der Säule durchlaufen, bevor sie aus dem System entfernt werden können. Die Gefahr einer beträchtlichen Qualitätsverschlechterung und unerwünschter Nebenreaktionen ist also immer noch vorhanden. Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Säulen besteht in der Schwierigkeit, die Säulen und die Perlen zwischen den Einsätzen zu reinigen und zu sterilisieren; das Auseinandernehmen, Reinigen und Wiederzusammensetzen einer Säule zwischen den Einsätzen ist eine mühsame und zeitaufwendige Arbeit.

Bei einem weiteren kürzlich bekannt gewordenen Reaktor werden dünne mikroporöse Schichten eines Polyvinylchlorid-Siliziumdioxid-Materials (PVC-SiO₂) verwendet, die so in-

nerhalb des Reaktors angeordnet sind, daß die Reaktionslösung durch die mikroporösen Schichten strömt. Innerhalb der porösen Matrix in diesen Schichten können verschiedene Chemikalien und Enzyme an aktiven Stellen gebunden werden (diese Stellen werden dem Vorhandensein von SiO₂ zugeschrieben) .

Die Verwendung von PVC-SiO₂-Schichten in einem Bioreaktor zeigt aber auch beträchtliche Nachteile. Beispielsweise ist die Diffusionsrate einer Flüssigkeit durch eine mikroporöse PVC-Siliziumdioxid-Membran umgekehrt proportional zur Dicke der Membran. Um also einen hohen Volumendurchsatz zu erzielen ist es außerordentlich vorteilhaft, eine sehr dünne Membran zu verwenden. Es wird aber trotzdem nur in seltenen Fallen möglich sein, akzeptable Flüssigkeitsvolumina selbst durch eine sehr dünne Membran diffundieren zu lassen, ohne Druck als treibende Kraft anzuwenden. Im allgemeinen ist es notwendig, einen beträchtlichen Druck auszuüben, um ausreichende Flüssigkeitsvolumina durch derartige Membranen zu schicken.

Nun tritt unglücklicherweise an einer sehr dünnen PVC-SiO₂-Membran eine beträchtliche Spannung auf, wenn an sie hohe Drücke angelegt werden, so daß sich die Eigenschaften der Membran verschlechtern oder diese sich deformiert. Bei der Deformation nimmt die Porengröße an einigen Stellen effektiv zu, so daß dort zu große Flüssigkeitskomponenten durchtreten können, und nimmt an anderen Stellen ab, so daß dort Flüssigkeitskomponenten ausgefiltert werden, die von der Membran durchgelassen werden sollten. In vielen Fällen muß die Dicke der Membran beträchtlich vergrößert werden, damit sie die starke Spannung aushalten kann, die von der unter Druck stehenden Flüssigkeit in ihr erzeugt wird. Dieser Weg führt jedoch natürlich schnell in die Sackgasse, da eine Verdickung der Membrane den Volumen-Durchsatz reduziert und dadurch noch größere Drücke erfordert. Dies hat

zur Folge, daß bezüglich der Drücke, die zum Treiben der Flüssigkeit durch die Membran verwendet werden, und der Dicke der Membran ein nicht optimaler Kompromiss geschlossen werden muß.
5

Als Matrixmaterial für Bioreaktoren wurden auch schon Membranen verwendet, die aus Materialien wie beispielsweise Polysulfon·und Polypropylen bestehen. Zusätzlich zu Problemen, ähnlich den oben diskutierten, zeigen Bioreaktoren mit Membranen aus diesen Materialien Probleme, die als "Zellfreisetzung" bezeichnet werden, und auf die Deformierbar keit des Materials unter Druck zurückgehen, der einfach aufgrund des Zellwachstums ansteigt.

Eine andere Art von Bioreaktor mit porösen Membranen verwendet eine Membran, die aus einem Keramikmaterial statt einem PVC-SiO₂-Material besteht. Ein Vorteil bei der Verwendung einer Keramikmembran besteht darin, daß sie sich weniger deformiert als eine PVC-SiO₂-Membran oder eine Membran, die aus Polysulfon oder Polypropylen aufgebaut ist. Aber auch eine Keramikmembran zeigt eine Qualitätsverschlechterung bei hohen Drücken, wenn sie zu dünn ist; es besteht daher weiterhin die Notwendigkeit, zwischen den zum Treiben der Flüssigkeit durch die Membran angelegten Druck und der Dicke der Membran einen Kompromiss zu finden.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Verwendung von dünnen Membranen besteht darin, daß aufgrund der Strömungsmechanik die Strömung durch die Mitte des Membranblatts bedeutend schneller ist als in der Nähe der Kanten. Wenn also ein Membranblatt als Trägermatrix für ein chemisches oder biologisches Material verwendet wird, mit dem die gewünschte Reaktion durchgeführt werden soll, strömt die Reaktionslösung an dem chemischen oder biologischen Material in einigen Teilen der Membran sehr viel schneller als in anderen. Da die Strömungsgeschwindigkeit die Reak-

tionsgeschwindigkeit und den Wirkungsgrad der Reaktion stark beeinflußt, kann dieser Unterschied der Strömungsgeschwindigkeit zwischen verschiedenen Orten der Membran die Wirksamkeit des Reaktionssystems beträchtlich herabsetzen.

Eine weitere Schwierigkeit, die manchmal bei der Verwendung mikroporöser Membranen auftritt, besteht darin, daß hohe Drücke in manchen Fällen die verschiedenen Flüssigkeitskomponenten schädlich beeinflussen. Beispielsweise kann ein hoher Druck außerordentlich nachteilig für zellulare Bestandteile wirken, die eingesetzt werden können, um biologische Reaktionen durchzuführen. Hohe Drücke können auch chemische oder biologische Materialien, die innerhalb der Materialporen fixiert sind, losbrechen, so daß diese von der Reaktionslösung mitgenommen werden. In einigen Fällen muß daher bei der Verwendung von PVC-SiO₂-Membranen oder keramischer Membranen mit relativ geringem Druck gearbeitet werden, so daß sich ein entsprechend geringer Volumendurchsatz ergibt. Aufgrund der Flexibilität von PVC-SiO₂ ist es in einigen Fällen auch nicht möglich PVC-SiO₂-Membranen dünn genug auszugestalten, um mit derartig geringen Drücken ausreichende Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen, und dabei immer noch eine kontrollierte Porengröße aufrechtzuerhalten.

Aus der bisherigen Diskussion wird deutlich, daß ein beträchtlicher Fortschritt erzielt werden könnte, wenn ein verbesserter Bioreaktor zur Verfügung stünde, der eine stärkere Kontrolle über die Reaktionsparameter zuließe.

Außerdem wäre es ein deutlicher Fortschritt, wenn ein neuer Bioreaktor die Fähigkeit aufwiese, Reaktionsprodukte getrennt von den Reaktionspartnern und unerwünschten Nebenprodukten zu sammeln und der unerwünschte Nebenreaktionen auf ein Minimum herabsetzen würde. Außerdem wäre es sehr wünschenswert, wenn ein neuer Bioreaktor zur Verfügung gestellt werden könnte, der vor jedem neuen Einsatz in

einfacher Weise gereinigt und sterilisiert werden könnte.

Ein Bioreaktor mit diesen gewünschten Eigenschaften wird von der Erfindung zur Verfügung gestellt, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist.

Die Erfindung schlägt einen Bioreaktor vor, der ein keramisches Matrixelement aus einem porösen Material enthält. Ein chemisches oder biologisches Material, das die gewünschte Reaktion ausführt, wird in den Poren des porösen keramischen Matrixelements fixiert, und durch dieses eine einen Reaktionspartner enthaltende Lösung mit kontrollierter Geschwindigkeit durchgeschickt. Nicht verbrauchte Reaktionspartner und Reaktionsprodukte werden dann entnommen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das keramische Matrixelement eine im allgemeinen röhrenförmige Gestalt auf und ist so ausgelegt, daß es überall gleich porös ist, und eine durchgehende Bohrung enthält, durch die die Reaktionslösung in das keramische Matrixelement unter Druck eingeführt wird. Ein Teil der Reaktionslösung tritt durch das keramische Matrixelement hindurch, wobei es mit dem chemischen oder biologischen Material reagiert, das innerhalb der Poren des keramischen Matrixelements fixiert ist. Nicht verbrauchte Reaktionspartner und die Reaktionsprodukte werden vom Äußeren der Matrix abgenommen.

Andere bevorzugte Ausführungsbeispiele verwenden Mehrfachschichten von keramischen Matrixmaterialien mit unterschiedlichen Porositäten und möglicherweise unterschied-30

liehen Dicken, so daß diese verschiedene Komponenten der Lösung selektiv ausfiltern. Der Einsatz von derartigen Mehrfachschichten kann dazu dienen, die Qualitätseinbußen und die unerwünschten Nebenreaktionen auf ein Minimum herabzusetzen und eine mindestens teilweise Trennung der 35

verschiedenen Komponenten der Reaktionslösung nach Abschluß

-15 1 der Reaktion zu erreichen.

Da bei der Ausbildung des keramischen Matrixelements eine sehr kleine Porengröße angestrebt wird, ergeben sich außer-5 ordentlich große Oberflächen, um die als Reaktionspartner wirkenden chemischen oder biologischen Materialien zu fixieren. Es ist daher möglich, röhrenförmige Bioreaktoren mit relativ kleinen Durchmessern zu verwenden, so daß die Reaktionslösung nur durch eine ziemlich kleine Dicke der Matrix von dem Punkt hindurchtreten muß, an dem die Reaktionspartner in die Matrix eintreten, zu dem Punkt, an dem die Reaktionsprodukte aus der Matrix austreten. Die Reaktionsprodukte bleiben daher nur eine relativ kurze Zeit im Innern der Matrix. Da die Verweildauer relativ konstant ist, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle der Ausdehnung der röhrenförmigen Matrix die Reaktion stattfindet, werden Qualitätseinbußen und unerwünschte Nebenreaktionen auf ein Minimum herabgesetzt und die Reaktionsparameter, Geschwindigkeiten und Bedingungen können erstaunlich gut

20 unter Kontrolle gebracht werden.

Der Einsatz eines keramischen Matrixelements ist außerordentlich vorteilhaft, da ein keramisches Material thermisch, chemisch und mechanisch stabil ist. Wenn weiter das System mit einem geeigneten Lösungsmittel "rückgespült" wird, kann das Matrixelement auf einfache Weise gereinigt werden. Das keramische Matrixelement kann.dann vor der Wiederverwendung sterilisiert werden.

Die Vorteile des hier beschriebenen Reaktors lassen sich wie folgt zusammenfassen:

- chemische und biologische Reaktionen können so geführt werden, daß eine bessere Kontrolle über die Reaktionsparameter möglich ist, insbesondere an der Stelle an der die Reaktion auftritt;

- chemische und biologische Reaktionen können so

geführt werden, daß Qualitätseinbußen und unerwünschte Nebenreaktionen von den hergestellten

Reaktionsprodukten auf ein Minimum herabge-5

setzt werden;

- die Reaktionsausbeute in chemischen und biologischen Reaktionen wird zu einem Maximum;

- die Reaktionsprodukte von chemischen und biologischen Reaktionen werden von den Reaktionspart nern getrennt;

- chemische und biologische Reaktionen können so 15

geführt werden, daß der Bioreaktor zwischen seinen Einsätzen in einfacher Weise gereinigt und sterilsiert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der 20

Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Durchführung biochemischer Reaktionen

mit zwei Bioreaktoren nach der vorliegenden 25

Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise als Explosionszeichnung ausgeführte Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bioreaktors, 30

dessen einer Teil zur Vereinfachung der Darstellung abgeschnitten ist;

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 des

Ausführungsbeispiels des Reaktors in Fig. 2;

- 17 - 3513563 Fig. 4 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels eines porösen keramischen Reaktormatrixelements nach der Erfindung;

Fig. 5 einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines porösen keramischen Reaktormatrixelements nach der Erfinding;

Fig. 6 einen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines porösen keramischen Reaktor

matrixelements nach der Erfindung;

Fig. 7 einen Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines Reaktors, der eine Vielzahl von porösen keramischen Matrixelementen auf

weist, die parallel zur Reaktionslösung angeordnet sind.

Bei der folgenden Erläuterung der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen werden durchgehend gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines typischen Reaktionssystems mit einem Bioreaktor, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Obwohl die folgende detaillierte Beschreibung im wesentlichen auf chemische Reaktionen abgestellt ist, die biologische Materialien verwenden, ist es ohne weiteres ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch in anderen Arten von chemischen Reaktoren verwendet werden kann, die eine Vielzahl von verschiedenen Reaktionspartnern enthalten. Wenn also im folgenden Ausdrücke wie "Bioreaktor" verwendet werden, soll damit nicht angedeutet werden, daß die Erfindung nur auf biologische Materialien anwendbar sein soll; diese Ausdrücke sollen nur beispielhaft aufgefaßt werden.

Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß eine Lösung mit Reaktionspartnern 2 0 durch ein Ventil 22a und eine Pumpe 24a in einen Bioraktor 26a eingeführt wird. Nicht verbrauchte Reak-

tionspartner werden aus dem Bioreaktor 26a über Leitung 28a abgenommen und anschließend mit Pumpe 24a in den Bioreaktor zurückgeführt. Reaktionsprodukte und nicht verbrauchte Reaktionspartner und verschiedene Nebenprodukte, ° sofern diese überhaupt existieren, werden über Leitung 30a aus dem Bioreaktor entfernt.

Bei einigen Anwendungen der vorliegenden Erfindung wird die über Leitung 28a aus dem Bioreaktor 26a entnommene Lösung schon direkt für die Verwendung geeignet sein. In anderen Anwendungen kann es jedoch entweder nötig oder wünschenswert sein, diese Lösung durch einen zweiten Bioreaktor 26b zu schicken, der in Figur 1 dargestellt ist. In diesen Fällen werden ein Ventil 22b und eine Pumpe 24b eingesetzt,

¹^ _Um ähnliche Funktionen zu erfüllen, wie das Ventil 22a und die Pumpe 24a in dem Bioreaktor 26a der ersten Stufe.

Ein Fall, in dem ein Bioreaktor zweiter Stufe verwendet werden kann, liegt dann vor, wenn im ersten Bioraktor eine erste Reaktion abläuft und im zweiten Bioreaktor eine Reaktion, die das Produkt des ersten Bioreaktors verwendet. Es ist klar, daß die aus dem zweiten Bioraktor über Leitung 30 austretende Lösung in noch weitere zusätzliche Bioreaktorstufen geführt werden kann, wenn dies für eine gegebene Anwendung der vorliegenden Erfindung notwendig oder wünschenswert ist.

In einigen Fällen kann es auch wünschenswert sein, Mehrfachstufen von Bioreaktoren zu verwenden, wenn nicht verbrauchte Reaktionspartner die aus dem Bioreaktor der ersten Stufe austretenden Reaktionsprodukte begleiten, um so die Konzentration der Reaktionsprodukte in der Lösung zu erhöhen, die schließlich aus dem System abgenommen wird.

Ein spezifisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bioreaktors ist in Figur 2 dargestellt. Aus der

Figur 2 ist ersichtlich, daß der Bioreaktor ein Bioreaktormatrixelement 32 aufweist, in dem eine durchgehende Bohrung 34 vorhanden ist; in der Bohrung ist ein Anschluß 36 befestigt, an dem eine (nicht dargestellte) Versorgungsleitung für eine Reaktionslösung angebracht ist. Am entgegengesetzten Ende der Bohrung 34 ist ein zweiter Anschluß 38 befestigt, mit dem nicht verbrauchte Reaktionslösung abgenommen werden kann, um sie an eine (nicht dargestellte) Abführleitung zur Rückzirkulation zu geben, in einer Weise, wie sie bezüglich Leitung 28a von Figur 1 dargestellt ist.

Das Matrixelement 32 ist innerhalb eines geschlossenen flüssigkeitsdichten Gefäßes 40 befestigt, das vorteilhafterweise mit einer abnehmbaren Endkappe 42 versehen ist. Ein Abflußanschluß 44 ist vorgesehen, um die innerhalb des Gefäßes 40 gesammelte Lösung abzuführen; Einzelheiten dazu werden im folgenden noch näher erläutert.

Das Matrixelement 32 wird so aus einem keramischen Material hergestellt, daß es mikroporös ist. Gesinterte keramische Materialien werden zur Herstellung des Matrixelements bevorzugt, da sie hohe mechanische Stabilität aufweisen und so bei der Handhabung und beim Anlegen der Drücke nicht brechen, die beim Einsatz oder bei anderen Tätigkeiten, beispielsweise dem Reinigen und der Sterilisierung angelegt werden. Die Art der Herstellung poröser keramischer Elemente, die entsprechend der späteren Diskussion auch Mehrfachschichten von Keramikelementen mit unterschiedlichen Porositäten aufweisen können, ist in der anhängigen Patentanmeldung "Einrichtung und Verfahren für therapeutische Aphorese" des Anmelders beschrieben. Aus der französischen Patentschrift 2,502,508 kann entnommen werden, wie ein poröser, grobkörniger Keramikträger mit einer dünneren Filter schicht aus feinkörnigem zusammengebackenem Material versehen werden kann.

Ein ebenso gewichtiger Gesichtspunkt besteht darin, daß gesinterte keramische Materialien für das Matrixelement vorzuziehen sind, da diese gegenüber den meisten chemischen Reaktionspartnern und biologischen Materialien inert und weiterhin korrosionsresistent sind. Außerdem tendieren die Poren eines Matrixelements, das aus gesintertem keramischem Material hergestellt ist dazu, eine asymmetrische Form aufzuweisen. Die Verwendung von asymmetrischen Poren hilft Blockaden innerhalb der Poren zu vermeiden, wenn chemische Reaktionspartner oder biologische Materialien darin fixiert werden. Diese Eigenschaft erleichtert in großem Maße die Führung von druckgetriebenen Flüssigkeiten, wie sich aus der folgenden Diskussion noch näher ergeben wird.

Aluminiumoxid und Aluminiumoxid-Silikate sind die bevorzugten Materialien zur Herstellung des porösen, keramischen Matrixelements 32, und zwar aufgrund der chemischen Stabilität dieser Stoffe. Es kommt aber auch eine große Spannweite anderer keramischer Materialien für die Herstellung der mikroporösen Matrixelemente in Frage. Man kann daher erwarten, daß abhängig von den jeweils auftretenden chemischen oder biologischen Reaktionen geeignete Matrixelemente aus den verschiedenen Oxiden der im folgenden genannten Stoffe in kristalliner oder glasartiger Form hergestellt werden können: Aluminium, Silizium, Zirkonium, Titan, Chrom und Magnesium; Karbide von Silizium oder ähnlichen Elementen; Nitriden (beispielsweise Siliziumnitrid); oder verschiedene Mineralien wie Cordierit, Mullit und dergleichen. Mischungen oder Kombinationen einer oder mehrerer der vorgenannten Stoffe kommen ebenfalls für gewisse Anwendungen in Frage.

Wie sich aus der folgenden Diskussion noch näher ergeben wird, sollte die mittlere Porengröße im Allgemeinen im Bereich von ungefähr 0,01 μ bis ungefähr 50 μ liegen, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,05 μ bis ungefähr 10 μ.

Die optimale Größe hängt von den jeweiligen chemischen oder biologischen Materialien und Reaktionspartnern ab, die in der Reaktion verwendet werden sollen. Die Verwendung eines Matrixelements mit einer Porengröße im oben angegebenen Bereich führt zu einem mikroporösen Keramikelement, das außerordentlich gut als Bioreaktorkomponente in vielen biologischen Reaktionen geeignet ist.

In einer ersten Stufe wird das Reaktormatrixelement für den Einsatz vorbereitet, indem es mit einem geeigneten Fixiermittel behandelt wird; es ist bekannt, daß verschiedene Silane und Olefine viele biologische Materialien fixieren können, die in bekannten Bioreaktionen verwendet werden. Dieser erste Behandlungsschritt läßt eine sehr dünne Schicht ¹^ des Fixiermittels innerhalb der Poren der Matrix zurück.

Nachdem die Poren der Matrix so vorbehandelt wurden, daß sie eine dünne Schicht des Fixiermittels enthalten, werden dem System geeignete chemische oder biologische Materialien zugeführt (beispielsweise im Fall eines typischen Bioreaktors ganze oder LYS-Zellen, Zellextrakte, gereinigte Enzyme oder Ähnliches), so daß die chemischen oder biologischen Materialien innerhalb der verschiedenen Poren der Matrix fixiert werden. Verfahren zum Fixieren von Enzymen und chemischen Katalysatormaterialien in eine Keramikmatrix werden in den US-Patenten 4,384,045 und 4,239,854 beschrieben.

In ihrer einfachsten Form kann die Reaktormatrix so ausgelegt werden, daß sie überall eine im wesentlichen gleiche Porengröße aufweist und so längs des Strömungspfades isotrop ist, wobei das Reaktormatrixelement als Träger mit großer Oberfläche für das chemische oder biologische Material dient. Bei den meisten Anwendungen wird es jedoch entsprechend der späteren genaueren Beschreibung sehr wünschenswert sein, Mehrfachschichten von keramischem Ma-

terial vorzusehen, wobei jede Schicht Poren unterschiedlicher Größe aufweist. Die Verwendung von Mehrfachschichten von keramischen Stoffen mit verschiedenen Porositäten führt zu einem anisotropen Matrixelement; ein sehr wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie ein derartiges anisotropes Matrixelement zur Verfügung stellt. Die Dicke einer jeden Schicht kann ebenfalls bezüglich der anderen Schichten variiert werden, und zwar abhängig von dem jeweiligen Reaktionssystem.

Figur 3 zeigt ein Reaktormatrixelement mit zwei Schichten 32a und 32b aus mikroporösem Keramikmaterial. In der Ausführungsform des keramischen Matrixelements von Fig. 3 ist Schicht 32a vorteilhafterweise darauf ausgelegt in ihren Poren die chemischen oder biologischen Materialien aufzunehmen, während die Schicht 32b eine kleinere Porengröße aufweist, so daß die jeweils verwendeten chemischen oder biologischen Materialien nicht hindurchtreten können. Dieser Aufbau des keramischen Matrixelementes stellt sicher, daß die chemischen oder biologischen Materialien innerhalb der Schicht 32a bleiben.

Abhängig von der jeweiligen Reaktion ist es manchmal praktisch, für die Schicht 32a eine Porengröße so auszuwählen, daß die Reaktionsprodukte durch die Poren der Schicht 32a hindurchtreten, nicht jedoch die Reaktionspartner. Diese Konfiguration dient dann dazu, die Reaktionsprodukte von den Reaktionspartnern zu trennen und die Reaktion zu verstärken, indem die Reaktionspartner innerhalb der Reaktionsschicht 32a gehalten und konzentriert werden.

Wenn ein röhrenförmiges Matrixelement verwendet wird, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der Ausführungsform des Reaktors von Figur 2 dargestellt ist,wird die Reaktionslösung vorteilhafterweise unter einem Druck in die Bohrung 34 eingeführt, der ausreicht, um eine bestimmte

Menge der Lösung in das poröse keramische Matrixelement 32 zu drücken. Die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit der Lösung durch das Reaktormatrixelement ist ein Weg wie die Reaktionsgeschwindigkeit und der Wirkungsgrad der Reaktion gesteuert werden kann. Wenn der Eingangsdruck der Reaktionslösung erhöht wird, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionslösung durch die Matrix zu; umgekehrt wird bei kleinem Druck am Einlauf der Reaktionslösung die dortige Strömung kleiner. Die Einstellung der Dicke des keramischen Matrixelements bestimmt ebenfalls in wichtiger Weise die Strömungsgeschwindigkeit; bei einem gegebenen Eingangsdruck der Lösung ist die Strömungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Dicke des Matrixelements. Wenn also

zwei oder mehr Schichten im keramischen Matrixelement sehr 15

kleine Porengrößen aufweisen, wird es im allgemeinen vorteilhaft sein, die Dicke dieser Schichten auf ein Minimum herabzusetzen. Gemäß der vorliegenden Erfindung können sehr dünne Schichten von keramischem Material Verwendung

finden, da diese von einer benachbart liegenden porösen 20

Schicht des Matrixelements gehaltert werden.

Die Anzahl der Poren im Matrixelement, mit der die für die Fixierung der chemischen oder biologischen Materialien

verfügbare Oberflächenschicht gesteuert wird, beeinflußt 25

ebenfalls die Reaktionsgeschwindigkeit. In ähnlicher Weise beeinflußt der Durchmesser der Poren in dem Matrixelement die Reaktionsgeschwindigkeit; ein kleiner Durchmesser führt also dazu, die Strömung der Reaktionslösung herabzusetzen. Außerdem beeinflußt die Größe der Matrixporen di-30

rekt das Verhältnis der Menge der Reaktionslösung zur Menge der chemischen oder biologischen Stoffe, die innerhalb des Reaktormatrixelementes enthalten sind; dieses Verhältnis ist eine weitere Bestimmungsgröße für die Reaktionsgeschwindigkeit. Die vorstehenden Überlegungen zeigen klar, daß die Reaktionsgeschwindigkeit stark beeinflußt werden kann, indem die Größe, der Durchmesser und die An-

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zahl der Poren in dem keramischen Matrixelement verändert werden.

Wie oben erwähnt, wird die Reaktionslösung in Bohrung des Reaktormatrixelements unter ausreichendem Druck gepumpt, um eine geeignete Strömung der Reaktionslösung in die Matrix zur Reaktion mit dem dort fixierten biologischen Material zu erzielen. Reaktionsprodukte, und in einigen Fällen nicht verbrauchte Reaktionspartner passieren die Matrixschichten 32a und 32b und treten schließlich aus der äußeren Oberfläche des Bioreaktor-Matrixelements aus; dort werden die Reaktionsprodukte (und irgendwelche nicht verbrauchte Reaktionspartner) innerhalb des Gefäßes 40

gesammelt.
15

Wie oben erwähnt, ist das Gefäß 40 vorzugsweise abgeschlossen, obwohl dies nicht notwendigerweise der Fall zu sein braucht; es ist nur erforderlich, daß das Gefäß die Lösung auffängt, die aus dem Reaktormatrixglied austritt. Die innerhalb des Gefäßes 40 gesammelte Lösung wird über den Abfluß 44 abgezogen und nachfolgenden Reaktorstufen oder dem bestimmungsgemaßen Gebrauch zugeführt.

Wenn die Flüssigkeit durch die Bohrung 40 hindurchtritt, strömt aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Flüssigkeit in der Bohrung und dem Druck innerhalb des Gehäuses 4 0 ein Teil der Flüssigkeit in und durch das keramische Matrixelement. Diese Art der beschriebenen Flüssigkeitsströmung wird allgemein als Querströmung bezeichnet. in einigen Reaktionssystemen ist ein derartiges Querstromungssystem sehr vorteilhaft. Beispielsweise treten bei einem Querstromungssystem wie es in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, an praktisch jedem Punkt der Oberfläche in der Bohrung 34 ungefähr gleiche Flüssigkeitsmengen in das keramische Matrixelement ein. Außerdem trägt die Flüssig-

3S19563 keitsströmung über die Oberfläche der Bohrung 34 dazu bei, irgendwelche Teilchen wegzuführen, die zu groß sind, um in die Poren des keramischen Matrixelementes einzudringen. Ein Querströmungssystem verhindert weiterhin, da@ in der in Bohrung 34 eingeführten Flüssigkeit enthaltene Komponenten, die nicht in das Matrixelement eindringen können, sich innerhalb der Bohrung ansammeln und dort konzentrieren.

Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für Fälle geeignet, in denen die Flüssigkeit nach dem "Durchströmungsprinzip" geführt wird. Beispielsweise könnte der Anschluß 38 verschlossen werden, um keinen Teil der in Bohrung eingepumpten Lösung auf einem anderen Weg aus dem Reaktor austreten zu lassen, als durch das Matrixelement. Der Unterschied zwischen einem Querstromungssystem und einem Durchflußsystem besteht darin, daß beim Durchflußsystem der einzige Flüssigkeitsabfluß aus dem Reaktor im Sammelbereich innerhalb des Gehäuses 40 angebracht wird.

Das hier vorgeschlagene neue keramische Matrixelement läßt aber nicht nur eine weitgehende Steuerung und Beeinflussung der Reaktionsparameter zu, sondern kann auch sehr einfach vor jedem neuen Einsatz gereinigt werden. Dazu wird in das Matrixelement eine geeignete Lösung unter Druck eingeführt, wobei die Strömungsrichtung des Lösungsmittels entgegengesetzt ist zur Strömungsrichtung unter normalen Betriebsbedingungen. Dieses "Rückspülen" des Matrixelements dient dazu, teilchenförmige Materialien aus den verschiedenen Poren des Matrixelements abzulösen, und die Poren sowohl vom Bindemittel als auch von dem chemischen oder biologischen Material zu befreien, die innerhalb der Poren des Matrixelements haften. Aufgrund der thermischen Stabilität kann das Matrixelement dann unter Hitze sterilisiert und damit für einen neuen Einsatz vorbereitet werden (beispielsweise in einem Autoklaven).

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Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines porösen keramischen Reaktormatrixelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform des Matrixelements umfaßt

drei Schichten 132a, 132b und 132c mit schrittweise abneh-5

menden Porengrößen und einer Bohrung 134, die durch die innerste Schicht 132a verläuft. Die Ausführungsform nach Figur 4 ist besonders dann nützlich, wenn das gewünschte Reaktionsprodukt eine kleinere Größe aufweist als die Reaktionspartner (oder unerwünschte Nebenprodukte). Durch geeignete Wahl der Porengröße in der Schicht 132c erreicht man eine poröse Schicht, die nur das Reaktionsprodukt durch die Matrixschicht 132c hindurchläßt, um es schließlich in dem (nicht dargestellten) Gefäß des BioreaktiorsZZU

sammeln, wobei die anderen Komponenten der Lösung in der 15

Schicht 132b zurückgehalten werden (auch hier ist wieder darauf hinzuweisen, daß Figur 4 zwar Schichten 132a, 132b und 132c mit gleicher Dicke zeigt, in der Praxis diese Schichten aber sehr unterschiedliche Dicken aufweisen

können).
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Figur 5 zeigt eine nützliche Modifikation der Bioreaktormatrix nach Figur 4, bei der innerhalb der Matrixschicht 132b zusätzlich Hohlräume 135 angebracht sind. Figur 5

zeigt vier derartige Hohlräume 135, es können aber auch 25

mehr oder weniger vorgesehen werden. Diese Hohlräume können dazu dienen, Lösungen aus der Zwischenschicht 132 abzuziehen, und zusätzlich Lösungen zu sammeln, die aus der äußersten Schicht 132c austreten. Bei gewissen Anwendungen

kann es umgekehrt auch wünschenswert sein, die Reaktions-30

partner in das System durch die Hohlräume 135 einzuführen.

Wenn es gewünscht wird, können die Hohlräume selbst auch mit (nicht dargestellten) dünnen Schichten aus mikroporösem keramischem Material ausgefüttert werden, um die Strömung

von Flüssigkeitskomponenten selektiv zwischen den Hohlräu-35

men und der Schicht 132b des Matrixelements zu beschränken.

Die Flexibilität der vorliegenden Erfindung ergibt sich auch aus der Tatsache, daß es nötig ist, nach dem Fixieren des chemischen oder biologischen Materials in der innersten Matrixschicht 132a ein chemisches oder biologisches Material mit einem geringerem Molekulargewicht in die Hohlräume 135 einzuführen, um es innerhalb der porösen Matrixschicht 132b zu fixieren. Dieses Vorgehen ist nützlich, wenn eine zweite Reaktion gewünscht wird, bei der das Reaktionsprodukt der Matrixschicht 132a unmittelbar in die Schicht 132b gebracht wird um dort die weitere Reaktion durchzuführen. Dies ist insbesondere in solchen Fällen vorteilhaft, in denen das Produkt der ersten Reaktion unstabil ist oder zu zusätzlichen unerwünschten Nebenreaktionen tendiert. Es ist auch ohne weiteres ersichtlich, daß diese Ausführungsform bei chemischen Reaktoren angewandt werden kann, bei denen unstabile chemische Zwischenprodukte erzeugt und verwendet werden müssen.

Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reaktormatrixelementes mit drei Schichten nach der vorliegenden Erfindung. In Figur 6 sind die Matrixschichten 232a, 232b und 232c in einem gegenseitigen Abstand angeordnet, der ausreichend groß bemessen ist, daß Lösung zwischen den Schichten gesammelt werden kann. Der Druck aus der in Bohrung 234 eingeführten Reaktionslösung bewirkt, daß sich die Zwischenräume 237a und 237b mit Lösung füllen, die dann durch die jeweilige nächstliegende äußere Schicht 232b und 232c hindurchtritt. Bei dieser Bauform können die individuellen porösen Membranen leicht eingesetzt (und ersetzt) werden.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß verstopfte Matrixschichten oder Schichten mit erschöpftem biologischen Material ausgetauscht werden können, ohne das gesamte Matrixelement austauschen zu müssen. Diese Ausführungsform ermöglicht es auch, das chemische oder biologische

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Material in der jeweiligen Matrixschicht zu fixieren, bevor diese in den Reaktor eingebaut wird.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß ein Raum zur Verfügung gestellt wird, in dem Teile der Lösung entfernt werden können, die sich innerhalb der Zwischenräume 237a und 237b befinden; das kann besonders vorteilhaft sein, wenn es notwendig ist, den Vollständigkeitsgrad einer Reaktion zu überwachen, die in der vorhergehenden Matrixschicht abläuft. Außerdem kann ähnlich wie bei den Hohlräumen 135 in Figur 5 eine Lösung mit zusätzlichen Reaktionspartnern in die Zwischenräume 237a oder 237b in das System eingeführt werden.

Aus der bisherigen Beschreibung ist es klar, daß weitere Ausführungsformen und Modifikationen der Reaktor-Matrixelemente möglich sind, und daß für jedes besondere Reaktionssystem ein geeignetes Matrixelement entworfen werden kann. Obwohl die hier dargestellten Ausführungsformen vorsehen, daß die Reaktionslösung in die Bohrung eines röhrenförmigen Matrixelements eingeführt und an dessen Äußerem abgenommen wird, muß darauf hingewiesen werden, daß die Reaktionslösung umgekehrt in das Gefäß des Bioreaktors auch über den Ablauf 44 eingeführt und aus der Bohrung des Matrixelements entnommen werden könnte oder aus Hohlräumen innerhalb einer der Matrixschichten. Statt der dargestellten röhrenförmigen Matrixelemente ist es auch möglich, andere Formen zu verwenden, beispielsweise einfache, flache, mikroporöse keramische Anordnungen.

Die derzeit bevorzugten porösen keramischen. Reaktorelemente nach der vorliegenden Erfindung weisen einen gesamten Durchmesser im Bereich von ungefähr 2 mm bis ungefähr 2 0 mm auf, und vorzugsweise zwischen ungefähr 3 mm bis ungefähr 10 mm. Eine typische poröse keramische Matrixschicht hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von ca. 5 μ bis ungefähr 10 mm, wobei sich der bevorzugte Bereich zwischen ca.

10 μ bis ungefähr 5 mm erstreckt. Bei Verwendung von sehr dünnen porösen, keramischen Matrixschichten kann eine direkt daran anschließende Schicht mit relativ hoher Porosi-

_ tat und ausreichender Dicke als Trägerschicht für die dünb

ne Schicht vorgesehen werden, um die mechanische Stabilität zu gewährleisten. Eine stark poröse Trägerschicht wirkt sich auf die Strömungsgeschwindigkeit des Systems nur sehr gering aus, stellt aber andererseits sicher, daß selbst sehr dünne mikroporöse Keramikschichten unter den hohen Systemdrücken weder Deformationen noch Qualitätseinbußen erleiden.

Es ist klar, daß das poröse keramische Reaktormatrixelement

in jeder gewünschten Länge ausgeführt werden kann. Da sich 15

die Reaktionslösung in radialer Richtung durch die Matrix bewegt, hat die Länge der Matrix nur einen geringen oder keinen Einfluß auf das Reaktionssystem, abgesehen von dem Volumen der Reaktionslösung, das verarbeitet wird. Um relativ kurze Reaktormatrixelemente verwenden zu können, 20

die aber trotzdem einen relativ hohen Volumendurchsatz

aufweisen, kann es wünschenswert sein, eine Vielzahl von relativ kurzen Matrixelementen vorzusehen, die innerhalb eines einzigen Gefäßes angebracht sind, wie es beispielsweise in Figur 7 dargestellt ist.
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In einer derartigen Konfiguration sind die Bohrungen 334 der verschiedenen Matrixelemente 232 in Figur 7 über geeignete (nicht dargestellte) Kopfstücke an jedem Ende des

Sammelgefäßes 340 mit den (nicht dargestellten) Zuführungs-30

und Abführungsleitungen verbunden. Ein (nicht dargestellter) Abfluß im Gefäß 40 kann dazu dienen, Lösung zu sammeln, die aus den verschiedenen Reaktormatrixelementen austritt.

Die bisherige Beschreibung zeigt deutlich, daß mit der vor-35

liegenden Erfindung biologische Reaktionen in einer Weise

durchgeführt werden können, die eine bisher nicht mögliche Steuerung der Reaktionsbedingungen, der Parameter und der Geschwindigkeiten erlaubt. Anzahl, Größe, Durchmesser und

Verteilung der Elemente können so ausgewählt werden, daß 5

jedes betrachtete Reaktionssystem verbessert wird. Anzahl und Dicke der porösen Membranschichten stellen weitere Konstruktionsparameter dar, und zwar mit oder ohne Hohlräume innerhalb einiger der Matrixschichten und mit oder ohne Zwischenräumen zwischen den einzelnen porösen Schich-

ten.

Alle dieser Konstruktionsparameter können entweder empirisch und I oder experimentell auf das gerade betrachtete Reaktionssystem angepaßt werden. Durch geeignete Veränderungen dieser verschiedenen Parameter können Bioreaktionen in einer Weise gesteuert werden, die bisher bei kommerziellem Einsatz nicht möglich war.

Mit der vorliegenden Erfindung können auch ungewünschte

Qualitätseinbußen der Reaktionsprodukte oder Nebenreaktionen in solchen Fällen verhindert oder auf ein Minimum herabgesetzt werden, in denen derartige Nebenreaktionen wahrscheinlich auftreten. Am einfachsten können durch Einsatz geeigneter poröser Schichten Reaktionsprodukte von den Reaktionspartnern isoliert werden, so daß keine weiteren unerwünschten Reaktionen möglich sind. Außerdem ist der von der Reaktionslösung zurückzulegende Weg relativ klein; die Lösung braucht nur den relativ kurzen Weg von der Bohrung zur äußeren Oberfläche des röhrenförmigen Matrixelements

zurückzulegen. Schließlich kann der Reaktor nach der vorliegenden Erfindung als kontinuierlich arbeitendes System ausgebildet werden, indem die Produkte den Reaktor schnell verlassen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Fähigkeit anisotroper mikroporöser Membranen, aus denen ein Bioreaktormatrixelement aufgebaut ist, eine

_ teilweise oder auch vollständige Trennung des Produktes ο

von den Reaktionspartnern und Nebenprodukten zu ermöglichen, Diese Fähigkeit ist in vielen Fällen nützlich, da die Produktlösung unmittelbar und ohne weitere Reinigungsschritte verwendet werden kann.

Die außerordentliche thermische, chemische und mechanische Stabilität eines Matrixelements, das aus einem keramischen Material aufgebaut ist, stellt einen weiteren maßgeblichen Vorteil dar; dadurch wird eine Qualitätsverschlechterung des Matrixelements vermieden, sowie unerwünschte 15

Nebenreaktionen zwischen den Reaktionspartnern und dem Matrixmaterial. Das keramische Matrixelement kann weiterhin oft wiederverwendet werden, da es einfach zu reinigen und zu sterilisieren ist.

Claims

DIEHL & PARTNER Palunianwälte ■ European Patent Attorneys Kanzlei/Office: 3519 563 Flüggenstraße 1 3· D-8000 München 31. Mai 1985 D/sol-Te N 4414-D Norton Company One New Bond Street Worchester, Mass. 01606 USA REAKTOR FÜR CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE REAKTIONEN UND DAMIT DURCHGEFÜHRTE VERFAHREN 20 Patentansprüche

1. Reaktor zur Durchführung einer Reaktion eines ersten Stoffes mit mindestens einem Reaktionspartner, unter Verwendung von Keramikelementen,

gekennzeichnet durch:

- Keramische Matrixelemente (32) mit einer Mehrzahl von porösen Schichten (32a,32b) von denen eine eine Porengröße aufweist,

die es erlaubt, den ersten Stoff aufzunehmen und zu fixieren;

- Vorrichtungen (38) , mit denen der Reaktionspartner in die Poren des Matrixelements

eingeführt wird, in dem der erste Stoff fixiert wurde, wobei das Matrixelement

den Reaktionspartner in Kontakt mit dem fixierten ersten Stoff bringt, so daß der erste Stoff mit dem Reaktionspartner reagieren kann; und

- Vorrichtungen (40,44), mit denen das Reaktionsprodukt gesammelt wird.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse keramische Matrixelement im wesentlichen röhrenförmig ausgestaltet ist.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Einführung des Reaktionspartners eine axiale Bohrung (34) aufweisen, die durch das röhrenförmige keramische Matrixelement verläuft.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zum Sammeln des Reaktionsprodukts ein Gefäß (40) enthalten, die das keramische Matrixelement umgibt.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Einführung des Reaktionspartners in die axiale Bohrung (34) einen Druck erzeugen, der ausreicht, um mindestens einen Teil des Reaktionspartners durch das keramische Matrixelement hindurchtreten zu lassen.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionspartner durch die Bohrung (34) unter Druck geführt wird, so daß ein Teil des Reaktionspartners das keramische Matrixelement in einer Querströmung durchsetzt.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (38) der Bohrung abgedichtet

ist, so daß der Reaktionspartner nach dem Durchflußprinzip durch das keramische Matrixelement tritt.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der porösen Schichten des keramischen Matrixelements eine im wesentlichen gleiche mittlere Porengröße aufweist, die sich von der mittleren Porengröße einer benachbarten Schicht unterscheidet.

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste Schicht des im allgemeinen röhrenförmigen keramischen Matrixelements die größte mittlere Porengröße aufweist.

10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schicht des im allgemeinen röhrenförmigen keramischen Matrixelements die größte mittlere Porengröße aufweist.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der porösen Schichten mit mindestens einem Hohlraum (135) versehen ist.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der porösen Schichten durch einen Zwischenraum (237) von der benachbarten porösen Schicht getrennt ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht mit der kleinsten Porengröße das Reaktionsprodukt durchläßt, nicht aber den Reaktionspartner.

14. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Matrixelement aus einem Material hergestellt wird, das aus der Gruppe der Oxide

von Aluminium, Silizium, Zirkonium, Titan, Chrom und Magnesium und deren Kombinationen ausgewählt ist.

15. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Matrixelement aus einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Cordierit, Mullit und deren Kombinationen ausgewählt ist und Kombinationen mit Oxiden enthält, die aus der Gruppe aus Aluminium, Silizium, Zirkonium, Titan, Chrom und Magnesium besteht.

16. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren des Matrixelements im Bereich von ungefähr 0,01 μηη bis ungefähr 50 μ*η liegen.

17. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren des Matrixelements im Bereich von ungefähr 0,05 μη\ bis ungefähr 10 μ™ liegen.

18. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht des keramischen Matrixelements eine Dicke im Bereich von ungefähr 5 μι-η bis ungefähr 10 Millimeter aufweist.

19. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von porösen keramischen Matrixelementen vorgesehen sind, die bezüglich der Quelle der Lösung mit Reaktionspartnern parallel geschaltet sind.

20. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Durchführung einer Reaktion eines biologischen Materials mit geeigneten Reaktionspartnern, wobei die innerste Schicht des keramischen Matrixelements die größte mittlere Porengröße aufweist, die so bemessen ist, daß das biologische Material darin aufgenommen werden kann und die Porengröße der benachbarten keramischen Schicht so klein

ist, daß diese das biologische Material nicht aufnehmen kann.

21. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Durchführung einer Reaktion eines ersten chemischen Stoffes mit geeigneten Reaktionspartnern, wobei die Porosität der innersten Schicht des keramischen Matrixelements die größte mittlere Porengröße aufweist, die so ausgewählt ist, daß der erste chemische Stoff darin aufgenormten werden kann und wobei die benachbarte keramische Schicht mit abnehmender Porosität eine "Porengröße aufweist, die klein genug ist, um zu verhindern, daß der erste chemische Stoff aufgenommen wird.

22. Verfahren zur Durchführung einer biologischen Reaktion zwischen einem biologischen Stoff und geeigneten Reaktionspartnern unter Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Fixieren des biologischen Stoffes innerhalb der Poren einer der porösen Schichten des keramischen Matrixelements;

- Einführen einer Lösung mit den Reaktionspartnern in die Poren der porösen Schicht des keramischen Matrixelements innerhalb dessen der biologische Stoff fixiert ist, um so die Reaktion der Re

aktionspartner mit dem biologischen Stoff zu ermöglichen;

- Durchleiten der Lösung mit dem Reaktionsprodukt durch mindestens eine weitere poröse Schicht des keramischen Matrixelements ; und

- Auffangen der Lösung, die durch das keramische Matrixelement hindurchtritt und das Reaktionsprodukt enthält.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Lösung mit den Reaktionsprodukten durch mindestens eine weitere Schicht des keramischen Matrixelements mit einer genügend kleinen Porosität hindurchgeleitet wird, um mindestens einen Teil der Lösung mit den Reaktionspartnern von der Lösung mit den Reaktionsprodukten zu trennen.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung mit den Reaktionsprodukten durch alle Schichten des keramischen Matrixelements hindurchtritt, wobei die Porosität mindestens einer Schicht des keramischen Matrixelements ausreichend klein gewählt ist, um den Durchtritt der Lösung mit den Reaktionspartnern zu verhindern.

25. Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion zwischen einem ersten chemischen Stoff und mindestens einem geeigneten chemischen Reaktionspartner unter Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 25

- Fixieren des ersten chemischen Stoffes innerhalb der Poren des keramischen Matrixelements;

- Einführen einer Lösung mit den Reaktionspartnern in die Poren der porösen Schicht des keramischen Matrixelements innerhalb dessen der erste chemische Stoff fixiert ist, um so die Reaktion der Reaktionspartner

mit dem ersten chemischen Stoff zu ermöglichen;

1 - Durchführen der Lösung mit dem Re

aktionsprodukt durch die übrigen porösen Schichten des keramischen Matrixelements; und

- Auffangen der Lösung mit dem Reaktionsprodukt, die durfah das keramische Matrixelement hindurchtritt.

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26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung mit den Reaktionsprodukten von mindestens einem Teil der Lösung mit den Reaktionspartnern getrennt wird, in dem die Porosität mindestens einer Schicht des keramischen Matrixelements so klein gewählt wird, daß die

15 Lösung mit den Reaktionspartnern nicht durchtreten kann, wohl aber die Reaktionsprodukte.