DE4207819A1

DE4207819A1 - Technological use of fixed biological catalysts - in which catalyst is fixed to removable rotatable cylinder mounted in outer vessel

Info

Publication number: DE4207819A1
Application number: DE19924207819
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr Schymalla; Wolfgang J Haupt; Peter Herberg; Birger Politz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1993-09-16

Abstract

A new device for the use of immobilised or fixed bio-catalysts in technology consists of an outer vessel containing an exchangeable rotatable cylinder on whose surface the catalyst is fixed. USE/ADVANTAGE - For catalysed reactions, preferably using microbial vegetable or animal cell catalysts. In comparison with existing equipment, the reaction rate is improved and continues undiminished over a longer period. Replacement of one catalyst with another also is facilitated.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Einsatz immobili sierter Biokatalysatoren und deren technologische Nutzung bei Stoffumwandlungsprozessen. Als immobilisierte Biokatalysatoren werden vorzugsweise auf festen Flächen haftende mikrobielle, pflanzliche oder tierische Zellen, deren Bestandteile sowie iso lierte Enzyme definiert.The invention relates to a device for use immobili based biocatalysts and their technological use Substance conversion processes. As immobilized biocatalysts microbial, plant or animal cells, their components and iso gated enzymes.

Bei der gegenwärtigen Anwendung immobilisierter Biokatalysatoren werden diese Systeme in Bett- oder Membranreaktoren eingebracht. Festbettreaktoren haben jedoch den Nachteil niedriger Stoffüber gangskoeffizienten, so daß nur geringe Umsätze zu erreichen sind. Bei Bewegtbettreaktoren wird dieser Koeffizient zwar zunächst er höht, jedoch sinken infolge des Abriebs der Trägeroberfläche die biokatalytische Funktion und damit der zu erreichende Umsatz sehr rasch auf Werte ab, die eine technologische Nutzung nicht mehr zu lassen. Bei Membranreaktoren richtet sich die Geschwindigkeit der Umsetzung nach der Substrat- bzw. Produktdiffusion durch die Membran. Da diese Diffusion bekannterweise sehr langsam vor sich geht, hält sich die großtechnische Nutzung ebenfalls in Grenzen.In the current application of immobilized biocatalysts these systems are placed in bed or membrane reactors. Fixed bed reactors, however, have the disadvantage of low mass transfer coefficient, so that only small sales can be achieved. In the case of moving bed reactors, this coefficient initially becomes it increases, but decrease due to the abrasion of the carrier surface biocatalytic function and thus the turnover to be achieved very much quickly decrease to values that technological use no longer allows to let. In membrane reactors, the speed of the Implementation after substrate or product diffusion by Membrane. Because this diffusion is known to be very slow large-scale use is also limited.

Im allgemeinen kann man bei den bekannten Bioreaktoren feststel len, daß sie aufgrund ihrer geringen Effektivität über die Labor phase hinaus noch keine Anwendung gefunden haben. Die wesentlich sten Nachteile sind die bereits erwähnten geringen Stoffübergangs koeffizienten und die komplizierte Sauerstoffversorgung bei aero ben Prozessen. Die mittels chemischer (bivalenter oder ionischer) Bindung erreichte Festigkeit von auf dem Träger fixierten Enzymen ist derart kostenaufwendig, daß sie ohne ökonomischen Nutzen bleibt.In general, you can find the known bioreactors len that because of their low effectiveness over the laboratory phase have not yet been used. The essential The main disadvantages are the low mass transfer already mentioned coefficients and the complicated oxygen supply at aero processes. The chemical (bivalent or ionic) Binding achieved strength of enzymes fixed on the support is so expensive that it has no economic benefit remains.

Alle bisher vorgeschlagenen Reaktoren sind nur für den Einsatz ei nes bestimmten Biokatalysators in einem bestimmten Prozeß geeig net. Demgegenüber kommt es jedoch darauf an, ein System Reaktor/ Biokatalysator zu entwickeln, das unter der Voraussetzung groß technischer Anwendung den gewünschten Bedingungen angepaßt werden kann. Hierzu sind auch physikalische Einschlußmethoden (Incapsula tion, Matrixeinschluß) keine Alternative, denn die mit diesen Ver fahren erreichbaren Reaktionsgeschwindigkeiten sind zu gering. So konnten in einem Hohlfaser-Reaktor mit immobilisierter Acylase bei der Umsetzung von N-Acetyl-D,L-Methionin zu L-Methionin Reaktions geschwindigkeiten von 3,4 g/l*h erreicht werden [STRATHMANN, Che mie-Technik 7 (1978), S.346ff]. Weiterhin konnte in einer Wirbel schicht von immobilisierten Zellen Abwasser mit Reaktionsgeschwin digkeiten von 0,2 bis 0,32 g CSB/l*h biologisch abgebaut werden [HÜPPE und HEMPEL, CIT 62 (1990) S.837ff].All previously proposed reactors are for egg use only nes certain biocatalyst in a certain process net. On the other hand, it is important to have a reactor / To develop biocatalyst that's great on the premise technical application can be adapted to the desired conditions can. This also includes physical inclusion methods (Incapsula tion, matrix inclusion) no alternative, because those with these ver achievable reaction speeds are too low. So were able to contribute in a hollow fiber reactor with immobilized acylase the conversion of N-acetyl-D, L-methionine to L-methionine reaction speeds of 3.4 g / l * h can be achieved [STRATHMANN, Che mie-Technik 7 (1978), p.346ff]. Could continue in a vortex layer of immobilized cells wastewater with reaction rate biodegradability from 0.2 to 0.32 g COD / l * h [HÜPPE and HEMPEL, CIT 62 (1990) p.837ff].

Die anspruchsgemäß gelöste Aufgabe bestand darin, die obengenann ten Nachteile bekannter Vorrichtungen zu vermeiden und eine Vor richtung zur großtechnischen Nutzung von immobilisierten Biokata lysatoren zur Verfügung zu stellen.The task solved according to the requirements was the above ten disadvantages of known devices to avoid and a front Direction for the large-scale use of immobilized biocata to provide analyzers.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur technologischen Nutzung im mobilisierter (fixierter) Biokatalysatoren ist durch ein Außen gefäß 1 mit einem in seiner Längsachse angeordneten, auswechsel baren Drehzylinder 2 gekennzeichnet, auf dessen Oberfläche der Biokatalysator immobilisiert (fixiert) ist. Der Drehzylinder 2 kann aus einem Hohl- oder Vollzylinder beliebigen Materials be stehen, jedoch nicht aus solchen Stoffen, die für Mikroorganismen, Zellbestandteile sowie Zellen oder Enzyme eine Hemmwirkung aufwei sen. Er wird in eine Drehbewegung mit unterschiedlichen Drehzahlen versetzt, vorzugsweise jedoch in solche, bei denen der Prozeß ki netisch kontrolliert ist.The device according to the invention for technological use in mobilized (fixed) biocatalysts is characterized by an outer vessel 1 with an exchangeable rotary cylinder 2 arranged in its longitudinal axis, on the surface of which the biocatalyst is immobilized (fixed). The rotary cylinder 2 can be made of a hollow or solid cylinder of any material, but not of those substances which have an inhibitory effect on microorganisms, cell components and cells or enzymes. It is set in a rotary motion with different speeds, but preferably in those in which the process is controlled kinetically.

Die Oberfläche des Drehzylinders kann mit einem Haftungsmedium für den Biokatalysator ausgestattet werden und außerdem rauh oder po rös sein.The surface of the rotary cylinder can be covered with an adhesive medium the biocatalyst can be equipped and also rough or po be red.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Drehzylinder 2 als Siebzylinder ausgestaltet und enthält eine Feststoffschüttung, an deren Oberfläche die Katalysatorhaftung er folgt. According to a further embodiment of the invention, the rotary cylinder 2 is designed as a screen cylinder and contains a bed of solids, on the surface of which the catalyst adheres to it.

Unterhalb des Drehzylinders 2 befindet sich für aerobe Prozesse eine Luftzuführung. Das Außengefäß 1 besitzt Stutzen für die Zu führung von Substratlösung 3 und den Abzug des Produktmediums 4 sowie für die Abluft 5. Mit Hilfe einer einsetzbaren Achse 6 kann der Drehzylinder 2 ausgewechselt und somit dem jeweiligen Biosy stem angepaßt werden.An air supply is located below the rotary cylinder 2 for aerobic processes. The outer vessel 1 has nozzles for the management of substrate solution 3 and the removal of the product medium 4 and for the exhaust air 5 . With the help of an insertable axis 6 , the rotary cylinder 2 can be replaced and thus adapted to the respective biosy stem.

Schließlich kann man das Außengefäß 1 mit einer Heizung versehen, um die ablaufenden Reaktionen durch die Temperierbarkeit zu beein flussen.Finally, the outer vessel 1 can be provided with a heater in order to influence the reactions taking place due to the temperature control.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt folgende Wirkungsweise zu grunde:The device according to the invention has the following mode of operation reasons:

Wenn der Zylinder in eine Drehbewegung versetzt wird, bildet sich im Raum zwischen dem Zylinder und der Wandung eine turbulente oder Wirbelströmung aus, wobei der Geschwindigkeitsgradient an der Wand des Zylinders sehr groß ist. Dadurch ergibt sich ein hoher Stoff übergang an der Zylinderoberfläche, der drehzahlabhängig ist. Der Stoffübergang kann dabei so groß werden, daß der Stoffumsatz nur noch von der Kinetik der Stoffumsetzung bestimmt wird (kinetisch kontrollierbarer Bereich), wodurch maximale Reaktionsgeschwindig keiten erreicht werden können (vgl. Fig. 2).When the cylinder is rotated, a turbulent or eddy flow develops in the space between the cylinder and the wall, the speed gradient on the wall of the cylinder being very large. This results in a high mass transfer on the cylinder surface, which is speed-dependent. The mass transfer can be so large that the mass conversion is only determined by the kinetics of the substance conversion (kinetically controllable range), whereby maximum reaction speeds can be achieved (see FIG. 2).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt einen Reaktor dar, der durch Anpassung an den Prozeß, sowohl in der Betriebsweise als auch in der Immobilisierung des Biokatalysators, die Nachteile der bisher bekannten Vorrichtungen vermeidet. Die Immobilisierung kann wahlweise auf einem drehbaren Zylinder aus geeignetem Material mit beliebiger Oberflächenstruktur oder auf einer Feststoffschüttung erfolgen, die sich innerhalb eines drehbaren Siebzylinders befin det.The device according to the invention represents a reactor which by adapting to the process, both in operation and also in the immobilization of the biocatalyst, the disadvantages of avoids previously known devices. Immobilization can optionally on a rotatable cylinder made of a suitable material any surface structure or on a solid bed take place, which are located within a rotatable screen cylinder det.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist folgende Vorteile auf:The device according to the invention has the following advantages:

- high mass transfer rates for substrate, product and oxygen;
- high cell density and adhesion in the reactor;
- Prevention of inhibitory mechanisms of biocatalytic Reactions.

Bei der Untersuchung der Stoffumsetzung von Sucrose zu Glucose und Fructose mit Hilfe von immobilisierter Invertase wurden Reaktions geschwindigkeiten von 150,5 g/l*h erzielt.When examining the metabolism of sucrose to glucose and Fructose using immobilized invertase were reaction speeds of 150.5 g / l * h achieved.

Aufgrund ihrer beschriebenen Eigenschaften und Funktionen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung großtechnisch für folgende Prozesse eingesetzt werden:Due to its described properties and functions, the Device according to the invention on an industrial scale for the following processes can be used:

- Aerobic biological wastewater treatment in one or more higher levels;
- Metabolite production (organic acids, enzymes, anti biotics and. a.);
- Substance conversion and transformation (carbohydrates, amino acids etc.).

Claims

1. Device for the technological use of immobilized (fi xed) biocatalysts, characterized by an outer vessel ( 1 ) with an exchangeable rotary cylinder ( 2 ) arranged in its longitudinal axis, on the surface of which the biocatalyst is immobilized (fixed).

2. Device according to claim 1, characterized in that the surface of the rotary cylinder ( 2 ) is equipped with an adhesive medium for the biocatalyst.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the surface of the rotary cylinder ( 2 ) is rough or porous.

4. The device according to claim 1, characterized in that the rotary cylinder ( 2 ) is designed as a screen cylinder and contains a solid bed of material, on the surface of which the catalyst adheres.

5. Apparatus according to claim 1 to 4, characterized in that the rotary cylinder ( 2 ) with the help of an insertable axis ( 6 ) is exchangeable.

6. The device according to claim 1 to 5, characterized in that the outer vessel ( 1 ) can be tempered.