DE3707954A1 - Biokatalytische reaktoren fuer gelartige und andere typen von immobilisierten biokatalysatoren - Google Patents
Biokatalytische reaktoren fuer gelartige und andere typen von immobilisierten biokatalysatorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen biokatalytischen Reaktor, sie be
trifft insbesondere einen biokatalytischen Reaktor für die
Aufnahme eines gelartigen unlöslichen Biokatalysators.
Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion
beschleunigt und ihren Ablauf unter milderen Bedingungen als
sie sonst möglich wären, ermöglicht. Katalysatoren werden im
Prinzip bei der Reaktion, die sie katalysieren, nicht ver
braucht.
Biokatalysatoren sind Katalysatoren biologischen Ursprungs,
wie z. B. Enzyme oder Zellen, die eine enzymatische Aktivität
aufweisen. Biokatalysatoren können entweder löslich oder un
löslich sein.
Ein Enzym, ein lösliches Protein mit einer katalytischen Akti
vität, kann unlöslich werden, indem man es mit einem unlösli
chen Träger verknüpft bzw. verbindet über kovalente oder
schwächere Bindungen, durch Einschließen in einem Gel oder
durch Vernetzung desselben mit einem bifunktionellen Reagens,
wie z. B. Glutaraldehyd. In den letzteren Fällen wird ein un
löslicher Biokatalysator mit gelartiger Struktur erhalten,
der auf mechanischem Wege in eine teilchenförmige Form über
führt werden kann.
Um ihre Nützlichkeit bzw. ihren Ausnutzungsgrad zu verbessern,
können auch Zellen, die eine enzymatische Aktivität aufweisen,
mit unlöslichen Trägern über kovalente oder schwächere Bindun
gen verknüpft bzw. verbunden und in Gelstrukturen, wie z. B.
Polyacrylamid, Calciumalginat und Agar, eingeschlossen werden.
In den letzteren Fällen wird ein unlöslicher Biokatalysator
mit gelartiger Struktur erhalten, der auf mechanischem Wege
in eine teilchenförmige Form überführt werden kann.
Teilchenförmige unlösliche gelartige Strukturen, wie z. B. sol
che, wie sie für Enzyme und Zellen, die vorstehend beschrieben,
erhalten werden, können in einer Vielzahl von Reaktoren einge
setzt werden. Sie können beispielsweise in einem diskontinuier
lich gerührten Reaktor, in einem kontinuierlich gerührten Re
aktor (CSTR), in einem Fixbettreaktor und in einem Fließbett
reaktor (Wirbelschichtreaktor) verwendet werden.
Wegen ihrer schlechten mechanischen Eigenschaften, ihrer ho
hen Kompressibilität und dem geringen Gewicht der gelartigen
unlöslichen Biokatalysatoren hat es sich jedoch als sehr
schwierig erwiesen, solche unlöslichen Biokatalysatoren unter
vorteilhaften Bedingungen einzusetzen. Bei der Verwendung sol
cher unlöslicher Biokatalysatoren in gefüllten Kolonnen bzw.
Säulen entstehen nämlich untragbar hohe Druckabfälle.
Ihre Verwendung in Fließbett- bzw. Wirbelschicht-Reaktoren
ist ausgeschlossen aufgrund der geringen Differenz zwischen
ihrer Dichte und derjenigen der Substratlösung. Schließlich
ist auch ihre Verwendung in diskontinuierlich gerührten Re
aktoren aufgrund ihrer schlechten mechanischen Eigenschaften
ausgeschlossen oder stark eingeschränkt.
Abgesehen von den Problemen bei der Handhabung der unlöslichen
Biokatalysatoren mit gelartiger Struktur ist es bei vielen ka
talytischen Reaktionen, auch solchen mit anderen Katalysatoren,
erforderlich, entweder sehr viskose oder teilchenförmige Sub
stratlösungen zu behandeln.
Ein anderes Problem, das häufig auftritt, ist die schwere Kon
tamination der gepackten Betten von unlöslichen Biokatalysa
toren aufgrund ihrer proteinartigen Natur.
Aufgrund der zahlreichen Nachteile, die mit der Verwendung von
unlöslichen Biokatalysatoren mit einer gelartigen Struktur und/
oder viskosen oder teilchenförmigen Substratlösungen verbunden
sind, besteht seit langem ein Bedarf nach einem Verfahren oder
einer Vorrichtung, welches (welche) die Verwendung eines sol
chen Katalysators oder solcher Substratlösungen erleichtert.
Diesem Bedarf wird mit der vorliegenden Erfindung Rechnung ge
tragen.
Bei umfangreichen Arbeiten, die mit unlöslichen gelartigen Bio
katalysatoren durchgeführt wurden, wurde gefunden, daß die mit
ihrer Verwendung verbundenen Nachteile vermieden werden können,
wenn man biokatalytische Reaktoren verwendet, die bestehen aus
einer Kolonne (Säule), die im Innern eine gegebene Anzahl von
Behältern bzw. Abteilen aufweist, die von einem geeigneten
Drahtgeflecht (Körben) bedeckt sind und von einer Reihe von
Hohlräumen durchquert werden. Diese Hohlräume eliminieren die
Probleme, die mit den hohen Druckabfällen verbunden sind, die
bei den gepackten Bettkolonnen entstehen und sie erlauben ei
nen guten Kontakt zwischen dem unlöslichen Biokatalysator und
der Substratlösung. Da der unlösliche Biokatalysator überhaupt
keiner Rührwirkung ausgesetzt ist, bleibt auch seine mechani
sche Integrität erhalten. Aufgrund der lockeren Packung des
unlöslichen Biokatalysators werden auch die Probleme der An
reicherung von Mikroorganismen in dem Bett des Biokatalysators
minimal gehalten. Die Ver- bzw. Bearbeitung eines viskosen
oder teilchenförmigen Substrats wird bei diesem Typ eines bio
katalytischen Reaktors ebenfalls erleichtert.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfin
dung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere
den weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen, in Ver
bindung mit den Zeichnungen hervor. Es zeigt
Fig. 1 das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen biokatalyti
schen Reaktors im Querschnitt;
Fig. 2 zwei Querschnitte (2a = vertikaler Querschnitt; 2b = horizontaler Querschnitt) eines fünf zylindrische hohle Rohre
enthaltenden Korbes vom hohlen Rohr-Typ;
Fig. 3 einen vollständigen biokatalytischen Reaktor aus einer
Kolonne (Säule), zwei Körben vom hohlen Rohr-Typ, einem
Verteilungs- und Wiederverteilungs-Substrat-System
im Querschnitt;
Fig. 4 zwei Querschnitte (4a= vertikaler Querschnitt; 4b = horizontaler Querschnitt) eines zwei zylindrische hohle Zonen
enthaltenden Korbes vom hohlen Zonen-Typ; und
Fig. 5 zwei Querschnitte (5a= vertikaler Querschnitt; 5b = horizontaler Querschnitt) eines fünf hohle Rohre und eine
zylindrische hohle Zone aufweisenden Korbes vom hohlen
Rohr/hohlen Zonen-Typ.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau von
biokatalytischen Reaktoren für die Verwendung in der Industrie
oder im Labor, wobei das bekannte Prinzip der Hohlfasern in
einem makroskopischen Maßstab angewendet wird.
Die biokatalytischen Reaktoren für industrielle oder Labor
zwecke bestehen aus einer Kolonne (Säule), innerhalb der sich
eine Reihe von Behältern bzw. Abteilen befindet, die bestimmt
sind für die Aufnahme des unlöslichen Katalysators, bestehend
aus einer starren Struktur, die eine Drahtgeflecht-Abdeckung
trägt, die geeignet ist, den unlöslichen Biokatalysator am Ent
weichen aus dem Behälter bzw. dem Abteil zu hindern und den
freien Durchgang der Substratlösung erlaubt.
Neben diesem Merkmal wird jeder Behälter bzw. jedes Abteil
von unten nach oben von einer Reihe von Hohlräumen durchquert,
die an ihren Seitenflächen und an ihren unteren und oberen
Querschnittsflächen von einem Drahtgeflecht begrenzt sind,
die ebenfalls zu dem Behälter bzw. Abteil gehören.
Diese Hohlräume erlauben den freien Durchgang des Substrats
und gleichzeitig fördern sie seinen Kontakt mit dem unlösli
chen Katalysator, da das Substrat durch die Öffnungen des
Drahtgeflechtes der seitlichen Hohlraumfläche in das Bett des
unlöslichen Katalysators eindringen kann.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung das Arbeits
prinzip eines solchen biokatalytischen Reaktors.
Es wurden drei Typen von biokatalytischen Reaktoren für in
dustrielle und Laborzwecke entwickelt:
Bei diesem Reaktortyp wird jeder Behälter bzw. Abteil (oder
Korb) von unten nach oben von einer Anzahl von Hohlräumen
durchquert, welche die Form eines Rohres haben, das den freien
Durchgang des flüssigen Substrats und gleichzeitig den Kon
takt mit dem unlöslichen Katalysator erlaubt.
Die Fig. 2a/b betont das Prinzip der Arbeitsweise des biokataly
tischen Reaktors vom hohlen Rohr-Typ.
Der Drahtgeflecht-Behälter (oder die Drahtgeflecht-Behälter)
ist (sind) innerhalb einer Kolonne (Säule) enthalten. Die
Substratlösung wird durch den Kolonnenverteiler gepumpt und
kommt über die gesamte Behälteroberfläche mit dem unlöslichen
Biokatalysator in Kontakt. Ein Teil des Stromes durchfließt
die Hohlräume, deren Oberfläche ebenfalls aus einem Drahtge
flecht besteht und kommt so mit dem unlöslichen Biokatalysa
tor in Kontakt.
Der Druckabfall innerhalb der Kolonne ist vernachlässigbar
gering und in bestimmten Fällen kann er durch Füllen der Hohl
räume mit einer inerten Füllung (Packung) einer geeigneten
Teilchengröße erhöht werden, was für den Kontakt zwischen dem
Katalysator und der Substratlösung manchmal vorteilhaft ist.
Es können keramische Materialien, wie z. B. Berl-Sättel oder
Raschig-Ringe oder ein anderes gleichwertiges Material, ver
wendet werden.
Ein biokatalytischer Reaktor kann aufgebaut sein aus der er
forderlichen Anzahl von Drahtgeflecht-Behältern bzw. -Abtei
len, welche eine ausreichende Anzahl von Hohlräumen enthalten,
um einen geeigneten Kontakt zwischen der Substratlösung und
dem unlöslichen Biokatalysator zu erlauben. Das optimale Verhält
nis zwischen den Querschnittsflächen des Drahtgeflecht-Behäl
ters bzw. -Abteils und den Hohlräumen sollte zur Erzielung
eines zufriedenstellenden Kontakts zwischen 30 und 50 liegen.
Um eine Umlenkung des Stromes zu verhindern, sollten die Hohl
räume des vorangehenden Behälters bzw. Abteils nicht auf die
jenigen des nachfolgenden Behälters bzw. Abteils ausgerichtet
sein. Auch durch eine Versiegelung am Ende jedes Behälters
bzw. Abteils kann der Kontakt zwischen der Substratlösung und
dem unlöslichen Biokatalysator verbessert werden.
Die Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt
durch einen industriellen biokatalytischen Reaktor, der drei
Behälter bzw. Abteile vom hohlen Rohr-Typ enthält, und die Ein
zelheiten des Flüssigkeitsverteilungs- und -wiederverteilungs-
Systems.
Das Verteilungssystem besteht aus mehreren Rohren, deren An
zahl eine Funktion der Querschnittsfläche der zu verwendenden
Kolonne bzw. Säule ist.
Das Wiederverteilungssystem besteht aus einer Anzahl von Draht
geflecht-Behältern bzw. -Abteilen, die mit einem inerten kera
mischen Material gefüllt sind, und ihre Anzahl übersteigt die
Anzahl der den unlöslichen Biokatalysator enthaltenden Behäl
ter bzw. Abteile vom hohlen Rohr-Typ um 1.
Es ist auch ein Mantel vorgesehen, um den unlöslichen Bioka
talysator und damit die den biokatalytischen Reaktor durch
fließenden Substratlösungen zu kühlen oder zu erwärmen.
Es kann eine große Vielzahl von Materialien sowohl für die
Kolonnen- und Behälter-Strukturen als auch für das Drahtge
flecht der Behälter oder Körbe verwendet werden.
Je nach Typ und Arbeitsbedingungen der durchzuführenden enzy
matischen Reaktionen können verschiedene Konstruktionsmateria
lien, wie z. B. rostfreier Stahl, Kohlenstoffstahl, Kupfer,
Kunststoffe und andere, verwendet werden.
Bei diesem Typ eines biokatalytischen Reaktors werden die
Körbe von unten nach oben von einer Reihe von Hohlräumen
durchquert, welche die Form von zylindrischen Zonen haben,
die den freien Durchgang der Substratlösung und gleichzeitig
den Kontakt mit dem unlöslichen Biokatalysator erlauben.
Das Arbeitsprinzip entspricht demjenigen des biokatalytischen
Reaktors vom hohlen Rohr-Typ und die Fig. 4a/b zeigt in schemati
scher Darstellung einen Korb mit zwei hohlen Zonen.
Die biokatalytischen Reaktoren bestehen aus der erforderlichen
Anzahl von Körben, die jeweils die geeignete Anzahl von hohlen
Zonen enthalten. Diese sollten auch mit einem inerten Material
gefüllt sein, um den Kontakt zwischen dem Substrat und dem un
löslichen Biokatalysator zu fördern.
Bei diesem Typ von Reaktor befindet sich in jedem Korb eine
Kombination von Hohlräumen mit der Form von Rohren und von
Hohlräumen mit der Form von zylindrischen Zonen, die einen
guten Kontakt zwischen dem unlöslichen Biokatalysator und
der Substratlösung gewährleisten und auch die Druckabfall
probleme eliminieren.
Das Arbeitsprinzip ist das gleiche wie oben beschrieben.
Die Fig. 5a/b zeigt in schematischer Darstellung einen solchen
Korb-Typ. Bei jedem Korb hängt die richtige Kombination von
hohlem Rohr und hohlen Zonen von der Querschnittsfläche der
Körbe ab. Ein biokatalytischer Reaktor besteht aus der er
forderlichen Anzahl von Drahtgeflecht-Behältern bzw. -Abtei
lungen (oder Körben).
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spe
zifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist
jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf
keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher
Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß
dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Claims (7)
1. Biokatalytischer Reaktor für die Verwendung in der In
dustrie oder im Labor, gekennzeichnet durch
eine Kolonne (Säule) und einen oder mehr Behälter (Abteile)
im Innern derselben, die jeweils von einem Drahtgeflecht be
deckt sind und von unten nach oben von einer Reihe von Hohl
räumen durchquert werden, die an ihren Seitenflächen und an
ihren oberen und unteren Querschnittsflächen von einem Draht
geflecht begrenzt sind.
2. Biokatalytischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß es sich bei den Hohlräumen um Zylinder
handelt.
3. Biokatalytischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß es sich bei den Hohlräumen um Prismen handelt.
4. Biokatalytischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Hohlräume die Form von zylindrischen Zonen
haben.
5. Biokatalytischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Hohlräume die Form von prismatischen Zonen
haben.
6. Biokatalytischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Typen von Hohl
räumen in einem Behälter (Abteil) miteinander kombiniert sein
können.
7. Biokatalytischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (oder Körbe) mit
unterschiedlichen Typen von Hohlräumen in der gleichen Kolon
ne (Säule) kombiniert sein können.
Applications Claiming Priority (1)
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