DE3603792A1 - Mehrstufiges verfahren zur stoffumwandlung mittels katalysatoren und reaktor zu dessen durchfuehrung - Google Patents

Mehrstufiges verfahren zur stoffumwandlung mittels katalysatoren und reaktor zu dessen durchfuehrung

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Description

Die Erfindung betrifft ein neues mehrstufiges Verfahren zur Stoffumwandlung mittels Katalysatoren und einen neuen Reaktor zur Durchführung desselben.
Mehrstufige Verfahren zur Stoffumwandlung mittels Kata­ lysatoren sind schon seit langem bekannt. Für solche Prozesse werden in der Regel mehrere Reaktoren hinter­ einandergeschaltet. Mehrstufige Verfahren lassen sich jedoch auch in einem einzigen Reaktor durchführen. Als Alternative zum Hintereinanderschalten von mehreren Apparaten ist beispielsweise der Siebboden-Reaktor an­ zusehen (Nesemann Chem. Ztg. 98, 1974, Seite 526; Rehm. Chem. Inc. Tech. 42, 1970, Seite 584; DE-PS 19 11 038; 16 42 594; 16 42 653). Eine abgewandelte Form des Sieb­ boden-Reaktors ist der dreistufige Rührfermenter nach Brauer & Schmidt (Brauer CAV, 1974, Seite 73 ff).
Alle diese Reaktoren lassen sich sowohl in der chemi­ schen Verfahrenstechnik als auch in der Bioverfahrens­ technik anwenden. Ein Überblick über die heute in der Biotechnik gebräuchlichen Bioreaktoren kann den ein­ schlägigen Lehrbüchern entnommen werden (z.B. Rehm. "Industrielle Mikrobiologie", 2. Auflage, Berlin, Hei­ delberg, New York 1980; Präve u.a. "Handbuch der Bio­ technologie", Wiesbaden 1982). Die heute in der Bio­ technik eingesetzten Submers-Fermenter arbeiten entwe­ der diskontinuierlich oder kontinuierlich als gerührter oder hydraulisch durchmischter Behälter. Diese Bioreak­ toren haben jedoch verschiedene Nachteile.
So treten bei den diskontinuierlich betriebenen Biore­ aktoren lange Totzeiten auf, die durch das Befüllen, Beimpfen, Anfahren, Ausräumen und Reinigen der Anlage bedingt sind. Außerdem fallen das Produkt und die Rest­ massen nicht kontinuierlich, sondern stoßweise an. Das führt wiederum zu erhöhten Betriebskosten, da die an­ fallenden Stoffe vor der Weiterverarbeitung zunächst zwischengelagert werden müssen.
Die kontinuierlich betriebenen Reaktoren geben hingegen bei homogener Vermischung des Inhaltes immer einen Teil des ursprünglich eingesetzten Rohstoffes unverwertet ab. Das heißt, mit solchen Reaktoren werden nicht die optimale Produktivität und Ausbeute erreicht.
Höhere Produktivität und bessere Ausbeuten bei geringe­ ren Apparatedimensionen lassen sich mit heterogenen Reaktoren erreichen. Solche Reaktoren zeichnen sich dadurch aus, daß sie kontinuierlich betrieben werden können und die Substratumwandlung während des Durchlau­ fes des Behälters stetig zunimmt. In den verschiedenen Höhen des Apparates herrschen verschiedene Produktkon­ zentrationen. Die maximale Produktkonzentration liegt am Abzug vor, was die Aufarbeitung verbilligt. Ein wei­ terer Vorteil dieser Fahrweise liegt in der großen Um­ satzgeschwindigkeit, die bei dem Einsatz von Mischkul­ turen (z.B. bei der Abwasserreinigung) in den einzelnen Abbauphasen durch eine genau adaptierte Mikroorganis­ men-Population hervorgerufen wird. Bei heterogenen Re­ aktoren treten jedoch heute noch Schwierigkeiten bei der Stromführung des Substrates, der Durchmischung und der Belastung der Biomasse auf.
In der Verfahrenstechnik werden heute auch zunehmend Mikroorganismen oder Enzyme als Katalysatoren einge­ setzt.
Diese Biokatalysatoren können entweder in Suspenion oder in immobilisierter Form vorliegen. Insbesondere in der Abwassertechnologie ist es zur Zeit gebräuchlich, den anaeroben Schlamm als Suspension im Medium einzu­ setzen und die Biomasse in einem separaten Anlagenteil aus dem Produkt abzutrennen (Kontaktverfahren). Dabei entstehen oft Schwierigkeiten, weil die Organismen nur schlecht sedimentieren oder die Filter verstopft wer­ den.
Enzyme werden heute meist in löslicher Form den Sub­ straten zugegeben. Bei einer derartigen Verfahrensweise gehen die Enzyme verloren, so daß man sehr sparsam do­ sieren muß. Durch verschiedene Methoden ist es inzwi­ schen möglich geworden, Enzyme und Mikroorganismen zu immobilisieren. Dadurch verbessern sich die Sedimenta­ tionseigenschaften. Die Mikroorganismen können im Sy­ stem gehalten werden, ohne aufwendige Abscheidevorrich­ tungen einsetzen zu müssen. Immobilisierte Enzyme kön­ nen so lange verwendet werden, bis sie ihre katalyti­ schen Eigenschaften weitgehend verloren haben und ihre Restaktivität unwirschaftlich wird (vgl. Chibata, "Im­ mobilized Enzymes", J. Wiley & Sons, 1978, Seite 151). Durch die Immobilisierung von Biokatalysatoren ergeben sich ferner eine Reihe von weiteren Vorteilen bei der Konstruktion und dem Betrieb von Reaktoren. Hierzu zäh­ len vor allem die höhere Umsatzrate durch die Anwendung des Prinzips des heterogenen Rohrreaktors, die höhere Produktivität, der Wegfall von Abtrenneinrichtungen, geringere Behälterdimensionen, die optimale Organismen­ adaptation durch heterogenen Substratabbau und die Aus­ nutzung der eingesetzten Enzyme bis zu ihrer Unwirt­ schaftlichkeit. Diese Faktoren zusammengenommen stehen für geringere Anschaffungs- und Betriebskosten.
Bei den industriellen Anwendern besteht daher eine deutliche Bereitschaft, in Zukunft vermehrt immobili­ sierte Mikroorganismen und Enzyme einzusetzen. Ein he­ terogener Rohrreaktor, der auf die Anforderungen der immobilisierten Biokatalysatoren ausgelegt ist und kei­ ne besonderen Anforderungen an das Substrat stellt (al­ so auch so schwierige Flüssigkeiten wie kommunale Ab­ wässer bewältigen kann), wird auf dem Markt zur Zeit nicht angeboten.
Die vorliegende Erfindung hat sich demgemäß die Aufgabe gestellt, ein mehrstufiges Verfahren zur Stoffumwand­ lung mittels Katalysatoren zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß
  • a) der Rohstoff durch einen schrägen Zulauf im unter­ sten Abschnitt eines Reaktors mit trichterförmigem Boden zugeführt wird,
  • b) durch die tangentiale Zufuhr von Flüssigkeit der Reaktorinhalt zur Rotation und in innigen Kontakt mit dem Katalysator gebracht wird,
  • c) die Flüssigkeit durch Überströmkanäle in die näch­ sten Stufen gelangt, deren Böden ebenfalls trichter­ förmig ausgelegt sind,
  • d) und dort der weiteren Reaktion unterworfen wird und
  • e) hinter der letzten Stufe am oberen Ende des Reaktors das Produkt abgezogen wird.
Die entstehenden Gase können vorzugsweise durch umge­ kehrt trichterförmige Böden gesammelt und über ein zen­ trales Ableitungsrohr abgeführt werden, das mit jeder Stufe über ein Schwimmerventil verbunden ist.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens können die Katalysatoren im Gegenstrom mittels einer Fördereinrichtung von oben nach unten durch die einzelnen Stufen geführt werden, während das Substrat über Überströmkanäle in den trichterförmigen Böden von unten nach oben durch die Stufen fließt.
Als Katalysatoren können Mikroorganismen eingesetzt werden. In diesem Fall eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur biologischen Abwasserreini­ gung. Hierfür werden Reaktoren mit umgekehrt trichter­ förmigen Böden bevorzugt. Dabei kann in einer oder meh­ reren Stufen zunächst eine Hydrolyse durchgeführt wer­ den. Daran schließen sich in einer oder mehreren Stufen eine Acidogenese, eine Acetogenese und eine Methanoge­ nese an. Hinter der letzten Stufe am oberen Ende des Reaktors kann dann das gereinigte Wasser abgezogen wer­ den. Ein derartiges Verfahren eignet sich insbesondere zur Denitrifikation und Nitrifikation von Abwässern sowie zur Reinigung von Abwässern mit Metallbelastun­ gen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Enzyme hergestellt werden. Ebenso lassen sich pharmazeutische, kosmetische und chemische Produkte, wie Ethanol, Buta­ nol oder Aceton, erzeugen. Ferner eignet sich das er­ findungsgemäße Verfahren zur Flüssigzuckerherstellung, Verzuckerung von Stärke, zum Abbau von in Abwässern gelösten Fetten, zur Verzuckerung von Milch und zur Klärung von Frucht- und Gemüsesäften. Als Katalysatoren können hierbei auch immobilisierte Enzyme eingesetzt werden. Darüber hinaus lassen sich aber ebenso Mikroor­ ganismen und Enzyme gemeinsam in immobilisierter bzw. nicht-immobilisierter Form verwenden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können das Substrat (z.B. Saccharoselösung) und das immobilisierte Enzym (z.B. Invertase zur Herstellung von Flüssigzucker) im Gegenstrom geführt werden. Das Substrat gelangt so stets in Bereiche mit höherer En­ zymaktivität, was eine gute Umsatzrate erwarten läßt. Unwirtschaftlich gewordene Enzyme werden unten abgezo­ gen und oben durch die entsprechende Menge frischer Enzyme ersetzt. Die Begrenzung der Schichthöhe erfolgt durch im Reaktor eingebaute Trennböden. Die Enzymmasse wird durch eine Fördereinrichtung gegen den Substrat­ strom bewegt, wodurch ein Aktivitätsgradient im Reaktor entsteht. Unten trifft frisches Substrat auf geschwäch­ tes Enzym, welches diesen Nährstoff noch teilweise um­ setzen kann. Das frische und noch voll aktive Enzym trifft danach im oberen Behälter auf bereits weitgehend umgesetztes Substrat. In diesem Behälterbereich wird demzufolge die restliche Katalysierung durchgeführt, die von den weniger aktiven Enzymen nicht mehr vollzo­ gen werden könnte. Durch eine derartige Verfahrensfüh­ rung ist es möglich geworden, auf Dauer hohe Umsatzra­ ten bei sparsamstem Enzymverbrauch zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen mehrstufigen, heterogenen Reaktor für die Stoffumwand­ lung mittels Katalysatoren mit einem Zulauf und einem Ablauf. Der Reaktor ist dadurch gekennzeichnet, daß er
  • a) durch die Böden der einzelnen Stufen, die trichter­ förmig ausgebildet sind, unterteilt ist,
  • b) im untersten Abschnitt des Reaktors ein schräger Zulauf vorhanden ist,
  • c) die Böden Überströmkanäle aufweisen und
  • d) in jeder Stufe Einfüllstutzen vorhanden sind.
Die Böden können umgekehrt trichterförmig ausgelegt sein, so daß sich in der Trichterspitze das entstehende Gas sammeln kann. In diesem Fall befindet sich in der Trichterspitze eine Gasabführung, die mit jeder Stufe über ein Schwimmerventil verbunden ist. Am oberen Ende der Gasableitung kann außerdem ein Schaumabscheider angebracht sein.
Der erfindungsgemäße Reaktor kann mit Hilfe von Kataly­ satoren, insbesondere von immobilisierten Mikroorganis­ men und/oder Enzymen, flüssige Substrate, insbesondere organisch hochbelastete Abwässer, kontinuierlich umset­ zen. In einem heterogenen, mehrstufigen Turmreaktor soll durch den Einsatz von an Trägermaterial angebunde­ nen Katalysatoren, insbesondere Mikroorganismen und Enzyme, soviel aktive Biomasse im Reaktor gehalten wer­ den, daß schon nach einmaligem Durchlauf der Stufen eine weitestgehende Umsetzung des eingesetzten Rohmate­ rials stattgefunden hat. Hierdurch wird erreicht, daß die Apparateabmessungen gegenüber den bisher üblichen erheblich reduziert werden können. Infolgedessen wird die Rentabilitätsgrenze, z.B. bei der Abwasserreini­ gung, so weit herabgesetzt, daß der erfindungsgemäße Reaktor als Kompaktanlage für kleinere Betriebe verwend­ bar ist.
Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und
der erfindungsgemäße Reaktor unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Reaktors für die hete­ rogene Produktbildung mit einem Zulauf und Abzug.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Höhe des Reaktors und der Umsatzrate.
Fig. 3 zeigt das Konstruktionsprinzip einer vierstufi­ gen Variante des erfindungsgemäßen Reaktors.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemä­ ßen Reaktors, bei der eingesetzter Rohstoff und Kataly­ sator im Gegenstrom geführt werden.
Fig. 5 zeigt einen Überströmkanal, wie er in den er­ findungsgemäßen Reaktoren eingesetzt wird.
Aus Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß mit zunehmender Höhe des Reaktors 1 die Produktkonzentration zunimmt. Über den Stutzen 2 wird das Substrat zugeführt, während man über den Stutzen 3 das Produkt, z.B. das gereinigte Abwasser, aberntet. Die maximale Produktkonzentration liegt am Abzug vor.
Der in Fig. 3 dargestellte Reaktor kann kontinuierlich und heterogen betrieben werden. Über den Stutzen 2 wird das Substrat zugeführt, während man über den Stutzen 3 das Produkt, z.B. das gereinigte Abwasser, aberntet. Durch spezielle Einbauten wird der Behälter in einzelne Stufen unterteilt. In diesen Stufen, die von außen durch Einfüllstutzen zugänglich sind, wirken die Kata­ lysatoren, z.B. immobilisierte Mikroorganismen oder Enzyme, auf das durch Überströmkanäle 6 von unten zu fließende Substrat. Durch eine tangentiale Zuführung des Substrates in die einzelnen Stufen wird eine Rota­ tionsbewegung erzeugt, so daß die Katalysatoren und die umzuwandelnden Stoffe durchmischt werden können.
Die Böden 5 der einzelnen Stufen sind umgekehrt trich­ terförmig ausgelegt, so daß eventuell entstehende Gase sich in der Mitte sammeln und durch das Zentralrohr 7 abgeleitet werden können. Der Einlauf des Ableitungs­ rohrs ist mit einem Schwimmerventil 4 versehen, das den Flüssigkeitsstand im Trichter regelt und die Trennung von Flüssigkeit und Gas bewirkt. Bei steigender Gasmen­ ge im Trichter sinkt der Flüssigkeitsspiegel ab. Hier­ durch wird das Ventil im Ableitungsrohr geöffnet und das Gas kann durch das Zentralrohr 7 nach oben abströ­ men. Bei dieser Konstruktion kann das Produktgas in einem einzigen gemeinsamen Ableitungsrohr gesammelt und über das Abgasrohr 8 abgeführt werden.
Bei Prozessen mit Gasproduktion sind die Böden umge­ kehrt trichterförmig angebracht. Die Gasabfuhr erfolgt dann über ein Schwimmerventil. Bei Prozessen ohne oder mit nur geringfügiger Gasproduktion können die Böden auch trichterförmig angeordnet sein.
Die Unterteilung des Reaktors in einzelne Stufen ge­ stattet den Betrieb mit Mischkulturen, also mit einem breiten Spektrum von Mikroorganismen, die in Symbiose leben. Hierbei reichern sich in jeder Stufe jeweils an das zuströmende Substrat adaptierte Populationen an. In den unteren Reaktorstufen siedeln sich aufgrund der starken Belastung des Abwassers überwiegend hydrolisie­ rende Organismen an. In der Mitte überwiegen die Säure­ bildner und in den oberen Stufen sind hauptsächlich Methanbildner zu finden. Die Populationen in den jewei­ ligen Stufen sind somit optimal an das jeweils angebo­ tene Substrat angepaßt. Hierdurch wird eine bedeutende Beschleunigung des Umsatzvorganges bewirkt. Das bedeu­ tet, daß bei gleicher Abbaurate der Abwasserschadstoffe ein wesentlich kleinerer Reaktionsbehälter notwendig ist.
So kann beispielsweise bei der Ethanolherstellung die Behältergröße um etwa 90% gegenüber herkömmlichen Apparaten reduziert werden. Bei der Biogasherstellung wird die Anzahl der Stufen durch die Höhe der Gaspro­ duktion bestimmt. Es können also auch mehrere Stufen, z.B. für die Methanogenese, dienen.
Im Falle der Verwendung von immobilisierten Enzymen oder Mikroorganismen werden die einzelnen Stufen mit Füllkörpern bestückt, die den Organismen eine Aufwuchs­ fläche bieten. Dadurch werden sie an diese Träger immo­ bilisiert. Als Füllkörper sind insbesondere Sand, Bläh­ gestein und andere diverse künstliche Füllkörper geeig­ net. Die überschüssige Biomasse kann hierbei aus jeder Stufe separat über die Einfüllstutzen abgezogen werden. Bei selbstständig flockenden Organismen kann auf Füll­ körper verzichtet werden.
Bei Verwendung von Mikroorganismen sollen zur optimalen Auslastung des Reaktors in den verschiedenen Stufen jeweils die Organismen angesiedelt werden, die an das zufließende Substrat adaptiert sind. Im Fermenter liegt also neben einer heterogenen Substratverteilung auch eine heterogene Organismenverteilung vor. Auf diese Art werden die Produktivität bzw. bei der Abwasserreinigung der Schadstoffabbau gesteigert.
Die Regulation des Wachstums der in den einzelnen Stu­ fen vorhandenen Mikroorganismen kann automatisch durch­ geführt werden, indem nicht immobilisierte Organismen mit dem Produkt ausgeschwemmt werden. Man kann aber eine Regulation auch erreichen, indem überschüssige Festmasse aus jeder einzelnen Stufe abgezogen wird.
Der Anwendungsbereich des in Fig. 3 gezeigten Reaktors soll vor allem bei der Abwasserreinigung liegen. Ein derartiger Reaktor eignet sich nicht nur für die Be­ handlung großer Abwassermengen, sondern auch für in Kleinbetrieben oder im privaten Bereich anfallende ge­ ringere Mengen. Die kompakte Apparatur ermöglicht es, Abwässer am Entstehungsort unter Gewinnung von Biogas zu entsorgen. Es ist vorstellbar, daß bei etwas abseits liegenden Einzelhäusern solche Kleinkläranlagen instal­ liert werden, um das anfallende Abwasser anaerob abzu­ bauen. Daneben wäre das gewonnene Biogas als Energie­ quelle verwertbar. In Verbindung mit einer Hydrolyse­ stufe für Feststoffe können sogar feste organische Ab­ fälle (z.B. Papier, Pappe, Essensreste, landwirtschaft­ liche Abfälle) zu Biogas verarbeitet werden. Gegebenen­ falls wird für die Hydrolyse ein zusätzlicher Reaktor eingesetzt.
Der erfindungsgemäße Reaktor zeichnet sich insbesondere durch die maximale Produktkonzentration im Auslauf und die damit erleichterte Aufarbeitung aus. Gleichzeitig wird eine optimale Substratverwertung erreicht. Durch den Einsatz von immobilisierter Biomasse fallen im mehrstufigen Verfahren Abtrennung und Rückführung der Biomasse weg. Bei Einsatz von Mischkulturen liegen in jeder Stufe optimal adaptierte Populationen vor. Bei der Verwendung als Enzymreaktor erreicht man außerdem eine weitgehende Enzymauswertung bis zu geringen Rest­ aktivitäten. In jeder Stufe bestehen Zugriffsmöglich­ keiten für die Erhaltung der optimalen Zelldichte, zur Reinigung und Beseitigung von Verstopfungen. Durch die spezielle Reaktorkonstruktion können hohe Konzentratio­ nen an Biomasse erreicht werden, ohne daß Aktivitäts­ verluste durch zu dichte Packung auftreten.
Die multifunktionale Modulbauweise hat außerdem den Vorteil, daß der Reaktor an verschiedene Fermentations­ bedingungen auf einfachste Weise angepaßt werden kann.
In Fig. 4 wird eine weitere Variante des erfindungsge­ mäßen Reaktors dargestellt, die sich besonders für die Verwendung als Enzymreaktor eignet. Auch dieser Reaktor kann kontinuierlich betrieben werden. Dabei werden Sub­ strat und immobilisiertes Enzym im Gegenstrom geführt. Unwirtschaftlich gewordene Enzyme werden unten über den Stutzen 14 abgezogen und oben über den Stutzen 11 durch die entsprechende Menge frischer Enzyme ersetzt. Die Begrenzung der Schichthöhe erfolgt durch die eingebau­ ten trichterförmigen Trennböden 5. Die Enzymmasse wird durch eine Fördereinrichtung, z.B. eine langsam laufen­ de Schnecke 13, gegen den Substratstrom bewegt, wodurch ein Aktivitätsgradient im Reaktor entsteht. Die Förder­ einrichtung wird über einen Motor 10 und eine Welle 12 angetrieben. Das Substrat gelangt über Überströmkanäle 6 in die jeweils nächste Stufe des Reaktors. Über einen Überlauf 9 und den Stutzen 3 wird das Produkt oben ab­ gezogen. Über den Stutzen 2 wird frisches Substrat zu­ gesetzt.
Das Substrat gelangt so stets in Bereiche mit höherer Enzymaktivität, was eine gute Umsatzrate bewirkt. Unten trifft das frische Substrat auf ein geschwächtes Enzym, welches an diesem Nährstoff noch befriedigende Umsätze bewirken kann. Das frische und noch voll aktive Enzym trifft am oberen Behälter auf das bereits weitgehend umgesetzte Substrat. Hier wird die restliche Katalysie­ rung durchgeführt, die von weniger aktiven Enzymen nicht mehr vollzogen werden kann. Auf diese Art ist es möglich, auf Dauer hohe Umsatzraten bei sparsamstem Enzymverbrauch zu erzielen.
In Fig. 5 ist ein Überströmkanal dargestellt, wie er in den in Fig. 3 und 4 abgebildeten Reaktoren verwendet wird. Dieser ist so mit einem Gleitblech 15 abgedeckt, daß entstehendes Gas nicht in die nächste Stufe ge­ langt, sondern sich in der Trichtermitte der einzelnen Böden sammelt und von dort über das Zentralrohr nach oben abgeführt wird.

Claims (22)

1. Mehrstufiges Verfahren zur Stoffumwandlung mittels Ka­ talysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) der Rohstoff durch einen schrägen Zulauf (2) im un­ tersten Abschnitt eines Reaktors (1) mit trichter­ förmigem Boden (5, 5 a) zugeführt wird,
  • b) durch die tangentiale Zufuhr von Flüssigkeit der Reaktorinhalt zur Rotation und in innigen Kontakt mit den Katalysatoren gebracht wird,
  • c) die Flüssigkeit durch Überströmkanäle (6) in die nächsten Stufen gelangt, deren Böden ebenfalls trichterförmig ausgelegt sind,
  • d) und dort der weiteren Reaktion unterworfen wird und
  • e) hinter der letzten Stufe am oberen Ende des Reaktors das Produkt (3) abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildeten Gase durch umgekehrt trichterförmige Böden (5) gesammelt und über ein zentrales Ableitungs­ rohr (7) abgeführt werden, das mit jeder Stufe über ein Schwimmerventil (4) verbunden ist.
3. Mehrstufiges Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß als Katalysatoren immobili­ sierte Mikroorganismen und/oder Enzyme eingesetzt wer­ den.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoren im Gegenstrom mittels einer Förder­ einrichtung (13) von oben nach unten durch die einzel­ nen Stufen geführt werden, während das Substrat über Überströmkanäle (6) in den trichterförmigen Böden (5 a) von unten nach oben durch die Stufen fließt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß immobilisierte Enzyme eingesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß immobilisierte Enzyme und Mikroorganismen gemeinsam eingesetzt werden, wobei die Mikroorganismen an Trägern wachsen, die aufgrund ihrer Größe nicht durch die För­ dereinrichtung in die anderen Stufen gelangen können, während die Enzyme im Gegenstrom mittels der Förderein­ richtung von oben nach unten durch die einzelnen Stufen geführt werden.
7. Verfahren nach Ansprüchen 5 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Aktivitätsgradient im Reaktor ausge­ bildet wird, indem man die Enzymmasse durch eine Förder­ einrichtung (13) gegen den Substratstrom bewegt und dabei verbrauchte Enzyme unten abgezogen sowie oben durch die entsprechende Menge frischer Enzyme ersetzt werden.
8. Mehrstufiges Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 zur bio­ logischen Abwasserreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß in einer oder mehreren Stufen Hydrolysen, Acidoge­ nesen, Acetogenesen und Methanogenesen durchgeführt werden und hinter der letzten Stufe am oberen Ende des Reaktors das gereinigte Wasser abgezogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 zur Denitrifikation und Ni­ trifikation von Abwässern sowie zur Reinigung von Ab­ wässern mit Metallbelastungen.
10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 zur Herstellung von Enzymen.
11. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7 zur Herstellung von pharmazeutischen, kosmetischen und chemischen Produk­ ten.
12. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7 zur Flüssigzuckerher­ stellung, Verzuckerung von Stärke, Abbau von in Abwäs­ sern gelösten Fetten, Verzuckerung von Milch und zur Klärung von Frucht- und Gemüsesäften.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 oder 8 zur Herstellung von Biogas.
14. Mehrstufiger, heterogener Reaktor für die Stoffumwand­ lung mittels Katalysatoren mit einem Zulauf (2) und einem Ablauf (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Re­ aktor (1)
  • a) durch die Böden (5, 5 a) der einzelnen Stufen, die trichterförmig ausgebildet sind, unterteilt ist,
  • b) im untersten Abschnitt des Reaktors ein schräger Zulauf (2) vorhanden ist,
  • c) die Böden Überströmkanäle (6) aufweisen und
  • d) in jeder Stufe Einfüllstutzen vorhanden sind.
15. Reaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden (5) der einzelnen Stufen umgekehrt trichter­ förmig ausgelegt sind, sich in der Mitte eine Gasabfüh­ rung (7) befindet, die mit jeder Stufe über ein Schwimmerventil (4) verbunden ist, und gegebenenfalls am oberen Ende der Gasableitung ein Schaumabscheider angebracht ist.
16. Reaktor nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen mit geeigneten Füllkör­ pern, an denen die Mikroorganismen und/oder Enzyme haf­ ten, bestückt sind.
17. Reaktor nach Anspruch 14, daduch gekennzeichnet, daß er eine Fördereinrichtung (13) für die Führung der Kataly­ satoren im Gegenstrom zum Substrat und in den trichter­ förmigen Böden (5 a) Überströmkanäle (6) enthält, durch die Substrat von unten nach oben fließt.
18. Verwendung eines mehrstufigen, heterogenen Reaktors (1) für mikrobiologische und enzymkatalysierte Prozesse, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1)
  • a) durch die Böden (5, 5 a) der einzelnen Stufen trichterförmig ausgebildet ist,
  • b) im untersten Abschnitt des Reaktors ein schräger Zulauf (2) vorhanden ist,
  • c) die Böden Überströmkanäle (6) aufweisen und
  • d) in jeder Stufe Einfüllstutzen vorhanden sind.
19. Verwendung eines mehrstufigen, heterogenen Reaktors gemäß Anspruch 18 zur Abwasserreinigung, wobei sich in der Mitte eine Gasabführung (7) befindet, die mit jeder Stufe über ein Schwimmerventil (4) verbunden ist.
20. Verwendung eines mehrstufigen, heterogenen Reaktors gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19 zur Denitrifika­ tion und Nitrifikation von Abwässern sowie zur Reini­ gung von Abwässern mit Metallbelastungen.
21. Verwendung eines Reaktors gemäß Anspruch 18 zur Her­ stellung von Enzymen, von pharmazeutischen, kosmeti­ schen und chemischen Produkten.
22. Verwendung eines mehrstufigen, heterogenen Reaktors gemäß Anspruch 18 zur Flüssigzuckerherstellung, Ver­ zuckerung von Stärke, Abbau von in Abwässern gelösten Fetten, Verzuckerung von Milch und zur Klärung von Frucht- sowie Gemüsesäften mit Hilfe von immobilisier­ ten Enzymen.
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