DE69837266T2

DE69837266T2 - Kontinuerliches katalytisches feststoff/gas-reaktionsverfahren in nicht-konventionnellem milieu, entsprechender reaktor sowie dessen verwendung

Info

Publication number: DE69837266T2
Application number: DE69837266T
Authority: DE
Inventors: Sylvain Lamare; Marie-Dominique Legoy
Original assignee: La Rochelle Universite
Current assignee: La Rochelle Universite
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-07-20
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2018-07-21
Also published as: EP1005392B1; DK1005392T3; WO1999004894A1; US6511842B1; ES2284213T3; FR2766387A1; CA2295977A1; AU8813798A; US20020197664A1; CA2295977C; JP3699352B2; FR2766387B1; ATE355898T1; EP1005392A1; DE69837266D1; JP2001510726A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Funktionsweise kontinuierlicher Reaktoren in nichtkonventionellem, das heißt nichtwässrigem Medium, insbesondere für Katalysereaktionen, die hauptsächlich eine feste und eine gasförmige Phase umfassen.
Katalytische Feststoff/Gas-Reaktionen, bei denen die feste Phase des Reaktors ein Enzym bildet und die Substrate oder die Produkte der Reaktion gasförmig sind, wurden beschrieben von Pulvin S., Legoy M.D., Lortie R., Pensa M. und Thomas D. (1986) Enzyme technology and gas phase catalysis: alcohol dehydrogenase example. Biotechnol. Lett., 8, 11, 783-784. Katalysesysteme, bei denen ganze Zellen als konstituierende Elemente der festen Phase des Reaktors verwendet werden, sind ebenfalls bekannt.
Die Vorteile der Feststoff/Gas Katalyse gegenüber konventionellen Fest/Flüssig Systemen bestehen insbesondere darin, dass:

– im Reaktor keine Lösungsmittel verwendet werden, sodass sich nur Substrate und Produkte der Reaktion in unmittelbarer Umgebung des Enzyms befinden;
– die Festphase aus Biokatalysatorelement selbst besteht, sodass Fixierungs- oder Immobilisierungsschritte nicht notwendig sind.
– die Stoffübertragungen auf Grund der hohen Diffusivität und der geringen Flüchtigkeit der Gasphasen hoch sind und dadurch die Produktivität erhöht wird.
– die Gasphase aus Substraten, reinen Produkten und einem Vektorgas besteht und kein Lösungsmittel verwendet wird, wodurch die Nachbehandlung des Reaktionsmediums erleichtert wird.

Die Feststoff/Gas-Katalyse erfordert eine höhere Reaktionstemperatur als konventionelle Systeme. Dadurch ist das Risiko einer mikrobiellen Verunreinigung der Reaktorelemente gering.
Das zugrunde liegende Prinzip ist das Folgende:
Die Umwandlung von gasförmigem Substrat, gegebenenfalls unterstützt durch ein Trägergas, erfolgt an einem festen Biokatalysator (Enzyme oder ganze Zellen), wobei die Reaktionsprodukte gasförmig sind.
Das Prinzip der Feststoff/Gas-Katalyse und die entsprechenden Reaktionsparameter sind in Biotechnology and Bioengineering, Bd. 45, 387-397 (1995) beschrieben.
Bisher konnten lediglich einige chemische Verbindungen wie Epoxide, Aldehyde und Ester mit Feststoff/Gas Katalysesystemen gewonnen werden (ref.). Das wesentliche Problem des bestehenden Systems ist aber das Aufrechterhalten eines aktiven Biokatalysators und damit verbunden eine begrenzte Einsatzmöglichkeit in der Industrie.
Eine erfolgreiche Anwendung von Reaktoren diesen Typs betrifft die Behandlung verunreinigter Abgase, also die Entfernung von Molekülen aus zunehmend verschmutzten industriellen Abgasen vor der Entlassung in die Atmosphäre. Es handelt sich hierbei um Aldehyde, Alkohole, Ketone, Carbonsäuren, Kresole, Phenole, Schwefelderivat, zyklische Amine, Alkane oder Ester. Diese Systeme bieten auch verbesserte technische Möglichkeiten zur/der Bodendekontaminierung.
Feststoff/Gas-Katalysesysteme sind vor allem mit einer Vielzahl von Reaktorelementen verbunden, wodurch die verschiedenen Parameter, insbesondere diejenigen, die im Zusammenhang mit der komplexen Funktion des Wassers stehen, ungenügend kontrolliert werden können. Die Hydratation der Enzympräparation wirkt sich indes negativ auf die katalytische Aktivität und die dauerhafte Stabilität des Katalysators im Zeitverlauf aus.
Bisher entwickelte Festsoff/Gas-Reaktoren (Lamare et al., Trends in Biotechnology (1993) 10 (117): 413-418) arbeiten unter atmosphärischem Druck, wobei auch Temperaturen bis 220°C mit kontrollierter thermodynamischer Aktivität jedes Konstituenten möglich sind. Die Bestimmung und die Bedeutung dieser Aktivität für die Feststoff/Gas-Enzymreaktion wird weiterhin dargelegt.
Sie sind geeignet für alle Anwendungen, bei denen gering flüchtige Verbindungen beteiligt sind, das heißt, für alle Verbindungen mit einem Siedepunkt von etwa 150-250°C. Viele Reaktionsvorgänge, die heute von Interesse für die Industrie sind, umfassen aber Verbindungen, die bei Temperaturen zwischen 50 und 150°C, die für die Aufrechterhaltung der Aktivität des Biokatalysators erforderlich sind, einen niedrigen Sättigungsdruck oder sogar einem Sättigungsdruck nahe 0 haben.
Das Kernproblem der bekannten Systeme ist die Überführung aller Verbindungen des Systems, der Reaktionssubstrate und Reaktionsprodukte in die Gasphase. Dazu ist kein Bioreaktor in der Lage. Hinzu kommt, dass der massive Einsatz eines neutralen Trägergases als wichtiger Zugabestoff für den Feststoff/Gas-Reaktor zu hohe Kosten für den industriellen Einsatz verursacht.
Viele Beispiele belegen die zentrale Rolle von Wasser bei der Enzymkatalyse im nichtkonventionellen Medium. Die thermodynamische Aktivität von Wasser kann einfach bestimmt werden, indem der Wasserdampfdrucks der Gasphase im Gleichgewicht mit dem jeweiligen System betrachtet wird. Dabei gilt Folgendes: aw = Pp/Pprefwobei Pp der Partialdruck des Wassers über dem System und Ppref der Partialdruck über reinem Wasser, also der Referenzdruck, gemessen bei gleicher Temperatur ist. Der Wert a_w eines Systems ist also abhängig von physikalischen Größen wie dem absoluten Druck und der Temperatur, die ein System kennzeichnen; er ist der Gleichgewichtsparameter, mit dem der Zustand des Wassers bestimmt werden kann; mit ihm kann in einem System der Einfluss des Wassers eindeutig bestimmt werden, in einem System, in dem die Polarität und die Dielektrizitätskonstante der beteiligten chemischen Substanzen, die Anzahl der Phasen und die Temperatur die Wasserverteilung in den verschiedenen Phasen des Systems wesentlich beeinflussen.
Halling (Hailing P. (1984) in Effect of water on equilibria catalysed by hydrolytic enzymes in biphasic reaction systems. Enzyme. Microb. Technol., 6, SS. 513-515) hat das Gleichgewicht dargestellt, das zwischen den verschiedenen Zuständen des Wassers und den verschiedenen Phasen eines komplexen Mediums (Hydratation des Biokatalysators und der anderen Komponenten/Bestandteile, Menge gelösten Wassers im Lösungsmittel, Partialdruck des Wasserdampfes über dem System) bestehen kann, wobei dieses Gleichgewicht von der Wasseraktivität abhängt.
Der Wert der thermodynamischen Aktivität von Wasser in einem System ist abhängig von den physikalischen Größen dieses Systems wie dem absoluten Druck und der Temperatur. Der Wert der thermodynamischen Aktivität des Wassers wird nun so eingestellt, dass die verschiedenen Phasen des Reaktors im Gleichgewicht sind; er ist damit ein Bestimmungsparameter zur Optimierung des Reaktors und seiner Funktionsbedingungen.
Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist die Ausführung katalysierter Feststoff/Gas Reaktionen bei niedrigerem Druck zur Optimierung der Produktivität und zur Reduzierung der Kosten, indem die Verwendung eines neutralen Vektorgases auf ein Minimum reduziert oder auch kein neutrales Vektorgas verwendet wird und indem die thermodynamischen Aktivitäten des Wassers und der verwendeten Verbindungen herangezogen werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein kontinuierliches katalytisches Feststoff/Gas-Reaktionsverfahren in nichtkonventionellem Medium unter Verwendung verschiedener gasförmiger Substrate zur Herstellung von bestimmten Produkten. Das Verfahren umfasst die Temperaturkontrolle durch Bestimmung des Referenzsättigungsdrucks jeder reinen Verbindung, des Systemgesamtdrucks und der molaren Durchflüsse der Verbindungen zur Regelung der molaren Zusammensetzung des Gasgemischs entsprechend den Werten der thermodynamischen Aktivität, die von den Verbindungen bestimmt werden. Die Eigenschaften des Verfahrens entsprechen dem Wortlaut von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft auch einen Reaktor, der Mittel zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Anspruch 2 umfasst. Ein solcher Reaktor umfasst Durchflusskontrollpumpen für jedes der flüssigen Substrate, Massendurchflussmesser zur Zuführung eines Trägergases und Temperaturkontrollsonden eines Mischgerätes zur Expansion der gasförmigen Substrate, einer Reaktionskammer mit Bioreaktor, enthaltend einen Biokatalysator, dem die Substrate mittels eines Wärmeaustauschers zugeführt werden, eines Bioreaktors und einer Vorrichtung zur Probenentnahme und Analyse am Austritt aus der Reaktionskammer. Eine Vakuumpumpe, gekoppelt an ein Vakuumkontrollventil, befindet sich ebenfalls am Austritt aus der Reaktionskammer. Die Pumpen, die Sonden und das Ventil sind an eine Befehls-Kontrolleinheit angeschlossen, die an einen Verwaltungs-Prozessor gekoppelt ist. Entsprechend den empfangenen Daten und den von ihm verwendeten Verwaltungsalgorithmen überträgt der Prozessor im Verlauf Befehlssignale an die verschiedenen Organe (Pumpen, Sonden und Ventil), um die Temperatur, den Gesamtdruck und die molaren Durchflüsse entsprechend den bestimmten Werten der thermodynamischen Aktivität zu regeln.
Biokatalysator sind Katalysatoren aus oder von einem lebenden Organismus, das heißt Tieren, Pflanzen, Bakterien, Viren oder Pilzen. Dabei kann es sich um eine ganze Zelle, um eine Zellorganelle, einen makromolekularen Komplex oder um ein Molekül, insbesondere Proteine, Nukleinsäuren oder Mischungen davon handeln, die katalytisch aktiv sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Produktivität des Systems im Vergleich zu einem System mit atmosphärischem Druck zu steigern, die Menge des verwendeten Trägergases zu minimieren oder keine Trägergas zu verwenden und die Menge der gasförmigen Substrate zu erhöhen, ohne dabei die Temperatur stark erhöhen zu müssen, wobei der Reaktor auch kleiner als ein Reaktor mit atmosphärischen Druck ist. Diese Vorteile können nebeneinander bestehen, wobei sich Veränderungen ihre jeweiligen Effekte ergeben können.
Es ist möglich, auf das Trägergas zu verzichten, da es durch die dampfförmige Verbindung mit einem Siedepunkt, der dem niedrigsten der beteiligten Verbindungen entspricht, ersetzt wird; die thermodynamische Aktivität dieser Verbindung kann in Abhängigkeit vom absoluten Druck Pa des Systems gebremst werden. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ersetzt die Verbindung so die Funktion des Trägergases.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der verbesserten Stabilität des Biokatalysators, da die Hydratation, von der die Thermostabilität abhängigt, kontrolliert wird.
In einer besonderen Ausführungsform und um zu vermeiden, dass sich die Zusammensetzung der Gasphase im Verlauf ständig verändert, ist das während der Reaktion umzuformende Gas eine Mischung aus mehreren flüssigen Verbindungen, die bei hoher Temperatur (zum Beispiel 450°C) einer Flash-Verdampfung (flüssig-dampf) unterzogen werden, wobei eventuell ein neutrales Trägergases nach der Verdampfung zugeführt wird, wenn zum Beispiel die thermodynamische Aktivität des Wassers nicht gebremst werden soll.
Mit dem erfindungsgemäßen Reaktor kann die Mikroumgebung des Biokatalysators genau kontrolliert werden. Es ist möglich, ein Enzym anzuregen, sein kinetisches Verhalten und seine Solvatation/Hydratation zu beobachten sowie bestimmte Interaktionen, zum Beispiel Protein/Liganden, zu bewerten.
Der erfindungsgemäße Reaktor weist neue Wege für die Anwendung von Enzymen in der Industrie, wobei die Substrate und das Wasser nur in der für das Enzym effektivsten Form, bestimmt durch deren thermodynamische Aktivität, eingesetzt werden, wodurch ihr Wirkung auf die Katalyse auf molekularer Ebene bestimmt werden kann.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors und des angewendeten Verfahrens für die industrielle Nutzung bestehen darin, dass:

– der Selbstkostenpreis der hergestellten Verbindungen bestimmt werden kann,
– mehr Substrate und Produkte verwendet sowie mehr katalysierbare Reaktionen durchgeführt werden können,
– Substrate mit hohem Siedepunkt verwendet werden können
– die Kontrolle der thermodynamischen Aktivitäten durch Veränderungen der Reaktionsenergie es ermöglicht, dass ein Katalysator für verschiedene Reaktionen wie beispielsweise Hydrolyse, Transesterifizierung und Lipasesynthese eingesetzt werden kann (Beispiel 1)

a) Verminderung des Selbstkostenpreises
Der erste Vorteil besteht im geringen Selbstkostenpreis der hergestellten Verbindungen, denn durch die Minimierung oder das Wegfallen eines Trägergases wird die Funktionsweise des Reaktors vereinfacht und die Produktionsfestkosten werden vermindert.
b) Steigerung der Produktivität
Das Substrat kann sein eigener Träger sein, wodurch seine relative Konzentration erhöht und damit die Produktivität der Reaktion, das heißt die Menge der hergestellten Produkte, erheblich gesteigert werden kann. Der Gesamtdruck wird auf ein Minimum reduziert, um so das Verhältnis n/n_tot jedes Produktes X zu erhöhen, da der Partialdruck jeder Verbindung durch den Wert der thermodynamischen Aktivität dieser Verbindung bestimmt wird. Beispielsweise für eine Umwandlung bei 80°C einer Verbindung mit einem Referenzpartialdruck von 0,5 atm bei dieser Temperatur und einer thermodynamischen Aktivität von 0,1 beträgt der Partialdruck von X im umzuformenden Gas 0,05.
Bei einem System mit atmosphärischem Druck beträgt das Verhältnis n/n_tot also 0,05. Demnach macht X nur 5% der molaren Zusammensetzung der Gasphase aus.
In einem System mit vermindertem absoluten Druck von 0,5 atm, beträgt das für eine thermodynamische Aktivität von 0,1 notwendige Verhältnis n/n_tot 0,1. Also macht X 10% der molaren Zusammensetzung der Gasphase aus.
Bei konstantem molaren Durchfluss in beiden Systemen ist die Produktivität des Systems mit niedrigerem Druck zweimal höher.
Ein System mit reduziertem Druck erreicht auf diese Weise eine Produktivitätssteigerung von 1/P_abs gegenüber dem System mit atmosphärischem Druck im Vergleich bei konstantem molaren Durchfluss.
Durch die Verminderung des Systemgesamtdrucks wird auch eine Verminderung des eingesetzten Trägergases bei gleicher Produktivität erreicht.
Der Vergleich zeigt, dass durch die Halbierung des Systemgesamtdrucks die Produktivität um das Zweifache gesteigert werden kann. Im Falle gleichbleibender Produktivität muss dem Reaktor zweimal weniger Gas pro Zeiteinheit zugeführt werden. In einer solchen Ausführungsform werden die durch den Einsatz eines Trägergases wie Stickstoff verursachten Kosten im Vergleich zu einem System mit atmosphärischem Druck um die Hälfte reduziert.
c) Substrate mit hohem Siedepunkt
Der erfindungsgemäße Reaktor mit vermindertem Druck ist auch für die Verwendung von Substraten mit hohem Siedepunkt geeignet. Durch diese Ausführungsform wird die thermodynamische Aktivität des Wassers verringert („gebremst"), der Einsatz eines Trägergases ist nicht notwendig und eine Steigerung der Produktivität des Reaktors wird erreicht.
Beispielsweise bei der Verwendung eines Katalysators, der eine Wasseraktivität von ungefähr 0,1 benötigt, beträgt der Systemgesamtdruck vorzugsweise 0,1 atm, was dem Partialdruck von Wasser entspricht, der für eine Aktivität von 0,1 für eine Katalyse bei 100°C notwendig ist. Bei dieser Temperatur besteht das Trägergas nur aus Wasser in Form von Wasserdampf, in dem Substrate mit einem Partialdruck von mehreren matm enthalten sind.
In einem System entsprechend vorliegender Erfindung übersteigt die thermodynamische Aktivität des Wassers auch nicht den Schwellenwert von 0,, wenn durch die Reaktion Wasser produziert wird. Der erfindungsgemäße Reaktor verhindert die Denaturierung des Katalysators, die durch unkontrollierte Erhöhung der thermodynamischen Aktivität im System verursacht werden kann. Die Produktivität des erfindungsgemäßen Reaktors hinsichtlich der Umwandlung von Substraten ist zehnmal höher als bei einem System mit atmosphärischem Druck.
d) Verschiebung der Reaktionsgleichgewichte
Die thermodynamischen Aktivitäten bestimmter Verbindungen bevorzugen also Verschiebungen des Reaktionsgleichgewichts, wobei die Produktivität erhöht und die Menge des Trägergases vermindert wird.
Die Vorteile der Feststoff/Gas-Katalysereaktoren mit vermindertem Druck ermöglichen es, sie in vielen wirtschaftlichen Feldern einzusetzen. Als Beispiel kann Folgendes genannt werden:

1) Verwendung des Reaktors zur Herstellung organischer Moleküle wie Alkohole, Carbonsäuren, Thiol, Thioester, Ester, Aldehyde, Ketone und Alkenoxide insbesondere aus Substraten, die Carbonsäuren, Primär- und Sekundäralkohole von Ketonen sein können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung des Feststoff/Gas-Katalysereaktors zur Produktion organischer Moleküle wie oben aufgeführt. Im Falle von Estern oder Aldehyden, die durch enzymatische Umwandlung von Carbonsäuren und Alkohol gewonnen werden, sind die auf diese Weise hergestellten Produkte beispielsweise als Aromen und/oder Parfüme in der Kosmetik- oder Agrarindustrie verwendbar. Ein anderer Vorteil der so hergestellten Produkte ist, im Gegensatz zu solchen, die durch chemische Umwandlung gewonnen werden, dass sie entsprechend der Europäischen Richtlinie vom 22. Juni 1988 als natürliche Substanz gelten.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung des Feststoff/Gas-Katalysereaktors zur Behandlung von Abgasen aus industriellen Verfahren, bei denen verschmutzte Gase entstehen; neben den klassischen Verbindungen wie SO2, H2S, Stickoxide auch Aldehyde, Alkohole, Ketone, Carbonsäuren, Kresole, Phenole, Schwefel, zyklische Amine, Alkane oder Ester (Paul Ceccaldi, 1993, Biofutur, Nr. 126, S. 20).
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung des Feststoff/Gas-Katalysereaktors zu analytischen Zwecken wie der Ausführung einer enzymatischen Derivatisierungs- oder Acylierungsvorsäule für die Gaschromatographie (GC), der Durchführung der Gas-Affinitätschromatographie oder der Herstellung spezifischer Biosensoren zur Detektion flüchtiger Moleküle (Herstellung einer künstlichen „Nase").
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von Enzymreaktoren, in denen ganze Zellen von Bakterien, Tieren, Pflanzen oder Pilzen zur Biokonversion von eingesetzt werden. Diese Verwendungsart des Reaktors zeichnet sich dadurch aus, dass die metabolischen Aktivitäten der betreffenden Zellen durch die Kontrolle der thermodynamischen Aktivität des Wassers über einen ausreichend langen Zeitraum aufrecht erhalten und so im selben Reaktor in mehreren Stufen komplexe katalytische Reaktionen durchgeführt werden können.
Im Falle der Verwendung ganzer Zellen zur Biokonversion kann auch der Biokatalysator vor Ort hergestellt und ihre metabolischen Aktivitäten oder ihre Regenerierung können entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren und Reaktor durch die Kontrolle der thermodynamischen Aktivität des Wassers aufrechterhalten werden.
Andere Vorteile und Eigenschaften des Reaktors, seiner Funktionsweise und seiner Verwendung gemäß der Erfindung werden im Weiteren beschrieben, wobei die Abbildungen folgendes darstellen:
1, Skizze eines Reaktors in drei Stufen gemäß der Erfindung;
2 bis 5, Verwaltungsorganigramme der aufeinanderfolgenden Anweisungen der Hauptorgane des kontinuierlichen Reaktors gemäß der Erfindung, die im Einzelnen die Folgenden sind:

– ein Algorithmus zur Initialisierung und zur Erfassung der Hauptparameter
– ein Algorithmus zur Erstellung von Operationsparameter- und Analysesequenztabellen
– ein Algorithmus zum Empfang und zur Kontroller der Parameter
– ein Algorithmus zur Ergebnisverarbeitung und zum Beenden des Experiments

Die vorliegende Erfindung erlaubt die fortlaufende und präzise Kontrolle von drei Parametern eines Feststoff-Gas-Reaktors mit vermindertem Druck: die Temperatur, den Gesamtdruck des Systems, weiterhin als absoluter Druck bezeichnet, und die molaren Durchflüsse der Verbindungen, also aller gasförmigen Substrate.
Der molare Durchfluss ist die Stoffmenge, die den Reaktor pro Zeiteinheit durchläuft und wird in Mol pro Stunde (Mol/h) angegeben.
Der absolute Druck und die Temperatur gehen in den Wert der thermodynamischen Aktivität einer Verbindung ein.
Der absolute Druck Pa geht direkt ein, da er den Partialdruck PpX von n Mol einer Verbindung X in einer Gasphase mit n_tot Mol wie folgt mitbestimmt: PpX = (n/ntot)·Pa
Die Temperatur geht ein zur Bestimmung des Referenz-Sättigungsdruckes der reinen Verbindung X, PpXref, wobei dieser den Wert der thermodynamischen Aktivität aX dieser Verbindung X beeinflusst, der wie folgt definiert ist: aX = PpX/PpXref
Die Kontrolle der drei genannten Parameter (Temperatur, Pa und molare Durchflüsse) wird am Beispiel der Ausführung des erfindungsgemäßen Reaktors in 1 dargestellt.
Drei Stufen sind dabei festgelegt.
In einer ersten Stufe wird das Gasgemisch aus den Substraten hergestellt. Die flüssigen Substrate 1 werden aus den die puren Produkte enthaltenden Behältern 2 über Leitungen 3 zu den Hochdruckdosierpumpen 5, Arbeitsbereich 0-1,5 ml/min, transportiert. Die Ausgänge der Dosierpumpen sind dann in einer Mischkammer 22, Todvolumen 50 μl, zusammengeführt und ein Überdruckerzeuger 23, geeicht auf 20 Bar, ist der Mischkammer nachgeschaltet, um eine Entleerung der Pumpen durch den am Ausgang herrschenden Unterdruck vorzubeugen. Die Rohrleitungen für Flüssigkeiten sind auf die Druckbelastungen ausgelegte Edelstahlrohre oder Teflon PTFE-Rohre mit 1/16 Zoll Durchmesser und alle Verbindungseinheiten sind vom Typ Swagelock. Die Rohrleitungen für Gase sind aus Edelstahl mit 1/8 Zoll Durchmesser ausgeführt und alle Verbindungseinheiten sind vom Typ Swagelock.
Die flüssige Mischung wird dann in ein Misch-Einspritz-Gerät 4 mit einer Temperatur von 450°C zugeführt, um einen Flüssig-Gas-Flash zu erzeugen. Zusätzlich wird aus gleicher Richtung neutrales Gas in das Misch-Einspritz-Gerät 4 eingelassen, wobei dieser Gasstrom durch ein Massendurchflussmesser 8', Arbeitsbereich 0-500 mln/min, kontrolliert wird.
Die zweite Stufe betrifft die Reaktion zwischen den Substraten. Die Substratmischung wird aus dem Einspritzgerät 4 in den eigentlichen Bioreaktor 8 über einen Wärmeaustauscher 9 geleitet. Der Biorektor enthält die Enzympräparation. Der Bioreaktor 8 und der Austauscher 9 sind in einer Reaktionskammer 10 angeordnet. Die Temperatur wird aufrechterhalten durch eine Wasserdampfdruckregulierung in einer Doppelwand mit 1,2 bar für 120°C. Alternativ können elektrische Widerstände oder auch eine Ohmsche Heizung eingesetzt werden.
Die dritte Stufe bezieht sich auf die Kontroll- und Analyseanlagen. Eine Vakuumpumpe 11, angeschlossen an ein Vakuumregelventil 12 und an einen Vakuumleckdetektor, befindet sich am Ausgang des Bioreaktors, außerhalb der Reaktionskammer 10. Eine Kammer 14 zur Probenentnahme nach Reaktion ist in diese Ausgangsleitung durch Transfer mit Hilfe eines pneumatischen Mehrwegeventils eingefügt (nicht dargestellt).
Temperaturkontrollsonden, gebildet durch Thermoelemente 15 bis 17, sind jeweils über die verschiedenen Organe verteilt:

– im Misch-Einspritz-Gerät 4;
– in der Reaktionskammer 10;
– in der Kammer zur Probenentnahme 14.

Mit der Sonde 18 können die Temperatur und die thermodynamische Aktivität des Wassers des dem Katalysatorbett 8 zugeführten Gases gemessen werden. An diesem Eintritt ist auch eine Drucksonde, gebildet durch einen piezoresistiven Sensor 19, vorgesehen. Dieser Sensor bildet einen Bereich von 0 bis 1250 mbar ab und führt eine Absolutmessung durch. Alle Temperatur- und Drucksonden sind mit einer Kontrolleinheit 20 verbunden, welche das Vakuumventil 12 im Bioreaktor 8 steuert. Die Steuerung wird entsprechend den von einem Mikroprozessor 21 gelieferten Daten als Antwort auf die von den verschiedenen Sonden übertragenen und vom Mikroprozessor aufgezeichneten Daten vorgenommen. Die Automatisierung und die Regulierung der Funktionsbedingungen entsprechend der empfangenen Daten erfolgen mittels eines angepassten Verwaltungsalgorithmus.
Im Funktionsverlauf wird das Trägergas optional bei bestimmten Reaktionen zur Anpassung der Partialdrücke der Substrate im Mischgerät 4 eingesetzt. Am Austritt des Reaktors wird das Trägergas mittels Kompressor zurückgewonnen und wieder dem Mischgerät zugeführt.
Das Mischgerät 4 ist eine Expansionskammer zur Umformung der Substrate in die gasförmige Phase, die im Ausführungsbeispiel auf 450°C erwärmt wird. Ein als Nebler verwendeter Ultraschallknopf erleichtert die Verdampfung der Substrate durch die so erreichte Vergrößerung der Austauschfläche, indem Nebel eingespritzt wird. Das Gas wird dem Bioreaktor durch Unterdruck zugeführt, der einen Gasstrom in den Reaktor verursacht, wobei dieser Gasstrom durch die eventuelle Zugabe eines Trägergases gefördert oder gehemmt werden kann. Dieser Unterdruck wird durch die am Ausgang des Reaktors installierte Vakuumpumpe erzeugt.
Die Proben zur Analyse der Gasphase am Austritt des Bioreaktors 8 werden mittels einer Schleife von 250 μl entnommen und dann auf eine GC-Säule (Gaschromatographie) zur Bestimmung ihrer Zusammensetzung injiziert. Die Messdaten werden von zwei Sonden erfasst, ein Wärmeleitdetektor für das Wasser und ein Flammenionisationsdetektor für alle anderen organischen Moleküle.
Die verschiedenen Reaktororgane werden mittels eines Mikroprozessors 21 verwaltet, angeschlossen an die verschiedenen Sonden und Ventile über eine Karte, enthaltend 16 A/D-Umwandler (analog/digital), 8 12 Bit D/A-Umwandler, 40 TTL I/O-Leitungen und 6 Zähler: Zeitgeber. Der Verwaltungssalgorithmus zeichnet zu Beginn die verschiedenen Temperaturmessdaten auf, berechnet die Partialsättigungsdrücke der verschiedenen Substrate und fertigt die Anweisungen für die Durchflussmesser 6 und 8' sowie das Vakuumregelventil 12.
Die Konditionierer der Doppel-Mantel-Thermoelemente können bei der Temperaturmessung Genauigkeiten von ± 0,1°C im Bereich von 20 bis 150°C geben. Die Genauigkeit der Soll- und Ablesewerte der Durchflussmesser beträgt ± 0,5% der maximalen Kapazität der Durchflussmesser und die der Druckmessungen ± 1 mbar. Die Berechnung der Sättigungsdrücke wird durch Regression exponentiellen Typs durchgeführt mit einem absoluten Fehler von maximal ± 5,10^–4 atm.
In einer besonderen Ausführungsform ist, um eine ständige Änderung der Zusammensetzung der Gasphase im Verlauf zu vermeiden, das während der Reaktion umzuformende Gas eine Mischung aus mehreren Gasen. Das Verfahren nutzt dann das Flüssig/Dampf-Gleichgewicht für einen ersten reinen Korpus zur Herstellung eines ersten Gases, anschließend wird dieses erste Gas mit anderen auf diese Weise hergestellten Gasen vermischt.
Zur Steuerung der verschiedenen Parameter wird ein Modell verwendet, um den Reaktor an die auszuführende Reaktion anzupassen. Die erste Stufe ist die Bestimmung des Massendurchflusses für jede Verbindung. Anhand des Normvolumenstroms (Q_VN2 Norm) lässt sich der molare Durchfluss von des Trägergases Stickstoff (G_N2) wie folgt bestimmen: QN2 = QVN2Norm/R·T (mol/h bei T = 273,15°K)
Anhand des Volumenstroms jeder Verbindung X (QVⁿ _x) kann der molare Durchfluss jedes Bestandteils (Qⁿ _x) mit folgender Formel berechnet werden: Qn x = QVn x·r/MM(mol/h) Mit

R:: Dichte des Produktes
MM:: molare Masse des Produktes

Anhand der nun bekannten molaren Durchflüsse und des absoluten Drucks Pa im System können dann die Partialdrücke jeder Verbindung im eingespeisten Gas (Ppⁿ _x) mit folgender Formel berechnet werden: Ppn x = Pa·Qn x/(QN2 + SiQi x)
Die Sättigungskurven Ppⁿ _xsat = f[T] können mittels Software zur Berechnung physikalischer Eigenschaften, wie zum Beispiel Prosim (PROPHY-Software) (Joulia X. et al (1988), Intern. Chem. Eng. 28: 36-45), bestimmt werden und dienen zur Berechnung des Referenz-Sättigungsdrucks jeder Verbindung (Ppⁿ _xsatref) bei der Temperatur des Bioreaktors.
Die Aktivität jeder Verbindung wird dann mit folgender Formel berechnet: aX = Ppn x/Ppn xsat ref
Der reale Volumenstrom im Reaktor wird mit folgender Formel berechnet: Qvtotal = R·T·(QN2 + SiQi x)/Pa Mit

T: = Temperatur des Bioreaktors in Grad Kelvin

Die verwendeten Algorithmen legen die zeitliche Reihenfolge von Ereignissen der Gasflüsse fest und steuern diese, um die Operationsbedingungen zu variieren, die hinsichtlich Dampfdruck und thermodynamischer Aktivität programmierbar sind, steuern die Injektionsreihenfolgen von Proben des Analysematerials und verfolgen in Echtzeit die Kontrollparameter in der Reaktionskammer : Eintritts- und Austrittsdurchflüsse, Partialdrücke, molarer Durchfluss und Aktivität jedes Substrats und Produkts, Temperaturen und Verweilzeiten. Die Empfangsfrequenz beträgt 2 HZ. Die 2 bis 5 zeigen ein Beispiel für einen Verwaltungsalgorithmus jeweils zur Initialisierung des Reaktors (2), zur Erfassung der Ereignistabellen (3), für den Reaktionsmodus Warten/Starten (4) und zur Beendigung der Reaktion (5).
Der Algorithmus in 2 ermöglicht die Initialisierung des Experiments sowie die Kalibrierung und die Konfigurierung der Karten in Block 200 durch einen spezifischen Test, der den Schritten 201, 202 und 203 entspricht. Die Erfassung der Hauptparameter, Temperatur, Druck und Reaktorvolumen wird in Block 210 mit den Schritten 204 bis 209 durchgeführt.
In 3 wählt der Algorithmus, nachdem die Hauptparameter ausgewählt wurden (Schritt 209), in Schritt 211 die Tabelle Durchfluss/Analyse auszuwählen aus den Erstellungseinheiten 220 und 230 bzw. aus der Operationsbedingungstabelle (durch Erfassen der Ereigniszeiten und des Gesamtdurchflusses entsprechend eines Sollwertes in den Schritten 221 bis 225 und durch Sortieren der Ereignisse in den Schritten 226 bis 229) und aus der Analysesequenztabelle, die in den Schritten 231 bis 235 und Sortieren der Ereignisse in den Schritten 236 bis 237 programmiert wird. Die erstellten Tabellen werden in Schritt 238 gespeichert.
In 4 werden der Empfang und die Kontrolle der Parameter in Block 240 ausgehend vom Block Warten 250 und Starten 260 durchgeführt. Der Block warten regelt den Start in Schritt 251 entsprechend der in den Schritten 252 bis 257 erhaltenen Parameter. Der Start wird ausgelöst, wenn die Ereignisdateien für den Durchfluss und die Analyse in den Schritten 261 bis 266 ausgefüllt/geladen sind. Der Empfangs- und Kontrollblock 240 beinhaltet die Schritte 241 bis 246 Empfang, Anzeige und Vergleich der abgelaufenen Zeit in den Ereignistabellen des vorherigen Algorithmus. Die Analyseverwaltung in Block 270 folgt aus der Anwendung der Ereignisse im Entscheidungsschritt 271. Der Vergleich zwischen der abgelaufenen Zeit und der festgelegten Endzeit 272 wird an den Empfangsblock 240 gemeldet. Ein Block zur Veränderung der Operationsbedingungen 280 ermöglicht es, in drei Schritten (281 bis 283) die Startparameter am Beginn des Empfangsblocks zu verändern.
Schließlich stellt 5 die abschließenden Schritte des Experiments in den drei Blöcken 300, 310 und 320 dar, die jeweils die Verarbeitung der Ergebnisse, die Spülung des Reaktors und die Beendigung des Experiments betreffen. Der Verarbeitungsblock 300 umfasst die Schritte 301 bis 305 Spülung, Abschalten der Zeitgeber und Export der Ergebnisse. Der Block Spülung schließt einen Schritt 311 zur Analyse des Spülgases und einen Entscheidungsschritt 312 ein. Der Block Anhalten umfasst die Schritte 321 bis 323 Testabbruch, Annullierung aller Anweisungen und Anhalten des Reaktors.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele für die erfindungsgemäße Verwendung des Reaktors beschrieben.
Beispiel 1: Verwendung lipolytischer Enzyme
Die Verwendung lipolytischer Enzyme ermöglicht die Katalyse verschiedener Reaktionen in Abhängigkeit von der Wassermenge im System.
Diese spezielle Feststoff/Gas-Katalyse eröffnet ein wichtiges Anwendungsfeld hinsichtlich der Produktion von Molekülen wie insbesondere Aromen und Duftstoffe. Die Anwendungsmethodik für ein solches System ist überdies relativ einfach.
Die optimale katalytische Aktivität für eine maximale Hydratation des Katalysators wird dabei erreicht und liegt kurz vor dem Auftreten einer ausgeprägten wässrigen Phase, die sich in einem sprunghaften Anstieg des Wassergehalts des Katalysators äußert. Ist dieses Optimum überschritten, sinkt die Katalysegeschwindigkeit beträchtlich.
Dieser Aktivitätsverlust, verursacht durch die Thermodenaturierung des Katalysators durch Zusammenwirken des Wassers und der Temperatur, ist unumkehrbar, wie die Restaktivitätskurve, gemessen am Optimum der Hydratation nach 24 h kontinuierlicher Verwendung unter verschiedenen Anfangsbedingungen, zeigt.
Die Feststoff/Gas-Katalyse erweist sich damit als vorteilhaft, da sie eine kontrollierte kontinuierliche Hydratation eines Biokatalysators und das Erreichen der Thermostabilität bei temperaturempfindlichen Enzymen im wässrigen Medium ermöglicht.
Beispiel 2: Esterifizierung
Die Produktion einer Reihe von Estern der Gruppe der Butyrate und der Acetate mit einer Kohlenstoffkette von maximal 9 Kohlenstoffatomen wurde unter Verwendung von Lipase durchgeführt.
Die Steuerung der thermodynamischen Aktivitäten ermöglicht es, mit Hydrolasen entgegen ihrer Wirkungsweise im wässrigen Medium Synthesereaktionen durchzuführen,
Die Synthese von Propylbutyrat unter Verwendung eines handelsüblichen Katalysators, NOVOZYME 435 (Lipase aus C, antarctica B immobilisiert an Harz), aus n-Propanol und Butyratsäure.
Diese Esterifizierung ist auf Grund der Wasserproduktion während der Reaktion problematisch. Die Erfindung berücksichtigt die veränderte Hydratation der letzten Schichten des Katalysatorbettes. Erfahrungsgemäß kann durch die Wahl eines Katalysators, der effizient bei geringer thermodynamischer Aktivität wirkt und dessen Aktivität weniger abhängig ist von einer veränderten Hydratation, die Produktion von Propylbutyraten optimieren.
Die Feststoff/Gas-Katalyse ist also technologisch anwendbar für die Produktion, wobei keine Lösungsmittel zugegeben werden.
Tabelle 1 stellt die Extrapolation der im Labor mit 50 mg Trägerkatalysator (Enzym + Träger) erzielten Ergebnisse dar. Tabelle 1
Tabelle 1 zeigt vier Ausführungsformen für die Herstellung eines Moleküls, von Propylbutyrat, für einen Reaktor mit einer Katalysatorkapazität für 1 kg. Die Arbeitstemperatur beträgt 80°C. Die Verweildauer im Reaktor ist 0,5 Sekunden. Die Gleichgewichtskonstante beträgt 40, die maximal erreichte Umsetzung liegt bei 83% bei einem Verhältnis Säure/Alkohol 1/1. Die Umsetzungsrate eines der Substrate kann auch durch Erhöhung der thermodynamischen Aktivität des letzteren erhöht werden. Eine Nachbehandlung (Destillation) ist notwendig, um die Reinheit des Produktes zu gewährleisten und überschüssiges Substrat zurückzugewinnen.
Beispiel 3: Synthese von Butylacetat aus Eisessig und Butanol
Die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion ermöglicht einen Umsetzungsanteil von mehr als 90% im Falle der Verwendung der Substrate Mol pro Mol. Die Reaktion wurde bei Zugabe Mol pro Mol (Alkohol/Säure) durchgeführt. Die Umsatzrate liegt nahe bei 100%, wobei über einen Zeitraum von 24 h kein Aktivitätsverlust beobachtet wurde. Diese noch vorläufigen und nicht optimierten Ergebnisse ergeben für 1 kg Katalysatorbett ungefähr 5 kg reines Produkt/h. Eine Steigerung dieses Wertes ist durchaus möglich und bedarf der experimentellen Bestätigung.
Beispiel 4: Anwendung der bei der Feststoff/Gas-Katalyse erzielten Ergebnisse in der Gas-Affinitätstomographie
Mit Aufrechterhaltung der Hydratation bei dauerhafter Stabilität und dreidimensionaler Übereinstimmung, durch die es möglich ist, die im Prozess der Enzymerkennung (oder zwischen einem Antikörper und einem Antigen) beteiligten niedrigen Interaktionsenergien festzulegen, kann das Konzept der Gas-Affinitätstomographie weiter entwickelt werden.
Eine Chromatographiesäule, die mit einem Liganden gefüllt ist, ermöglicht es, das Konzept der Gas-Affinitätstomographie weiter zu entwickeln. Ein Ligand ist ein Molekül jeder Art, das sich spezifisch mit einer in einer Reaktionsmischung enthaltenen Verbindung verbindet. Es kann sich dabei um ein Enzym mit Affinität für ein Substrat handeln. Er kann auch ein Antikörper mit Affinität für ein Antigen sein; wobei in diesem Fall mit der Reaktion das unerwünschte Antigen aus dem komplexen Medium entfernt werden kann; gegebenenfalls wird das im einen oder anderen Fall erhaltene Produkt durch Veränderungen der physikalischen und chemischen Bedingungen des Mediums gereinigt.
Diese Systeme können selbst schwache Konzentrationen von Molekülen in einer Gasphase (zum Beispiel atmosphärische Schadstoffe) aufspüren und so die besagten Moleküle schnell und genau analysieren.
Beispiel 5: Anwendung der bei der Feststoff/Gas-Katalyse erzielten Ergebnisse zur Entwicklung von Derivatisierungsvorsäulen
Bisher stellten bei der Gaschromatographie sekundäre Interaktionen ein Problem dar, die bestimmte Verbindungen (z.B. freie Fettsäuren an apolaren Säulen) hemmten oder zu einer geringen Flüchtigkeit der zu analysierenden Verbindungen führen (Zucker). Deshalb muss zur Behebung des Problems oft ein zusätzlicher Derivatisierungsschritt (Methylierung bzw. Ethylierung) vorgenommen werden (Referenz). Um das Problem zu lösen und damit die Analyse durch den Wegfall des zusätzlichen Schrittes zu vereinfachen, wird zwischen dem Einspritzgerät und der Trennsäule eine aktive Säule zwischengeschaltet, die einem kleinen Enzymreaktor entspricht. Die Injizierung der zu analysierenden Produkte, beispielsweise mit Methanol zur Methylierung, ermöglicht eine sofortige Derivatisierung der Verbindung vor dem Übergang in die Säule.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt. Die Umformung der flüssigen Produkte in die Dampfphase, die das Trägergas darstellt, kann einerseits mit jedem Mittel zur Ausdehnung dieser Produkte in einer Injektionskammer und andererseits durch die Erzeugung von Unterdruck zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Reaktors mit jedem bekannten Mittel erfolgen. Die Substrate können dabei gleich bei der ersten Reaktionsstufe gasförmig sein.
In den Reaktor gemäß der Erfindung werden die jeweils geeigneten Enzymreaktoren, das heißt festes oder flüssiges Bett, integriert.
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung sind an besondere Anwendungen angepasst. Beispielsweise bei Einsatz eines neutralen Trägergas ist es wichtig, besonders für die industrielle Anwendung, den Gasverbrauch zu minimieren. Um dies zu erreichen, wird das Gas vorzugsweise durch Nachverdichten am Austritt aus der Vakuumpumpe und durch Leitung in einen Wärmeaustauscher wiedergewonnen. Die Kondensierung der Reaktionsprodukte und die Reinigung des Trägergases, zurückgewinnbar vor dem Massendurchflussmesser, werden so durch Kupplung von Kälte und Druckanstieg erleichtert. Im Speziellen ist eine Vakuumpumpe einzusetzen, die an einen Flüssigkeitsringverdichter angeschlossen ist, da sie für eine große Menge kondensierbarer Produkte bei Eintritt und Austritt geeignet sind.
Bei schwer kondensierbaren Produkten ist es vorteilhaft, auf die Zugabe von Stickstoff bzw. Luft und das Kontrollventil vor der Vakuumpumpe zu verzichten, um die Konzentrationsverringerung der Reaktionsprodukte zu minimieren und so die Effizienz des Kondensierungsschrittes zu erhöhen. Der Gesamtdrucks wird dann mittels eines Ventils zwischen dem Reaktor und der Vakuumpumpe entsprechend der vor dem Reaktor durchgeführten Messungen geregelt.
Im Falle auf Grund ihrer Flüchtigkeit schwer zu trennender Moleküle oder eines sehr niedrigen Partialdrucks im Verhältnis zum Sättigungsdruck bei der Temperatur des Kondensators, wird ein Molekularfiltersystem am Ausgang des Kondensators eingefügt, das den wieder zurückzugewinnenden Stickstoff passieren lässt. Bei der Schadstoffentfernung können so die Kosten gesenkt werden, da die Verwendung einer Kryoflüssigkeit zum Auffangen der Reaktionsprodukte, wenn diese in sehr geringen Konzentrationen in der Gasphase auftreten, unterbleibt.
Ebenfalls im Rahmen der Schadstoffentfernung kann das Hinzufügen einer Pervaporation Gas/Gas an die Feststoff/Gas-Biokatalyse vorteilhaft sein.
Auf diese Weise kann im Falle von Gasen vorteilhafterweise der Biokatalyse ein Pervaporationsschritt Gas/Gas vorangehen, um die Anreicherung zu eliminierender Moleküle vor ihrem Eintritt in den Bioreaktor zu ermöglichen. Dafür wird der Verdampfer durch ein Permeatmodul eines Pervaporationsmoduls ersetzt und das Permeatgas mittels einer Gaspumpe, die als Kompressor dient, in den Bioreaktor geleitet. Die Erhöhung des Drucks und das Absenken der Temperatur auf das Niveau des Reaktors ermöglichen es, die Aktivität der zu behandelnden Moleküle auf sensible Weise um den Faktor 10 oder 100 zu erhöhen. Der Reaktordruck wird mittels eines Durchflussventils am Ausgang des Reaktors geregelt, wobei die Vakuumpumpe nicht in Funktion ist. Um ein sauberes Gas, aus dem durch die Katalyse alle Schadstoffmoleküle entfernt wurden, in die Atmosphäre zu entlassen, ist ein zweites an einen Kondensator oder einen kryogenen Austauscher angeschlossenes Pervaporationsmodul dem Durchflussventil nachgeschaltet.
Durchläuft das Produkt eine Änderung des Aggregatzustandes, wird am Ausgang des Reaktors eine Gas/Feststoff-Abscheider, beispielsweise mit Zykloneffekt, hinzugefügt, wenn das gebildete Produkt fest ist oder eine Gas/Flüssig-Abscheider, wenn das Produkt flüssig ist. Auf diese Weise wird nur die Gasphase über einen Druckkondensator den Pumpen zugeführt.

Claims

Kontinuierliches katalytisches Feststoff/Gas-Reaktionsverfahren in nicht-konventionellen Medium unter Verwendung verschiedener Substrate in Gasform zur Herstellung von bestimmten Produkten, flüssigen Substraten und Produkten der Enzymreaktion in Form von Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Verfahren mindestens umfasst: – Temperaturregelung der Enzymreaktion zur Bestimmung des Sättigungsdrucks jeder reinen Verbindung, der die thermodynamische Aktivität der besagten Verbindung beeinflusst; – Regelung des Gesamtdrucks; und – Regelung des Massendurchflusses der Verbindungen und des Trägergases zur Steuerung der molaren Zusammensetzung des Gasgemischs entsprechend den Werten der thermodynamischen Aktivität, die durch diese Verbindungen bestimmt sind. – Verwendung von Mitteln zur Leitung des die Substrate Enzymreaktion enthaltenen Gasgemischs von einem Mischeinspritzgerät (4) zum eigentlichen Bioreaktor (8) über einen Wärmeaustauscher (9), wobei der Bioreaktor eine Enzymzubereitung enthält, deren Temperatur in einer Reaktionskammer (10) aufrechterhalten wird; und – vor der Reaktion, Herstellung des besagten Gasgemischs mittels an einen Durchflussmesser (6) gekoppelte Dosierpumpen (5) zur Zuführung der flüssigen Substrate (1) aus den Behältern (2) zum Mischeinspritzgerät (4), dem Flash- Behälter Flüssig-Dampf, über Leitungen, die mit einer Mischkammer (22) und einer Pumpvorrichtung (23) ausgestattet sind; und Zugabe eines Vektorgases (7), geregelt durch ein Durchflussmesser (8') im Mischeinspritzgerät (4); und – nach der Reaktion die Verwendung von Mitteln, die an einen an einen Steuerungsprozessor (21) gekoppelten Regler (20) angeschlossen sind, um entsprechend den empfangenen Daten und dem verwendeten Steuerungsalgorithmus regelmäßig Regelungssignale an die verschiedenen Organe – Pumpen, Sonden und Ventil – zu übertragen zur Regelung der Temperatur, des Gesamtdrucks und des Massendurchflusses entsprechend den bestimmten Werten der thermodynamischen Aktivität, wobei diese Mittel mindestens eine Vakuumpumpe (11), gekoppelt an ein Druckkontrollventil (12) und an ein Vakuumprüfgerät, eine Kammer (14) zur Entnahme von Proben, die in die Ausgangsleitung mittels eines pneumatischen Mehrwegeventils eingefügt ist, umfassen, – einen Gesamtdruck, der niedriger als der atmosphärische Druck ist, und – Rückführung des Vektorgases durch Rückverdichtung bei Austritt aus der Vakuumpumpe und durch Weiterleitung zu einem Wärmeaustauscher, und – für den Fall, dass das Reaktionsprodukt einen Phasenwechsel durchläuft, Trennung Gas/fest oder Gas/flüssig bei Austritt aus dem Reaktor, wobei nur die Gasphase rückgeführt wird.
Reaktor zur Durchführung eines kontinuierlichen katalytischen Reaktionsverfahrens fest/Gas in nicht-wässrigem Medium unter Verwendung verschiedener Substrate in Gasform zur Herstellung von bestimmten Produkten, flüssigen Substraten und Produkten der Enzymreaktion in Form von Verbindungen, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Verfahren mindestens umfasst – Temperaturregelung der Enzymreaktion zur Bestimmung des Sättigungsdrucks jeder reinen Verbindung, der die thermodynamische Aktivität der besagten Verbindung beeinflusst; – Regelung des Gesamtdrucks; und – Regelung des Massendurchflusses der Verbindungen und des Trägergases zur Regulierung der molaren Zusammensetzung des Gasgemischs entsprechend den Werten der thermodynamischen Aktivität, die durch die Verbindungen bestimmten sind, wobei der Reaktor folgendes umfasst: – Mittel zur Leitung des die Substrate der Enzymreaktion enthaltenen Gasgemischs von einem Mischeinspritzgerät (4) zum eigentlichen Bioreaktor (8) über einen Wärmeaustauscher (9), wobei der Bioreaktor eine Enzymzubereitung enthält, deren Temperatur in einer Reaktionskammer (10) aufrechterhalten wird, und – vorgeschaltet, eine erste Stufe zur Herstellung des besagten Gasgemischs, die folgendes umfasst: – an einen Durchflussmesser (6) gekoppelte Dosierpumpen (5) zur Zuführung der flüssigen Substrate (1) aus Behältern (2) zum Mischeinspritzgerät (4), dem Flashbehälter Flüssig-Dampf, über Leitungen, die mit einer Mischkammer (22) und einer Pumpvorrichtung (23) ausgestattet sind; und – Mittel zur Zuführung eines Trägergases (7) mit Durchflussmesser (8) im Mischeinspritzgerät (4); und – nachgeschaltet, eine mit den Kontroll- und Analyseanlagen verbundene Stufe, die die besagte Vakuumpumpe (11), angeschlossen an ein Druckkontrollventil (12) und an ein Vakuumprüfgerät, eine Kammer (14) zur Probenentnahme nach Reaktion, die in diese Ausgangsleitung mittels eines pneumatischen Mehrwegeventils eingefügt ist, sowie – Mittel zur Einstellung des Gesamtdrucks auf einen niedrigeren Wert als der atmosphärische Druck, die mindestens die besagte Vakuumpumpe umfassen, und – Mittel zur Rückführung des Trägergases durch Rückverdichtung bei Austritt aus der Vakuumpumpe und durch Weiterleitung zu einem Wärmeaustauscher, und, – für den Fall, dass das Reaktionsprodukt einen Phasenwechsel durchläuft, ein Trenngerät Gas/fest oder Gas/flüssig am Austritt aus dem Reaktor, wobei nur die Gasphase zur Gaspumpvorrichtung über einen Kondensator bei Druck rückgeführt wird.
Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesssonden mit Thermoelementen (15 bis 18) über die verschiedenen Organe verteilt sind, der Drucksensor ein piezoresistiver Sensor (19) ist, alle Temperatur- und Drucksonden mit dem Kontrollgerät (20) verbunden sind, welches das Vakuumregelventil (12) im Bioreaktor (8) steuert, wobei diese Steuerung in Abhängigkeit der von einem Mikroprozessor (21) gelieferten Daten durchgeführt wird entsprechend den von den verschiedenen Sonden übertragenen und vom Mikroprozessor aufgezeichneten Daten, und dass Automatisierung und Regulierung der Funktionsbedingungen entsprechend den empfangenen Daten von einen angepassten Steuerungsalgorithmus sichergestellt werden.
Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischgerät (4) einen Ultraschallkopf beinhaltet, der als Nebler zur Erhöhung der Austauschfläche während des Flash flüssig-Dampf dient, dass die Probenentnahme zur Analyse des Gases am Austritt des Bioreaktors (8) von einer Pulsschleife durch Injektion auf eine gaschromatographische (GC) Säule durchgeführt wird, um seine Zusammensetzung zu bestimmen, wobei zwei Detektoren die Messdaten erfassen, einer für das Wasser und einer für alle anderen organischen Moleküle.
Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Reaktororgane mittels eines Mikroprozessors (21) gesteuert werden, der mit den Kontrollorganen über eine Karte, enthaltend A/D-Umwandler (analog/digital), 12 Bit D/A-Umwandler und mindestens ein Signal im TTL-Modus verbunden ist, und dass der Steuerungsalgorithmus bei Eintritt die verschiedenen Temperaturmesswerte aufzeichnet, die Partialdrücke und die jeweiligen Sättigungsdrücke berechnet, um die jeweiligen thermodynamischen Aktivitäten der verschiedenen Substrate zu berechnen, und die Einstellungswerte der Durchflussmesser (6, 8) sowie des Vakuumregelventils (12) bestimmt.
Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierer der Thermoelemente, so gewählt sind, dass sie die Temperaturmessung mit einer Genauigkeit von ± 0,1 °C bei Werten von 20 bis 150°C durchführen können, dass die Genauigkeit der Soll- und Ablesewerte der Dosierpumpen ± 0,5 % der maximalen Kapazität der Durchflussmesser und die Genauigkeit der Druckmessungen ± 1 mbar beträgt, damit die Berechnung der Sättigungsdrücke, die durch lineare Regression exponentiellen Typs durchgeführt wird, Werte mit einem absoluten Fehler von maximal ± 5,10 atm ergibt.
Reaktor nach einem der Ansprüche 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Algorithmen die zeitliche Verlaufsabfolge (240 bis 280) des Gasflusses festlegen und steuern, um die Operationsbedingungen hinsichtlich Dampfdruck oder thermodynamischer Aktivität (210 bis 230) zu verändern, die Injek tionsfrequenz der Entnahme von Analysematerial (210, 220, 230, 240) steuern und in Realzeit die Kontrollparameter in der Reaktionskammer (280, 240) verfolgen: Eintritts- und Austrittsdurchflussmenge, Partialdrücke, Massendurchfluss und Aktivität jedes Substrats und Produktes, Temperaturen und Verweilzeiten, die wiederum zur Initialisierung des Reaktors (210, 250), zur Kalibrierung der Lesekarte des Prozessors (200), zur Erfassung des Verlaufs (211, 220, 230), zur Moduseinstellung Reaktion Anhalten/Starten (250, 260) und zur Beendigung der Reaktion (300 bis 323) herangezogen werden.
Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle schwer zu trennender Moleküle ein Molekularfiltersystem bei Austritt aus dem Kondensator hinzugefügt und keine Kryoflüssigkeit verwendet wird.
Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pervaporation Gas/Gas an die Biokatalyse fest/Gas gekoppelt ist zur Anreicherung zu eliminierender Moleküle vor ihrem Eintritt in den Bioreaktor.
Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 2 bis 9 zur Herstellung organischer Moleküle wie Alkohole, Carbonsäuren, Thiol, Thioester, Ester, Aldehyde, Ketone, Alkenoxide und Laktone.
Verwendung des Reaktors nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Moleküle als Aromen oder Düfte verwendbar sind.
Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er der biologischen Reinigung von Abgasen dient.
Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er der Entwicklung spezifischer Biosensoren zur Detektion flüchtiger Moleküle und damit zur Entwicklung einer künstlichen „Nase" dient.
Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Analyse der hergestellten Moleküle mittels eines bekannten Analysegerätes durch Anschluss des Reaktors an dieses Gerät dient.
Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine enzymatische Vorsäule zur Derivatisierung für das Trennverfahren der Gaschromatographie (GC) darstellt.