DE4008411A1 - Durchflussreaktor fuer biokatalytische umsetzungen in gegenwart lyotroper fluessigkristalle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußreak­ tor für Umsetzungen mit Hilfe von Biokatalysatoren, die in Form lyotroper Flüssigkristalle eingesetzt werden.

Lyotrope Flüssigkristalle werden als Immobilisie­ rungsmatrix für Biokatalysatoren, wie insbesondere Enzyme oder Mikroorganismen in organischen Lösungs­ mitteln eingesetzt (EP-A2-03 40 744).

Die physikalischen Eigenschaften, insbesondere hohe Adhäsion an Festkörperoberflächen und pseudo­ diplastisches Fließverhalten, bringen prozeßtech­ nisch einige Probleme mit sich: so kann die flüs­ sigkristalline Phase in konventionellen Reaktoren, wie Rührkessel, Festbettreaktor, Wirbelschichtreak­ tor im allgemeinen nur dann störungsfrei eingesetzt werden, wenn die Flüssigkristalle an porösem Träger­ material fixiert oder angelagert an mechanische Rückhaltevorrichtungen, wie z. B. Absetzer, Separa­ torlamellen, Umlenkbleche, Filter und dergleichen angewandt werden.

Diese Anwendungsart ist nicht optimal, da zum einen so nur relativ geringe Biokatalysator-Raum­ dichten erzielt werden, die bei mittleren Umset­ zungszeiten im Bereich von 0,5 bis 2 h abträglich sind; zum anderen ist die Beladung solcher Träger problematisch, da Erwärmungen zur Erzielung der schmelzflüssigen Phase wegen der Temperaturempfind­ lichkeit des Biokatalysators tunlichst zu vermeiden sind. Schließlich sind Verstopfungserscheinungen in flüssigkristallhaltigen Reaktoren ein häufiges Problem.

Ziel der Erfindung ist daher ein Durchflußreaktor mit dem problemlos hohe Raumzeitausbeuten erzielt werden können und das eingesetzte Biokatalysator­ material praktisch keiner Aktivitätsminderung bei der Reaktorfüllung unterliegt.

Der zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Durchflußreaktor ist im wesentlichen gekennzeichnet durch einen oder mehrere schmale Strömungskanäle mit Zulaufverteiler für substrathaltige Flüssigkeit, an deren poröse Begrenzungen flüssigkristallhaltige Schichten angrenzen, wobei
die flüssigkristallhaltigen Schichten zumindest 50%, insbesondere zumindest 70% des Reaktorvo­ lumens einnehmen und
die Abmessungen der flüssigkristallhaltigen Schich­ ten quer zur Flüssigkeitsströmung eine Durchdringung praktisch der gesamten Schicht durch reaktives Substrat gestatten.

Weitere Besonderheiten ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die einfachste Ausführungsart eines solchen Reak­ tors wird durch ein flüssigkristallhaltiges poröses Rohr gebildet, das an den Stirnseiten verschlossen ist und etwa gleitend in ein als Reaktormantel dienendes Hüllrohr eingesetzt ist, das mit einem stirnseitigen Zulauf und Ablauf für umzusetzende Flüssigkeit versehen ist: zwischen Hüllrohr und porösem Rohr wird dabei ggf. zusammen mit der porösen Wand des Innenrohres, wenn diese relativ dick ist, ein Strömungskanal für die substrathaltige Flüssigkeit gebildet, die tangential zur inneren flüssigkristallhaltigen Schicht strömt. Der Durch­ messer des Innenrohres wird dabei durch die Diffu­ sionsgeschwindigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit des Substrats am Biokatalysator bestimmt und soll so bemessen sein, daß praktisch die gesamte Flüssig­ kristallschicht an der Reaktion teilnimmt.

Besonders zweckmäßig und weit flexibler ist dem­ gegenüber ein Reaktor mit Schichtaufbau, bei dem Flüssigkristallschichten mit ggf. parallel zur Strömungsrichtung unterteilten flüssigkeitsdurch­ lässigen Schichten abwechseln: eine solche Anord­ nung kann z. B. aus flüssigkeitsdurchlässigen porösen Platten aufgebaut werden, die mit biokata­ lysatorhaltigen Flüssigkristallen beschichtet und aufeinander gestapelt werden und deren Längskanten mit der Reaktorbegrenzungswand abschließen.

Anstelle einer porösen flüssigkeitsdurchlässigen Platte können selbstverständlich auch zwei strö­ mungskanalbegrenzende dünne flüssigkeitsdurchläs­ sige Bleche vorgesehen werden.

Die Abmessungen der Anordnung richten sich nach den im Reaktor durchzuführenden Verfahren, insbe­ sondere der Umsetzungsgeschwindigkeit des Substrats. Dabei sind ggf. auch Schikanen oder Unterteilungen im Reaktor vorzusehen die ggf. auch das Stromungs­ verhalten der substrathaltigen Flüssigkeit im Reaktor beeinflussen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beige­ fügten Zeichnungen erläutert: Es zeigen schematisch

Fig. 1 das erfindungsgemäße Prinzip anhand einer einfachen Rohrform und

Fig. 2 einen bevorzugten Plattenmodul.

Fig. 1 zeigt einen Reaktor 1, dessen poröses Rohr 2 eine Biokatalysator aufweisende Flüssigkristall­ füllung 3 enthält und stirnseitig durch Kappen, Stopfen oder dergleichen 4, 5 abgeschlossen ist. Das Rohr 2 paßt gleitend in das Hüllrohr 6, das den Reaktormantel bildet und einen Strömungskanal für Flüssigkeitsströmung bildet, der durch den Spalt 7 zusammen mit dem Porenvolumen des Rohres gebildet wird. Die Flüssigkeit fließt über einen Zulaufverteiler 8 zu und gelangt über 9 aus dem Reaktor. Endabschluß und Flüssigkeitsverteiler sind nicht näher ausgeführt.

Fig. 2 zeigt im Schema den Aufbau eines Platten­ modulreaktors 10, der durch eine Serie von Platten 20 gebildet wird, die gleichsinnig oder alternierend (wie skizziert) durchströmt werden können und zwischen denen Flüssigkristall-Schichten 30 vorge­ sehen sind.

Am einfachsten wird ein solcher aus einer Vielzahl von Platten bestehender Reaktor durch einen Stapel von voneinander unabhängigen Platten 20 gebildet, deren Längskanten abgedichtet mit der Reaktorwand 60 abgeschlossen sind. Auf die großen Flächen 20′ der Platten 20 sind ein- oder beidseitig Flüssig­ kristall-Schichten aufgetragen, deren Mächtigkeit den Zwischenraum zwischen den Platten bestimmt, wobei ggf. Abstandshalter für die Einhaltung des einmal gewählten Abstandes sorgen.

Claims (6)

1. Durchflußreaktor für Umsetzungen mit Hilfe von Biokatalysatoren, die in Form lyotroper Flüssig­ kristalle eingesetzt werden, gekennzeichnet durch
einen oder mehrere schmale Strömungskanäle mit Zulaufverteiler für substrathaltige Flüssigkeit, an deren poröse Begrenzungen flüssigkristallhal­ tige Schichten angrenzen, wobei
die flüssigkristallhaltigen Schichten zumindest 50%, insbesondere zumindest 70% des Reaktor­ volumens einnehmen und
die Abmessungen der flüssigkristallhaltigen Schich­ ten quer zur Flüssigkeitsströmung eine Durchdringung praktisch der gesamten Schicht durch reaktives Substrat gestatten.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle durch Schichten von flüssig­ keitsdurchlässigem Sintermaterial gebildet werden.

3. Reaktor nach Anspruch 2, gebildet durch einen Stapel von mit Abstand angeordneten länglichen flüssigkeitsdurchlässigen porösen Platten, deren Längskanten quer zur Plattenrichtung über die Reaktor-Längswände abgeschlossen und miteinander verbunden sind, die durch quer dazu verlaufende Längswände zum Reaktormantel ergänzt werden, dessen Stirnseiten Zu- und Ablaufverteiler für substrat­ haltige Flüssigkeit bilden, wobei die durch die Abstände gebildeten Lücken der Aufnahme der flüssig­ kritallhaltigen Schichten dienen.

4. Reaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke der flüssigkristallhaltigen Schichten von 1 cm und eine Schichtdicke der Strömungskanäle von 0,5 cm.

5. Reaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mischung von Biokatalysator enthaltenden Flüssigkristallen und porösem inerten Trägerma­ terial als flüssigkristallhaltige Schicht.

6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Trägermaterial durch poröses Sinter­ glas gebildet wird.