DE3707954A1

DE3707954A1 - Biokatalytische reaktoren fuer gelartige und andere typen von immobilisierten biokatalysatoren

Info

Publication number: DE3707954A1
Application number: DE19873707954
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: CIPAN COMP IND PROD
Current assignee: CIPAN COMP IND PROD
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1987-03-12
Publication date: 1987-12-03
Also published as: PT82225A; PT82225B; JPH01104156A; GB8706056D0; GB2190011A; GB2190011B; US4898718A; NL8700647A

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:

(a) Biokatalytischer Reaktor vom hohlen Rohr-Typ

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.

(b) Biokatalytischer Reaktor vom hohlen Zonen-Typ

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.

(c) Biokatalytischer Reaktor vom hohlen Rohr/hohlen Zonen-Typ

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

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.