EP4476318A1 - Katalytischer membranreaktor - Google Patents

Katalytischer membranreaktor

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Publication number
EP4476318A1
EP4476318A1 EP23700603.6A EP23700603A EP4476318A1 EP 4476318 A1 EP4476318 A1 EP 4476318A1 EP 23700603 A EP23700603 A EP 23700603A EP 4476318 A1 EP4476318 A1 EP 4476318A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
area
reactor
areas
fluid
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23700603.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Franzreb
Ruijie TAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP4476318A1 publication Critical patent/EP4476318A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/18—Apparatus specially designed for the use of free, immobilized or carrier-bound enzymes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/14—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing enzymes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/34—Internal compartments or partitions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/02—Membranes; Filters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/10—Perfusion

Definitions

  • the present invention relates to reactors with a plurality of flow areas divided from one another by membranes, their use and methods for the catalytic conversion of substrates.
  • EMR enzyme membrane reactor
  • the biocatalyst In the case of an EMR with free, dissolved enzymes, the biocatalyst is retained by an ultrafiltration membrane, while the product is allowed to pass through this membrane.
  • the enzyme When the EMR is operated as dead-end filtration, the enzyme rapidly accumulates above the membrane surface, leading to concentration polarization and potential fouling.
  • the corresponding depletion of the enzyme in the bulk volume of the reactor leads to reduced conversion rates and yields/space-time-yield STY.
  • the cross-flow operation of the EMRs and the recycling of the reaction solution in a loop reduces the concentration polarization, but the concept is only conditionally suitable for the realization of continuous flow enzyme cascades, especially when the substrates involved and products are of comparable size.
  • the object of the present invention was therefore, with regard to the prior art, to provide improved reactors for catalytic reactions, with which the disadvantages of the prior art can be circumvented and particularly good results can be achieved.
  • ambient temperature means a temperature of 20° C. Unless otherwise stated, temperatures are in degrees Celsius (° C.).
  • the subject of the present invention is a reactor comprising, or in variants consisting of, at least three, or in variants also more than three, for example four, five, six, seven or even more, flow areas arranged concentrically around one another or in layers one above the other are each separated from one another by membranes, preferably semipermeable membranes.
  • the reactor has exactly three areas.
  • the regions are arranged in layers one above the other.
  • Semi-permeable membranes are membranes whose pores are only permeable for some of the substances flowing into the areas, i.e. only molecules below a certain molar mass or colloids or particles below a certain size be let through.
  • the electrical charge of the molecules and their hydrophilic or hydrophobic character also play a role in retention by the membranes. In the simplest case, this means that the respective membrane allows the solvent to pass through, but not the dissolved substance.
  • This principle is well known to those skilled in the art. In this respect, the selection of appropriate membranes by the person skilled in the art, optionally as a function of the desired reactions to be carried out in the reactor according to the invention, is clear to the person skilled in the art and requires no further explanation.
  • Suitable membranes include nanofiltration membranes composed of polyamide thin film composites having a molecular weight cut off (MWCO) of, for example, 150, 300 or 700 daltons (Da).
  • MWCO molecular weight cut off
  • Other common nanofiltration membranes consist, for example, of polypiperazinamide or cellulose acetate, also with MWCO values between 150 and 1000 daltons.
  • Suitable ultrafiltration membranes include those made of polyamide thin film composites, polyethersulfones or polyacrylonitrile with MWCO values of 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da up to 50000 Da or more.
  • the membranes used are therefore selected from the group consisting of
  • Nanofiltration membranes consisting of polyamide thin-film composites with a molecular weight cut-off of 150, 300 or 700 daltons, nanofiltration membranes made of polypiperazinamide with MWCO values between 150 and 1000 daltons,
  • the respective membranes can be the same or different. In some embodiments of the present invention it is preferred if the membranes between the first region and the two adjacent regions are the same. In some other embodiments of the present invention, it is preferred if the membranes are different between the first area and the two adjacent areas, in particular when no reversal of the direction of flow through the membrane is provided during operation.
  • the first membrane is used for the controlled supply of an exchange solution to the first (middle) area (flow channel) in which the immobilized catalyst (the immobilized enzyme) is located and in which the catalytic conversion (reaction of the substrate to product) takes place.
  • the second membrane is used for the simultaneous, controlled removal of solvent from the first (middle) area (flow channel). At the same time, the membrane holds back the product. This also applies to an intermittent change of supply from the second to the third area (or vice versa), except that then only the direction of flow is reversed transversely to the direction of flow through the first area and the two membranes exchange their roles.
  • the reactor according to the invention also has at least two fluid supply devices and at least two fluid discharge devices, one fluid supply device and one fluid discharge device being connected to the first area, which in the preferred embodiments has three areas between the other areas, and the other fluid supply devices and fluid discharge devices being connected to the others areas are connected.
  • each of these devices can have control and/or throttle valves. This allows the or discharged amounts of fluid (in addition to regulation via pressure, etc.) even more precisely and, if necessary, simplify the mixing of individual components.
  • each area prefferably has more than one fluid supply device or fluid discharge device.
  • the reactor according to the invention has at least one fluid supply device per area and at least one fluid discharge device per area.
  • the reactor according to the invention is configured such that the direction of flow in a (the) first region located between (the) other two regions is cocurrent with or opposite to the direction of flow in the other two regions.
  • An essential feature of the present invention is, moreover, that immobilized catalyst particles are arranged in the first area of the reactor according to the invention, which is arranged between the two other areas.
  • the fluids fed in and removed are preferably liquids, ie substances or mixtures of substances which are liquid under the respective operating conditions of the reactor, for example an operating temperature between 5° C. and 80° C. and atmospheric pressure.
  • gaseous fluids at atmospheric pressure or higher or lower pressure or higher or lower temperatures.
  • the fluids supplied and specified are particularly preferably aqueous solutions.
  • the reactor according to the invention has at least two supply and discharge devices for fluids.
  • the reactor according to the invention in which the reactor according to the invention has three areas, it is preferred if the reactor according to the invention at least one fluid supply device per region, and at least one fluid discharge device per region. In this way, a particularly good mixing of the substances passing through the membranes can be achieved, particularly in the case of countercurrent flow, ie when the direction of flow in the first area lying between the other areas is opposite to that of the two outer areas.
  • the reactor according to the invention has a fluid supply device and a fluid discharge device for the first region lying between the other regions, and a fluid supply device for the upper region (but no fluid drain) and a lower region fluid drain (but no fluid supply). Accordingly, in still other variants of the present invention, in which the reactor according to the invention has three regions, it is preferred if the reactor according to the invention has a fluid supply device and a fluid discharge device for the first region lying between the other regions, and a fluid supply device for the lower region (but no fluid removal device) and an upper region fluid removal device (but no fluid delivery device).
  • a volume flow of a solution enters the first area due to pressure differences from an adjoining area through a membrane and at the same time from the first area a volume flow exits through another membrane into another adjacent area.
  • a modification of the solution in the first area is possible, independently of the main flow direction, which is defined by the fluid supply device and fluid discharge device of the first area.
  • the direction of flow in the first area is opposite to the direction of flow in the adjacent areas, this is not absolutely necessary within the scope of the present invention and in other (not quite as preferred) variants of the present invention it can it may be preferred if the directions of flow are the same. Because there are cases in which the direction of flow is irrelevant or in which a direct current is more favorable, for example if the flow direction of the membranes is not changed at the same time.
  • the catalyst particles are immobilized means that they cannot move freely in the first area.
  • immobilization There are various possibilities for immobilization, which are known to the person skilled in the art.
  • the catalyst particles do not necessarily have to be arranged on a framework, but can also be fixed on carrier particles and then arranged in the form of a bed or suspension in the first region.
  • the catalysts are immobilized on support materials, preferably selected from the group consisting of fibers, particles, in particular microparticulate particles, lattice structures, or combinations thereof.
  • Microparticulate particles which can also be referred to as microparticles, preferably means that the particles have a size in the micrometer range, in particular in the range from 0.5 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably from 2 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • lattic structures refers to structures that are constructed like a lattice or a sieve.
  • the respective webs of the lattice or sieve are not restricted in their dimensions, except that the resulting lattice or sieve structure is not too large for an arrangement in the first range and that, after the catalyst particles have been immobilized thereon, sufficient free volume for the fluid flow must remain.
  • covalent immobilization on carrier particles by chemical bonding for example (preferred) via l-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl )carbodiimide (EDC) or glutaraldehyde (GA);
  • Immobilization via tagged enzymes and corresponding ligands on the carrier particles for example (preferred) His-tagged enzymes and particles with imminodiacetic acid ligands or enzymes and particles that form a covalent bond via the so-called spytag/spycatcher technology during immobilization;
  • particles such as (preferred) hydrogel particles; particulate enzyme immobilizates that can be synthesized by cross-linking the enzymes, e.g. cross-linked enzyme aggregates (CLEAs).
  • CLSAs cross-linked enzyme aggregates
  • carrier particles known in the art are suitable as carrier particles for the first three variants mentioned; in particular, they can be both porous and non-porous in nature. Their chemical character can be polymer based, mineral based or a combination of these.
  • the carrier particles are selected from the group consisting of carriers made of agarose, dextran, chitosan, gelatin, alginate, Polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polystyrene, silica, iron oxides, aluminum oxides, organometallic cage compounds or mixtures thereof.
  • the immobilized catalysts are biocatalysts, in particular enzymes.
  • any enzyme can be used within the scope of the present invention.
  • the enzymes are selected from the group consisting of oxidoreductases, transferases, hydrolases, lyases, isomerases, ligases, translocases, and mixtures thereof.
  • the reactors according to the invention are particularly preferably enzyme membrane reactors; however, the present invention is not limited thereto.
  • the first region arranged between the two other regions has retaining devices, preferably frits, for the catalyst particles on its fluid supply devices and fluid discharge devices.
  • these restraining devices can be openable or exchangeable. In this way, for example, catalyst beds can then be easily removed and replaced, for example with new but identical or new but different or also regenerated catalyst beds.
  • the respective fluid supply devices and the respective fluid discharge devices are also configured to be switched and regulated independently of one another. This enables particularly good control over the currents. For example, this can prevent the end of the upper area facing away from the inflow from "running empty” if the inflow is too low, or it can be achieved that a sufficiently high supply pressure in a lower area results in a good flow through to the upper area, or other effects can be achieved.Combined effects can also be achieved.
  • flow-influencing internals such as baffle plates or support grids, in the various areas, each independently of other areas. This can, for example, further improve or regulate the mixing of fluid components.
  • a preferred embodiment of the present invention relates to an enzyme membrane reactor comprising, or consisting of, a) three flow areas arranged in layers one above the other, each of which is separated from one another by semipermeable membranes, b) at least one fluid supply device per area, c) at least one fluid discharge device per area, wherein the reactor is configured in such a way that the flow direction in the first area arranged between the two other areas is opposite to the flow direction in the two other areas, characterized in that in the first area arranged between the two other areas as immobilized catalyst particles on carrier materials, preferably selected from the group consisting of fibers, particles, in particular microparticulate particles, lattice structures or mixtures thereof, immobilized enzymes are arranged.
  • the fluid supply devices and the fluid discharge devices are attached to the respective ends of the regions of the reactor.
  • the reactors according to the invention or their components are produced by means of 3D printing.
  • the reactor housing and/or the support for immobilizing the catalyst particles is produced by means of 3D printing and corresponding semipermeable membranes not produced by 3D printing are inserted into the housing.
  • the reactors according to the invention each have one or more further feed devices for all or individual, preferably all, of the first region adjacent areas. Fluids can then also be supplied via these further supplies. These fluids, each independently, may be the same fluids as those in the other feeds mentioned, or different.
  • these additional feeds are arranged upstream, seen from the discharge of the first region.
  • the reactor is designed in such a way that downstream, seen in the direction of flow of the first region, an area is provided from the additional feeds which is free of immobilized catalyst.
  • appropriate retaining devices for the immobilized catalyst can be provided in the first area.
  • all feeds to the reactors according to the invention are configured in such a way that they can be switched (used) independently of the other feeds and independently of the discharges.
  • At least two reactors according to the invention are connected in series.
  • the reactions carried out can be made even more effective, for example.
  • conventional apparatus such as preferably fluid washing devices, fluid separators, heat exchangers or the like, can be arranged between two reactors according to the invention.
  • the feed devices to the respective reactors can be the same or different and feed the same or different fluids. In this way, it is also possible to carry out staged reactions separately according to stages using a plurality of reactors according to the invention connected in series, which entails a considerable increase in controllability.
  • conventional apparatus such as preferably fluid washing devices, fluid separators, heat exchangers or the like, can be arranged between two reactors according to the invention.
  • the feed devices for the respective reactors can be the same or different and feed in the same or different fluids. In this way, it is also possible to carry out staged reactions separately according to stages using a plurality of reactors according to the invention connected in series, which entails a considerable increase in controllability.
  • reactors according to the invention with reactors which are not according to the invention, even if a number of reactors according to the invention are connected in series and/or in parallel.
  • Another object of the present invention is an automated reactor system comprising at least two reactors according to the invention and at least one control and monitoring device; the automated reactor system of the present invention is thus distinguished by the control and monitoring device(s) from the other reactor systems of the invention where the control (and control) is manual.
  • a special feature of the reactor systems according to the invention and automated reactor systems according to the invention is that buffer changes can take place simultaneously with the reaction along the flow path in the middle (first) area directly in the reactor.
  • a further object of the present invention is a method for the catalytic conversion of a substrate, with a substrate solution being passed as the first fluid into a reactor in and through a first region arranged between two other regions, preferably uniformly and continuously, independently of fluid supplies to the other regions a solution that is based on the same solvent as the substrate solution or is miscible with this solvent is introduced as the second and third fluid alternately into the other areas, with the same or opposite direction of flow to the first fluid.
  • an immobilized catalyst is arranged in the first zone and the first zone is separated from the other zones by membranes, preferably semipermeable membranes, and that the membranes are configured for the substrate, the main product and the catalyst to be impenetrable.
  • auxiliaries and undesired by-products can pass through the membranes.
  • the designation second and third fluid refers to the fact that these fluids are conducted into a second and third area.
  • the second and third fluids can be the same or different.
  • miscible with this solvent means that the solution is at least 1:2 miscible with the solvent in the first region without phase separation or precipitation.
  • the fluid is fed into the first area in countercurrent to the direction of flow in the two adjacent areas.
  • the reaction (of the respective reactants) is carried out in a reactor according to the invention, a reactor system according to the invention or an automated reactor system according to the invention.
  • immobilized enzymes are used as catalyst in the first area arranged between two other areas.
  • the second and third fluids supplied are the same or the same and pure solvent, or contain one or more elements selected from the group consisting of the same or different solvent as the solvent in the first region, excipients, buffers , cocatalysts, cofactors, other reactants, other reactants, and mixtures thereof.
  • a buffered enzymatic reaction takes place in the first area, buffer solution, preferably containing other substances, is subsequently supplied via the inlets of the other areas and any depleted buffer solution is removed through the outlets of the other areas. It is also preferred if all areas are filled with fluid during operation.
  • the fluid is supplied alternately in (the) two areas adjoining the first area (the (both) adjoining areas are thus alternately supplied with fluid and not supplied).
  • the alternating supply can take place by switching the supply with a predetermined time, for example every 30 seconds or every 5 minutes, or be triggered by measured values, for example falling or rising pH value, or also be carried out manually.
  • a solution exchange via the semipermeable membranes is carried out in parallel with an enzymatic reaction taking place in the first region.
  • an auxiliary stream is additionally supplied to all or individual, preferably all, regions adjoining the first region at a further point in each case. This respective additional auxiliary stream can be the same as or different from the other auxiliary streams.
  • This additional supply makes it possible, for example (seen in the direction of flow of the stream in the first region) to achieve further dilution or purification downstream.
  • these additional feed devices can be used, for example, to supply exchange buffer with an auxiliary for the reaction in the middle region (the first region), while exchange buffer or just solvent can be supplied via the feeds arranged at the ends of the reactor according to the invention for product cleaning and formulation in the area of the product flow (the product discharge).
  • a section in which there is no immobilized catalyst, preferably no catalyst, can be provided downstream of the further feeds (seen in the flow direction of the first region) in the middle (first) region of the reactor according to the invention, in particular if this constellation/process control is intended for this purpose to clean the product in this section.
  • a retaining device for the (immobilized) catalyst can be used in the first region, in particular at the level of the additional feed devices.
  • the present invention also relates to uses of the reactors according to the invention, the reactor systems according to the invention, the automated reactor systems according to the invention.
  • the present invention makes it possible to supply further reactants in a targeted manner, which then pass through the semi-permeable membrane into the reaction area or just as well to remove by-products which are transported away from the reaction area through the semi-permeable membranes.
  • diffusion/diffusion is occasionally spoken of in relation to substances and their passage through the semi-permeable membranes, this includes the flow-induced substance flow (convective substance flow), which is otherwise included in the As a rule, the main part of the amount of substances passing through the membranes is caused by auxiliary substances or by-products.
  • Some preferred variants of the present invention relate to the use for the production of fine chemicals, preferably caprolactone by oxidation of cyclohexanone.
  • oligosaccharides in particular the enzymatic production of oligosaccharides, glycans, glycoconjugates, therapeutic glycoproteins or hyaluronic acids.
  • Still other preferred variants of the present invention relate to the use for enzymatic reactions that use H2O2, in particular hydroxylations, epoxidations, halogenations or Baeyer-Villiger oxidations.
  • the present invention makes it possible to connect one or more reactors, in particular enzyme membrane reactors, to one another sequentially and thus to carry out complex, multi-stage enzymatic cascades continuously and thus optimally synthesize new, sophisticated products.
  • the present invention makes it possible to obtain an EMR system which optimally fulfills the partial functions of enzyme immobilization and integrated product purification with continuous flow.
  • the enzyme is immobilized in/on/on in the enzyme membrane reactor (EMR) pumpable, particulate or fibrous carrier materials, and
  • EMR enzyme membrane reactor
  • a further advantage of the present invention is that an additional purification, concentration or rebuffering of the product of enzymatic reactions can take place.
  • a further advantage of the present invention is that the buffer exchange required for optimum operation of a downstream reactor in a reactor cascade can already be achieved in the outflow area of an upstream reactor by means of auxiliary material supplied.
  • One advantage of the present invention is that cofactors (additional starting materials for the reaction, such as oxygen or hydrogen peroxide) that are still required for the reaction are supplied to the (reaction) system via a flushing solution that is supplied to a second or third area and, in addition, components can be discharged from the respective third or second area.
  • Another advantage of the present invention is that three flow areas are used. This makes it possible to feed in the reactants in the first and to convert them to product by means of an immobilized catalyst.
  • Components of a rinsing solution can reach the reaction area from a second area, for example through the membrane, in order to supply auxiliary substances here, for example, or to bring about a change in the reaction medium.
  • Undesirable substances that have passed through the membrane, for example can then be discharged via a third area; for example, one area (the second) can be responsible for the supply of an excipient and another area (the third) for the removal of the used excipient or contaminants. This was not possible with the prior art reactors.
  • the reactor according to the invention which can also be referred to as a reactor module according to the invention or simply as a module according to the invention, comprises two side parts and a central part, all of which have a channel structure through which solutions can flow; the side parts and the middle part are the areas defined above, the middle part being the first area.
  • a membrane is arranged between the side parts and the middle part, ie the module according to the invention has two membranes arranged in parallel, which delimit the middle channel (first area) at the top and bottom.
  • the support materials with the immobilized catalysts, in particular enzymes, are located in this middle channel.
  • the feed solution with the dissolved substrate (educt) enters the region of this middle channel at one end and the product solution, which has been purified if necessary, exits at the other end of the middle channel.
  • the supplied substrate molecules are continuously converted into the desired product by the immobilized catalysts, in particular enzymes.
  • the buffer (buffer solution) of the middle channel is replaced by new buffer (new buffer solution), which is also continuously fed through a membrane delimiting the middle channel, this buffer from the fluid feed to one of the adjacent areas (into one of the side parts) originates.
  • the original buffer to be exchanged in the central channel area is simultaneously discharged via the second limiting membrane (into the third area or the other side part).
  • the gradual exchange of buffers means that auxiliaries can be added continuously which, for example, would be harmful to the catalyst, in particular an enzyme, if they were added directly to the inflowing substrate stream due to the high local concentration (e.g. hydrogen peroxide in the connection with the use of peroxygenases).
  • auxiliaries can be added continuously which, for example, would be harmful to the catalyst, in particular an enzyme, if they were added directly to the inflowing substrate stream due to the high local concentration (e.g. hydrogen peroxide in the connection with the use of peroxygenases).
  • Another important option for gradual buffer exchange in the context of the present invention is the removal of unwanted by-products of the reaction (if they occur), which makes it possible for the target product to enter the reactor according to the invention in a purified form in an optimal manner for storage or a subsequent reaction Exchange buffer exits.
  • the set (continuous) substrate flow in the first area (the middle channel) and the volume flow of the exchange buffer penetrating through the membranes are completely independent of one another and freely selectable;
  • the volume flow exiting through the second membrane can be greater than the volume flow of new buffer entering through the first membrane, which means that, in addition to an exchange of the buffer solution, the product formed is also concentrated in the first area (the middle channel), which is often advantageous can be.
  • the buffer exchange process achieves very good efficiencies, i.e. the amounts of new buffer required for a more than 99% exchange are only in the range of 2 to 5 times the flow rate of the middle channel (of the first area).
  • the countercurrent principle is achieved in that the exchange buffer enters at the end of the reactor according to the invention (module end) at which the solution exits from the central channel (the first region).
  • the end of the middle flow channel is in contact with the inlet of the pure exchange buffer, as a result of which, for example, the last residues of the undesired by-product can be flushed out.
  • membrane module according to the invention membrane module according to the invention
  • its mode of operation ie the method according to the invention
  • an accumulation of particles e.g. from not completely fixed enzyme carriers or aggregations of substances
  • the system can cyclically change the flow direction of the membrane switch without having to interrupt the center channel's pump current.
  • the switching can be done, for example, with the help of multiport valves, whereby the inflow, for example of exchange buffer, can take place either in the upper or in the lower module part (the areas adjoining the first area).
  • the reactor system according to the invention or the automated reactor system according to the invention has devices for independently feeding the substrate stream into the middle flow area (the first area), the product stream exiting from this area and the volume flow of the exchange buffer (which would be fed into at least one adjacent area). to control each other.
  • the direction of flow (for example switched from top to bottom to from bottom to top) can be switched through the two membranes and thus their respective role (see above) during the process or during operation. This prevents the permanent formation of a concentration polarization or fouling layer due to substances accumulated on the membrane surface, such as in particular product and/or enzyme carrier particles.
  • An essential feature of the present invention is that the catalysts, in particular enzymes, are not fixed in or on the membranes (semipermeable membranes) (as in the case of the bi- or trilayer membranes of the prior art).
  • the catalysts in particular enzymes, are not immobilized on or in the membranes, in particular semipermeable membranes.
  • the membranes cannot stop mobile catalyst particles (enzyme particles), especially if they are supported - because such particles can accumulate in front of/at the respective membrane under sustained flow - but that the catalyst particles are not connected to or bonded to the membrane, so that the particles become detached from the respective membrane again if the flow ceases or the direction of flow reverses.
  • the catalyst particles in particular enzymes, are rather immobilized in the first area (ie the central area/channel in the case of three layers arranged one above the other).
  • the reactor according to the invention then preferably has retaining devices at its ends retain the immobilized particles inside the first region.
  • This variant enables the catalyst particles/enzyme carrier to be replaced quickly and easily if the catalysts/enzymes become increasingly inactive over the course of the period of operation. To do this, the module does not have to be dismantled and no membranes have to be replaced.
  • further structures can be arranged in the first region, such as lattice or sieve structures, which additionally immobilize the supported catalyst particles.
  • a substrate stream with e.g. 1 mol/L feed concentration becomes a product stream with a concentration of 2 mol/L with a complete 1:1 conversion to product according to this example, since the solvent volume draining from the middle channel has halved.
  • the reactor module according to the invention can, in variants, consist of three parts, including two side parts through which, for example, a diafiltration buffer or permeate flows, and a central part containing the feed inlet and the retentate outlet.
  • the reactors according to the invention can have different dimensions; the present invention is thus not limited to specific sizes of the reactors.
  • the present invention can be used or applied to all products that are produced biocatalytically.
  • products that require other reactants in addition to the main substrate as well as products that are generated via enzyme cascades with disruptive by-products.
  • the individual parts of the devices/systems according to the invention are functionally connected to one another in a manner known and customary in the art.
  • FIG. 1 shows an illustrative membrane reactor R according to the invention.
  • This figure shows a variant according to the invention in which three fluid channels or regions 2, 2a, 3 are arranged one above the other. Between these are each (semipermeable) membranes 1, 1a.
  • the immobilized catalyst preferably enzyme, is arranged in the middle area 3 . Flow directions for the individual streams are also indicated (which do not have to be in the indicated direction in all variants of the invention).
  • a substrate or substrate mixture stream S is introduced from the left, flows to the right through region 3 and exits the reactor on the right as a discharge of the product P-; here, as with the other streams in the figures, the plus sign means a supply and the minus sign means a drain.
  • auxiliary stream B which can be a buffer solution, for example; this is illustrated by the solid line arrow.
  • Arrows shown with solid lines illustrate here that these are the switched (used) inlets and outlets.
  • the arrows shown with dashed lines mean alternative inlets and outlets. These can be switched (used) in alternation with the others (with the solid lines).
  • the flows supplied in each case can be the same or different. It is therefore possible either to maintain a switching position and thus a direction of flow through the membranes during the entire operation, or to change this position, in particular cyclically, during operation.
  • FIG. 2 shows a reactor R according to FIG. 1, but here the flow path SW of an auxiliary flow B′ is illustrated in a highly schematic manner, as it occurs when the switching position for the feeds is changed cyclically during operation.
  • the excipient B' initially flows to the left into the area 2a. then passes through the membrane la in the middle region 3 and is pushed back there by the opposite flow of the product stream S back to the right.
  • the flow of B' orthogonal to the flow of P is not zero, so that B' reaches the other semipermeable membrane 1 and enters the region 2.
  • the volume passed through the first area (middle channel) (right axis) is compared to the measured UV signal (vertical axis, left ) or the simultaneously measured pH value (vertical axis, right).
  • the flow rates Q for the substrate flow (QF) and the buffer flow (QP) are each indicated with double arrows, which illustrates the range in which the stated flow rate is present.
  • FIG. 4 shows the pH and UV signal curve plotted against the volume passed through in the outflow of the central channel according to example 2 and corresponds in principle; except for the data, the chart of Figure 3 (Example 1).
  • FIG. 5 schematically shows the interconnection of two reactors R according to the invention to form a reactor system RS, in particular for an enzyme cascade.
  • substrate (mixture) S is fed from the left into the middle region with immobilized catalyst 3 of the left reactor Rimks.
  • the discharge of the product from the first (left) reactor is carried out as a new substrate (mixture) in the middle area with immobilized catalyst 3 of the right reactor R right hts (for the sake of clarity in the figure only shown as an arrow, without labeling) and then discharged as the final product P from the right reactor Rrechts to the extreme right.
  • Auxiliaries B′ are fed from the right to the right-hand reactor Rright and auxiliary materials B are fed analogously to the left-hand reactor Ri in ks between the two reactors.
  • waste (products/solution) W is discharged from the left reactor Rimks.
  • Undesired by-products BP flushed out of the right-hand reactor Rright can still be discharged between the reactors.
  • the respective supply devices for the auxiliary materials to the reactor Ri in ks or Rrechts each comprise (multiport) valves V, with which the supply to the upper and/or lower areas 2, 2a can be regulated so that either in the upper area , or the lower area, or in both areas excipients can be added; the discharge devices can also be equipped with such valves (shown in the figure only for the waste W but not for the by-products BP).
  • FIG. 6 shows a further variant of the reactors R according to the invention. The reactor R shown corresponds to the reactor R shown in FIG.
  • the flow path SW which is already shown very schematically, does not change in principle, it can only be “flattened” or “pressed in” a little in the area of the additional feeds, since the flows B" or B'" exert a certain back pressure/side pressure; however, this is not illustrated for the sake of simplicity.
  • These additional feed devices can be used, for example, to feed exchange buffer with an auxiliary B" for the reaction in the central area (the first area), while the feeds for B or B' arranged at the ends of the reactor R can be used, for example, for exchange buffer or just solvent for product purification and formulation in the area of the product outlet (the product discharge).
  • a section can be provided in which there is no immobilized catalyst, preferably no catalyst, particularly when this constellation/procedure is intended to purify the product in this section.
  • B' second excipient (stream) (solvent/diluent/buffer/co-
  • Stream in connection with a substance stream means in each case a discharge of a stream, possibly depleted in (individual) ingredients and possibly enriched with other ingredients/reaction products from another stream
  • the lattices exhibited anisotropic structures in which, in the x-direction (if the reactor is thought of in a Cartesian coordinate system), the fluid flow through about 80 cubic chambers of about 3 x 3 x 2 mm 3 with narrow windows of about lxl mm 2 in the walls between the chambers had to step; and wherein the lattice had short, fully open, square channels in the y-direction with no obstructions to fluid flow.
  • the module was integrated into an FPLC system ( ⁇ kta Purifier UPC 10, GE Healthcare, Uppsala, Sweden) with an additional sampling pump and online detectors for UV/Vis adsorption, conductivity and pH.
  • an (enzyme) membrane reactor module according to the invention was produced for the laboratory scale by means of 3D printing. 1, the module consisted of a central part (the first area) and two side parts (the adjacent areas), each of which had a flow channel with dimensions of 50 ⁇ 20 ⁇ 2 mm 3 . A support structure through which a flow could flow was located within the flow channels. A partially permeable (semipermeable) membrane was located between the central part and the side parts, which separated the flow channels (areas) from one another.
  • the support structure within the channels served not only to direct the flow but also as a mechanical support for the two membranes.
  • the middle channel of the module was filled with 0.2 g of enzyme-loaded microparticles (diameter ca. 30 pm) with an esterase loading of 20 mg enzyme per gram of microparticles (esterase of EC number 3.1.1.1 on PureCube Ni-IDA MagBeads).
  • the module according to the invention described was connected to an FPLC system ( ⁇ KTA purifier UPC 10, GE Healthcare, Uppsala, Sweden). Additionally additional sensors were installed to record the pressure and to measure the accumulated masses of the inflow and outflow streams. This combination enabled detailed and precise control of the operating conditions as well as online monitoring of the most important process parameters.
  • the three piston pumps of the FPLC system guaranteed pressure-independent control of the feed flow of the substrate solution, the discharge flow of the product formed, and the feed flow of the fresh buffer solution to regulate the pH value.
  • the effluent flow of the spent buffer resulted automatically from the incompressibility of the aqueous medium and the mass balance.
  • the sensors of the FPLC system also enabled online monitoring of the pH value and monitoring of the product concentration in the module flow via the UV adsorption of the para-nitrophenol.
  • a solution of 4 mM pNPA in TBS buffer (100 mM, pH 7.8) was pumped continuously through the middle channel (first region) of the enzyme membrane reactor at a flow rate (QF) of 1 ml/min.
  • the product solution was also discharged at a flow rate (QP) of 1 ml/min via the drain (fluid discharge device) of the middle channel.
  • a TBS buffer solution (500 mM, pH 7.8) was conveyed at 0.3 ml/min into the upper side part and used buffer solution was drained from the lower side part at the same volume flow.
  • the direction of flow of the buffer solution in the side parts was countercurrent to the direction of flow of substrate and product in the middle channel (the first region) of the (enzyme membrane) reactor.
  • the flow rate of the substrate feed (Q F ) was reduced to 0.75 ml/min in order to achieve higher substrate conversions and thus higher product concentrations through a slightly longer residence time.
  • reducing the flow rate led to a significant increase in the UV signal.
  • the higher substrate conversions led to a slight drop in pH due to the increased formation of acid.
  • the continuous supply of fresh buffer solution which is possible in the (enzyme membrane) module according to the invention also made possible continuous operation in the optimum pH range of 7.8 under these conditions.
  • the inventive (enzyme membrane) reactor was first operated with the same substrate and buffer solutions at a flow rate of the substrate solution (Q F ) of 1 ml/min and a flow rate of the buffer solution (Q P ) of 0.3 ml/min. Accordingly, the UV and pH curve initially resembles the curve described in Example 1 (a corresponding diagram is reproduced as FIG. 4). At the start of product formation, there was a brief drop in pH, but this was quickly compensated for by the buffer flow fed through the membrane. In the further course, however, the para-nitrophenol formed in addition to octanoic acid was regarded as an undesirable by-product.
  • the buffer solution to substrate feed volume flow ratio was increased to a value of 2 from a throughput volume of 33 ml.
  • the flow rate of the substrate solution (Q F ) was reduced to 0.5 ml/min, while that of the buffer solution (Q P ) was increased to 1 ml/min.
  • the countercurrent principle implemented within the (enzyme) reactor and the simultaneous supply and removal of fresh buffer solution or buffer solution enriched with the contaminants via two separate membranes led to the desired strong depletion of the model contaminants in the effluent, recognizable by the rapid and severe decrease in UV signal.
  • the decrease in the UV signal went far beyond the level that would result from a pure dilution of the para- Nitrophenols would result by adding the buffer solution in the stated ratio.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Reaktoren umfassend zumindest drei konzentrisch umeinander oder in Lagen übereinander angeordnete Strömungsbereiche, die jeweils voneinander durch Membrane getrennt sind, mit mindestens zwei Fluidzuführvorrichtungen und mindestens zwei Fluidabführvorrichtungen, wobei der Reaktor so konfiguriert ist, dass die Strömungsrichtung in einem ersten, zwischen zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich im Gleichstrom mit oder entgegengesetzt der Strömungsrichtung in den beiden anderen Bereichen ist, eine Fluidzuführvorrichtung und eine Fluidabführvorrichtung mit dem ersten Bereich verbunden sind, und die weiteren Fluidzuführvorrichtungen und Fluidabführvorrichtungen mit den anderen Bereichen verbunden sind, und im zwischen den zwei anderen Bereichen angeordneten ersten Bereich immobilisierte Katalysatorteilchen angeordnet sind; ferner auf diesem Prinzip basierende Reaktorsysteme, Verfahren und Verwendungen.

Description

KATALYTISCHER MEMBRANREAKTOR
Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated by reference in their entirety).
Die vorliegende Erfindung betrifft Reaktoren mit mehreren voneinander durch Membranen unterteilten Strömungsbreichen, deren Verwendung und Verfahren zur katalytischen Umsetzung von Substraten.
Stand der Technik:
Im Zuge der Bioökonomie finden enzymatische Biosynthesen zunehmend industrielle Bedeutung. Wichtige Anwendungen finden sich in den Bereichen der Lebensmittelindustrie, der Synthese von Feinchemikalien und in der pharmazeutischen Industrie. Meistens werden die Reaktionen in einem klassischen Batch-Reaktor in einer zyklischen Verfahrensweise durchgeführt. Bei dieser klassischen Verfahrensweise geht das Enzym in der Regel am Ende der Reaktion verloren. Um dies zu vermeiden wurde bereits vor ca. 50 Jahren das Grundkonzept des Enzymmembranreaktors (EMR) entwickelt. Ein EMR besteht aus einer Kopplung eines Membrantrennverfahrens mit einer enzymatischen Reaktion. Die selektive Membran dient dazu, den Biokatalysator von den Reaktionsprodukten zu trennen. Das Hauptziel des EMR besteht darin, die vollständige Abtrennung des Enzyms zu gewährleisten, um die volle Aktivität im Reaktionsvolumen zu erhalten. Je nach Ausführung können die Enzymmoleküle auf der Retentatseite frei zirkulieren oder auf der Membranoberfläche oder innerhalb ihrer porösen Struktur immobilisiert sein.
Im Falle eines EMR mit freien, gelösten Enzymen wird der Biokatalysator von einer Ultrafiltrationsmembran zurückgehalten, während das Produkt diese Membran passieren kann. Wird der EMR als Dead-End-Filtration betrieben, reichert sich das Enzym schnell über der Membranoberfläche an, was zu Konzentrationspolarisation und potentiellem Fouling führt. Außerdem führt die entsprechende Verarmung des Enzyms im Bulkvolumen des Reaktors zu verringerten Umsatzraten und Ausbeuten/space-time-yield STY. Der Cross-Flow-Betrieb der EMRs und das Recycling der Reaktionslösung in einer Schleife reduziert die Konzentrationspolarisation, jedoch ist das Konzept nur bedingt für die Realisierung von kontinuierlichen Fluss-Enzymkaskaden geeignet, insbesondere wenn die beteiligten Substrate und Produkte von vergleichbarer Größe sind. Im Falle eines EMR mit in der Membranmatrix immobilisiertem Enzym kommt es zu keiner Konzentrationspolarisation, jedoch ist die Kontaktzeit zwischen dem die Membran passierenden Substrat und dem immobilisierten Enzym bei kontinuierlichen Single-Pass-Systemen sehr kurz, was die erreichbaren Durchsätze und Ausbeuten reduziert. Daher werden in den meisten wissenschaftlichen und industriellen EMR- Anwendungen Systeme des ersten Typs mit freien Enzymen verwendet. Meistens wird eine Kombination aus kontinuierlich gerührten Tankreaktoren (CSTR) und kommerziellen Membranfiltrationseinheiten verwendet, jedoch ist eine solche Kombination weit entfernt von einer optimalen EMR-Einheit mit integrierter Produktaufreinigung und/oder Pufferwechsel.
Ein Dokument des Standes der Technik, betreffend eine Form von EMR, bei der Substrat, Produkt sowie gelöstes Enzym zirkulieren, ist die WO 2021/186148 Al. Aus der US 2015/0118118 Al sind Reaktoren bekannt, bei denen genau zwei Bereiche voneinander per Membran getrennt sind. Ferner könnten noch die US 4,786,597, die WO 2006/034100 Al, die WO 2004/022480 A2, die US 7,537,738 B2 oder die US 5,449,848 als Stand der Technik genannt werden.
Es existieren ausgehend vom bekannten Stand der Technik noch weitere Verbesserungspotentiale, insbesondere ermöglicht der bisherige Stand der Technik nicht in zufriedenstellender Art und Weise die Durchführung komplexer, insbesondere mehrstufiger Reaktionen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher im Hinblick auf den Stand der Technik verbesserte Reaktoren für katalytische Umsetzungen zur Verfügung zu stellen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik umgangen werden und besonders gute Ergebnisse erzielt werden können.
Weitere Aufgabenstellungen ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung.
Gelöst werden diese und andere Aufgaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff «umfassen» jeweils als besonders bevorzugte Ausgestaltung auch «bestehend aus» ein; das heißt eine entsprechende Liste kann neben den explizit genannten Elementen auch weitere Elemente enthalten (= umfassen), oder sie kann genau diese Elemente enthalten (=bestehen aus) (wobei unwesentliche Elemente wie Schrauben, Markierungen etc. nicht berücksichtig sind).
Bei relativen Angaben wie oben, unten, links, rechts oder Ähnlichem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bezugssystem von einem aufrecht auf dem Erdboden vor dem diskutierten Objekt stehenden Beobachter ausgegangen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „und/oder" dass beide in dem Zusammenhang genannten Elemente jeweils einzeln als auch die Kombination der in dem Zusammenhang genannten Elemente umfasst ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle Mengenangaben, sofern nicht anders angegeben, als Gewichtsangaben zu verstehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Umgebungstemperatur" eine Temperatur von 20°C. Temperaturangaben sind, soweit nicht anders angegeben, in Grad Celsius (°C).
Sofern nichts anderes angegeben wird, werden die angeführten Reaktionen bzw. Verfahrensschritte bei Atmosphärendruck, d.h. bei etwa 1013 kPa durchgeführt.
Zunächst ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Reaktor umfassend, oder in Varianten bestehend aus, zumindest drei, oder in Varianten auch mehr als drei, zum Beispiel vier, fünf, sechs, sieben oder noch mehr, konzentrisch umeinander oder in Lagen übereinander angeordnete Strömungsbereiche, die jeweils voneinander durch Membranen, bevorzugt semipermeable Membranen, getrennt sind.
Dabei ist es in Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn der Reaktor genau drei Bereiche aufweist.
Weiterhin ist es in Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn die Bereiche schichtartig übereinander angeordnet sind.
Semipermeable Membranen sind Membranen deren Poren nur für einen Teil der in den Bereiche fließenden Stoffe durchlässig sind, also nur Moleküle unterhalb einer bestimmten Molmasse bzw. Kolloide oder Partikel unterhalb einer bestimmten Größe durchgelassen werden. Im Falle von Nanofiltrationsmembranen spielen zudem die elektrische Ladung der Moleküle sowie deren hydrophiler bzw. hydrophober Charakter eine Rolle für den Rückhalt durch die Membranen. Im einfachsten Fall bedeutet dies, dass die jeweilige Membran das Lösungsmittel, aber nicht den gelösten Stoff durchlässt. Dieses Prinzip ist dem Fachmann wohlbekannt. Insofern ist die Auswahl entsprechender Membranen durch den Fachmann, gegebenenfalls in Abhängigkeit von den gewünschten in dem erfindungsgemäßen Reaktor durchfzuführenden Reaktionen für den Fachmann klar und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
Beispiele für geeignete Membranen sind u.a. Nanofiltrationsmembranen bestehend aus Polyamid-Dünnfilmkompositen mit einer Molekulargewichtausschlussgröße (molecular weight cut off - MWCO) von z.B. 150, 300 oder 700 Dalton (Da). Weitere übliche Nanofiltrationsmembranen bestehen z.B. aus Polypiperazinamid oder Celluloseacetat, ebenfalls mit MWCO-Werten zwischen 150 und 1000 Dalton. Geeignete Ultrafiltrationsmembranen umfassen u.a. solche aus Polyamid Dünnfilmkompositen, Polyethersulfonen oder Polyacrylonitril mit MWCO Werten von 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da bis hin zu 50000 Da oder mehr.
In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden die eingesetzten Membranen daher ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Nanofiltrationsmembranen bestehend aus Polyamid-Dünnfilmkompositen mit einer Molekulargewichtausschlussgröße von 150, 300 oder 700 Dalton, Nanofiltrationsmembranen aus Polypiperazinamid mit MWCO-Werten zwischen 150 und 1000 Dalton,
Nanofiltrationsmembranen aus Celluloseacetat mit MWCO-Werten zwischen 150 und 1000 Dalton,
Ultrafiltrationsmembranen aus Polyamid-Dünnfilmkompositen mit MWCO Werten von 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da bis hin zu 50000 Da, oder Ultrafiltrationsmembranen aus Polyamid-Dünnfilmkompositen mit MWCO Werten von mehr als 50000 Da,
Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfonen mit MWCO Werten von 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da bis hin zu 50000 Da, oder Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfonen mit MWCO Werten von mehr als 50000 Da, und
Ultrafiltrationsmembranen aus Polyacrylonitril mit MWCO Werten von 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da bis hin zu 50000 Da, oder Ultrafiltrationsmembranen aus Polyacrylonitril mit MWCO Werten von mehr als 50000 Da.
Die jeweiligen Membranen können dabei gleich oder verschieden sein. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Membranen zwischen dem ersten Bereich und den beiden angrenzenden Bereichen gleich sind. In manchen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Membranen zwischen dem ersten Bereich und den beiden angrenzenden Bereichen unterschiedlich sind, insbesondere dann, wenn keine Umkehrung der Durchströmungsrichtung der Membran im laufenden Betrieb vorgesehen ist.
Die erste Membran dient in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der kontrollierten Zufuhr einer Austauschlösung in den ersten (mittleren) Bereich (Strömungskanal), in dem sich der immobilisierte Katalysator (das immobilisierte Enzym) befindet und in dem die katalytische Umsetzung (Reaktion des Substrats zum Produkt) stattfindet. Die zweite Membran dient in diesen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der simultanen, kontrollierten Abfuhr von Lösungsmittel aus dem ersten (mittleren) Bereich (Strömungskanal). Gleichzeitig hält die Membran das Produkt zurück. Auch bei einer intermittierenden Wechselung der Zuführung vom zweiten in den dritten Bereich (oder umgekehrt) trifft dies zu, nur dass dann lediglich die Strömungsrichtung quer zu der Strömungsrichtung durch den ersten Bereich umgekehrt wird und die beiden Membranen ihre Rolle tauschen.
Der erfindungsgemäße Reaktor weist darüber hinaus mindestens zwei Fluidzuführvorrichtungen und mindestens zwei Fluidabführvorrichtungen auf, wobei eine Fluidzuführvorrichtung und eine Fluidabführvorrichtung mit dem ersten, in den bevorzugten Ausführungsformen mit drei Bereichen zwischen den anderen Bereichen liegenden, Bereich verbunden sind und die weiteren Fluidzuführvorrichtungen und Fluidabführvorrichtungen mit den anderen Bereichen verbunden sind.
Es ist zu beachten, dass die jeweiligen Fluidzuführungsvorrichtung oder Fluidabführungsvorrichtungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus mehreren einzelnen Kanälen/Röhren etc. bestehen können. Weiterhin kann jede dieser Vorrichtungen Regel- und/oder Drosselklappen aufweisen. Dadurch lassen sich die zu- beziehungsweise abgeführten Fluidmengen (zusätzlich zu Regelung über Druck etc.) noch genauer regeln und gegebenenfalls Vermischungen einzelner Komponenten vereinfachen.
Es ist im Rahmen der vorliegende Erfindung ebenfalls in manchen bevorzugten Varianten möglich, dass jeder Bereich mehr als eine Fluidzuführungsvorrichtung beziehungsweise Fluidabführungsvorrichtung aufweist.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist der erfindungsgemäße Reaktor mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, und mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich auf.
Weiterhin ist der erfindungsgemäße Reaktor so konfiguriert, dass die Strömungsrichtung in einem (dem) ersten, zwischen (den) zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich im Gleichstrom mit oder entgegengesetzt der Strömungsrichtung in den beiden anderen Bereichen ist.
Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus, dass im zwischen den zwei anderen Bereichen angeordneten ersten Bereich des erfindungsgemäßen Reaktors immobilisierte Katalysatorteilchen angeordnet sind.
Die zu- und abgeführten Fluide sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt Flüssigkeiten, das heißt Stoffe oder Stoffgemische, die bei den jeweiligen Betriebsbedingungen des Reaktors, zum Beispiel einer Betriebstemperatur zwischen 5°C und 80°C und Atmosphärendruck, flüssig sind.
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch prinzipiell auch möglich, (bei Atmosphärendruck oder höherem oder niedrigerem Druck oder höheren oder niedrigeren Temperaturen) gasförmige Fluide einzusetzen.
Insbesondere bevorzugt sind die zu- und angeführten Fluide im Rahmen der vorliegenden Erfindung wässrige Lösungen.
Wie dargestellt weist der erfindungsgemäße Reaktor mindestens zwei Zu- und Abführvorrichtungen für Fluide auf.
In einigen Varianten der vorliegenden Erfindung, bei dem der erfindungsgemäße Reaktor drei Bereiche aufweist, ist es bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße Reaktor mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, und mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich aufweist. Dadurch lässt sich insbesondere bei Gegenstromführung, also wenn die Strömungsrichtung in dem ersten, zwischen den anderen Bereichen liegenden Bereich entgegengesetzt zu der der beiden äußeren Bereiche ist, eine besonders gute Durchmischung, der durch die Membranen durchtretenden Stoffe, erreichen.
In anderen Varianten der vorliegenden Erfindung, bei dem der erfindungsgemäße Reaktor drei Bereiche aufweist, ist es bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße Reaktor eine Fluidzuführvorrichtung und eine Fluidabführvorrichtung für den ersten, zwischen den anderen Bereichen liegenden Bereich, aufweist und eine Fluidzuführvorrichtung für den oberen Bereich (aber keine Fluidabführvorrichtung) und eine Fluidabführvorrichtung für den unteren Bereich (aber keine Fluidzuführvorrichtung) aufweist. Entsprechend ist es in noch anderen Varianten der vorliegenden Erfindung, bei dem der erfindungsgemäße Reaktor drei Bereiche aufweist, bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße Reaktor eine Fluidzuführvorrichtung und eine Fluidabführvorrichtung für den ersten, zwischen den anderen Bereichen liegenden Bereich, aufweist und eine Fluidzuführvorrichtung für den unteren Bereich (aber keine Fluidabführvorrichtung) und eine Fluidabführvorrichtung für den oberen Bereich (aber keine Fluidzuführvorrichtung) aufweist. Diese Varianten eignen sich insbesondere für eine gleichmäßige Durchströmung, denn dabei wird eine konstante Durchströmungsrichtung der Membranen während des Betriebs aufrechterhalten. Die membrangängigen Stoffe treten dann in den oberen bzw. unteren Bereich ein, treten durch die erste Membran in den ersten Bereich, und später durch die andere Membran in den unteren bzw. oberen Bereich, von wo sie aus dem Reaktor ausgetragen werden. Alternativ ist es zur Verwirklichung dieser beiden Varianten möglich, einen erfindungsgemäßen Reaktor zu nutzen, der mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, und mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich aufweist; dann würde nur jeweils eine Zuführungsvorrichtung bzw. Abführungsvorrichtung nicht genutzt und entsprechend verschlossen.
Analog können selbstverständlich auch bei mehr als drei Bereichen entweder alle Bereiche Fluidzuführvorrichtungen und Fluidabführvorrichtungen aufweisen, oder nur manche. Wesentlich ist lediglich, dass das Fluid oder die Fluide in einem ersten, zwischen zwei anderen Bereichen liegenden Bereich mit durch die Membranen tretende Stoffe von mindestens einem anderen Bereich vermischt werden können (durch eindiffundieren und/oder ausdiffundieren beziehungsweise insbesondere konvektives Mittransportieren mit dem durch die Membran durchtretenden Lösungsmittel).
Mit dem erfindungsgemäßen Reaktor wird im Betrieb, also wenn durch den ersten Bereich und die angrenzenden Bereiche Fluide geleitet werden, erreicht, dass in den ersten Bereich aufgrund von Druckdifferenzen aus einem angrenzenden Bereich durch eine Membran ein Volumenstrom einer Lösung eintritt und gleichzeitig aus dem ersten Bereich in einen weiteren angrenzenden Bereich durch eine weitere Membran ein Volumenstrom austritt. Hierdurch ist eine Modifikation der Lösung im ersten Bereich möglich, unabhängig von der Hauptströmungsrichtung, die durch die Fluidzuführvorrichtung und Fluidabführvorrichtung des ersten Bereichs definiert wird.
Obwohl es in Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, wenn die Strömungsrichtung im ersten Bereich entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung in den angrenzenden Bereichen ist, ist dies im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt zwingend und in anderen (nicht ganz so bevorzugten) Varianten der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, wenn die Strömungsrichtungen gleich sind. Denn es gibt Fälle, in denen die Strömungsrichtung egal ist oder in denen ein Gleichstrom günstiger ist, beispielsweise, wenn gleichzeitig auf einen Wechsel der Durchströmungsrichtung der Membranen verzichtet wird.
Dass die Katalysatorteilchen immobilisiert sind, bedeutet, dass diese im ersten Bereich nicht frei beweglich sind. Zur Immobilisierung gibt es verschiedene Möglichkeiten, die dem Fachmann bekannt sind. Zum Beispiel müssen die Katalysatorteilchen nicht zwangsweise auf einem Gerüst angeordnet sein, sondern können auch auf Trägerteilchen fixiert sein und dann in Form einer Schüttung oder Suspension in dem ersten Bereich angeordnet werden.
In Varianten der vorliegenden Erfindung sind die Katalysatoren auf Trägermaterialien bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fasern, Partikeln, insbesondere mikropartikulären Partikel, Gitterstrukturen, oder Kombinationen davon, immobilisiert. Mikropartikuläre Partikel, die auch als Mikropartikel bezeichnet werden können, bedeutet dabei bevorzugt, dass die Partikel eine Größe im Mikrometerbereich aufweisen, insbesondere im Bereich von 0,5 pm bis 500 pm, bevorzugt 2 pm bis 300 pm.
Mit dem Begriff „Gitterstrukturen" sind Strukturen gemein, die gitterartig oder siebartig aufgebaut sind. Die jeweiligen Stege der Gitter bzw. Siebe sind in ihren Dimensionen nicht beschränkt, außer, dass die resultierende Gitter- oder Siebstruktur nicht zu groß für eine Anordnung in dem ersten Bereich sein darf und dass, nach immobilisierung der Katalysatorteilchen darauf noch ausreichend freies Volumen für die Fluidströmung verbleiben muss. Insofern kann der Fachmann die einsetzbaren Gitterstrukturen einfach auf Basis seines allgemeinen Fachwissens auswählen.
Zwar können für die Immobilisierung prinzipiell alle bekannten Techniken genutzt werden, jedoch sind die folgenden Möglichkeiten zur Immobilisierung im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt: kovalente Immobilisierung auf Trägerpartikeln durch chemische Bindung, zum Beispiel (bevorzugt) über l-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC) oder Glutaraldehyd (GA);
Immobilisierung über getagte Enzyme und entsprechende Liganden auf den Trägerpartikeln, zum Beispiel (bevorzugt) His-getagte Enzyme und Partikel mit Imminodiessigsäure-Liganden oder Enzyme und Partikel, die über die sogenannte spytag/spycatcher Technologie während der Immobilisierung eine kovalente Bindung eingehen;
Immobilisierung durch adsorptive Bindung an Trägerpartikel;
Einschlussimmobilisierung in Partikeln wie zum Beispiel (bevorzugt) Hydrogelpartikel; partikuläre Enzymimmobilisate, die sich durch Quervernetzung der Enzyme synthetisieren lassen, z.B. Cross-linked enzyme aggregates (CLEAs).
Als Trägerpartikel für die ersten drei genannten Varianten eignen sich dabei im Prinzip alle fachbekannten Trägerpartikel, insbesonders können sie dabei sowohl poröser als auch unporöser Natur sein. Ihr chemischer Charakter kann polymerbasiert, mineralisch oder eine Kombination daraus sein.
Die Trägerpartikel werden in einigen bevorzugten Varianten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Trägern aus Agarose, Dextran, Chitosan, Gelatine, Alginat, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Poylmethylmethacrylat, Polystyrol, Silca, Eisenoxiden, Aluminiumoxiden, metallorganischen Käfigverbindungen oder Mischungen davon.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind die immobilisierten Katalysatoren Biokatalysatoren, insbesondere Enzyme.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können im Prinzip alle beliebigen Enzyme Anwendung finden. In manchen bevorzugten Ausführungsformen werden die Enzyme ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen, Translokasen und Mischungen davon.
Entsprechend sind die erfindungsgemäßen Reaktoren insbesondere bevorzugt Enzymmembranreaktoren; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist der zwischen den zwei anderen Bereichen angeordnete erste Bereich an seinen Fluidzuführvorrichtungen und Fluidabführvorrichtungen Rückhalteeinrichtungen, bevorzugt Fritten, für die Katalysatorteilchen auf.
In weiter bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung können diese Rückhalteeinrichtungen öffenbar oder austauschbar sein. Dadurch lassen sich dann beispielsweise Katalysatorschüttungen einfach entfernen und ersetzen, zum Beispiel durch neue aber gleiche oder neue aber andere oder auch regenerierte Katalysatorschüttungen.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind überdies die jeweiligen Fluidzuführvorrichtungen und die jeweiligen Fluidabführvorrichtungen konfiguriert, jeweils unabhängig voneinander geschaltet und geregelt zu werden. Dies ermöglicht eine besonders gute Kontrolle über die Strömungen. Zum Beispiel kann dadurch vermieden werden, dass bei zu geringem Zufluss in einen oberen Bereich dessen Zufluss-abgewandtes Ende „leerläuft", oder es kann erreicht werden, dass durch ausreichend hohen Zuführdruck in einen unteren Bereich eine gute Durchströmung bis in den oberen Bereich erfolgt, oder aber es können noch andere Effekte erreicht werden. Genauso lassen sich kombinierte Effekte erreichen. In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung ist es möglich in den verschiedenen Bereichen, jeweils unabhängig von anderen Bereichen, strömungsbeeinflussende Einbauten anzuordnen, wie beispielsweise Prallbleche oder Stützgitter. Dies kann beispielsweise die Durchmischung von Fluidkomponenten nochmal verbessern bzw. regeln.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Enzymmembranreaktor umfassend, oder bestehend aus, a) drei in Lagen übereinander angeordneten Strömungsbereichen, die jeweils voneinander durch semipermeable Membranen getrennt sind, b) mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, c) mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich, wobei der Reaktor so konfiguriert ist, dass die Strömungsrichtung in dem ersten, zwischen den zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich entgegengesetzt der Strömungsrichtung in den beiden anderen Bereichen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im zwischen den zwei anderen Bereichen angeordneten ersten Bereich als immobilisierte Katalysatorteilchen auf Trägermaterialien, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fasern, Partikel, insbesondere mikropartikuläre Partikeln, Gitterstrukturen oder Mischungen davon, immobilisierte Enzyme angeordnet sind.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind die Fluidzuführvorrichtungen und die Fluidabführvorrichtungen an den jeweiligen Enden der Bereiche des Reaktors angebracht.
In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden die erfindungsgemäßen Reaktoren oder deren Komponenten mittels 3D-Druck hergestellt. In Varianten wird das Reaktorgehäuse und/oder der Träger zur Immobilisierung der katalysatorteilchen mittels 3D-Druck hergestellt und entsprechende nicht per 3D- Druck hergestellte semipermable Membranen in das Gehäuse eingesetzt.
In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weisen die erfindungsgemäßen Reaktoren noch jeweils eine oder mehrere weitere Zuführvorrichtungen zu allen oder einzelnen, bevorzugt allen, an den ersten Bereich angrenzenden Bereichen auf. Über diese weiteren Zuführungen können dann ebenfalls Fluide zugeführt werden. Diese Fluide können jeweils unabhängig voneinander, die gleichen Fluide, wie die in den anderen erwähnten Zuführungen, sein oder andere.
Deren Zuführung erfolgt kann ebenfalls jeweils unabhängig von den anderen Zuführungen erfolgen.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind diese zusätzlichen Zuführungen, von der Abführung des ersten Bereichs gesehen, stromaufwärts angeordnet. In Varianten der vorliegenden Erfindung ist der Reaktor so ausgestaltet, dass stromabwärts, in der Strömungsrichtung des ersten Bereichs gesehen, von den zusätzlichen Zuführungen ein Bereich vorgesehen ist, der frei von immobiliertem Katalystor ist. Dazu können entsprechende Rückhaltevorrichtungen für den immobilisierten Katalysator in dem ersten Bereich vorgesehen sein.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind alle Zuführungen zu den erfindungsgemäßen Reaktoren so konfiguriert, dass sie jeweils unabhängig von den anderen Zuführungen, sowie unabhängig von den Abführungen, geschaltet (benutzt) werden können.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei erfindungsgemäße Reaktoren hintereinandergeschaltet. Dadurch lassen sich die durchgeführten Reaktionen zum Beispiel nochmals effektiver gestalten.
In weiter bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung können dabei zwischen jeweils zwei erfindungsgemäßen Reaktoren übliche Apparaturen, wie bevorzugt Fluid- Waschvorrichtungen, Fluid-Abscheider, Wärmetauscher oder ähnliches angeordnet sein.
Die Zuführvorrichtungen zu den jweiligen Reaktoren können gleich sein oder unterschiedlich und gleiche oder unterschiedliche Fluide zuführen. Auf diese Art und Weise ist es ebenfalls möglich mit mehreren hinteeinandergeschalteten erfindungsgemäßen Reaktoren Stufenreaktionen in einfacher Art und Weise getrennt nach Stufen durchzuführen, was eine erhebliche Erhöhung der Kontrollierbarkeit mit sich bringt.
Auf diese Art und Weise sind Kaskaden erfindungsgemäßer Reaktoren möglich. In anderen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei erfindungsgemäße Reaktoren parallelgeschaltet. Dadurch lässt sich zum Beispiel der Durchsatz nochmals effektiver gestalten/erhöhen.
Auch hierbei können in weiter bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung zwischen jeweils zwei erfindungsgemäßen Reaktoren übliche Apparaturen, wie bevorzugt Fluid-Waschvorrichtungen, Fluid-Abscheider, Wärmetauscher oder ähnliches angeordnet sein. Und auch hierbei können die Zuführvorrichtungen zu den jweiligen Reaktoren gleich sein oder unterschiedlich und gleiche oder unterschiedliche Fluide zurühren. Auf diese Art und Weise ist es enfalls möglich mit mehreren hintereinandergeschalteten erfindungsgemäßen Reaktoren Stufenreaktionen in einfacher Art und Weise getrennt nach Stufen durchzuführen, was eine erhebliche Erhöhung der Kontrollierbarkeit mit sich bringt.
Selbstverständlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, Reihen- und Parallelschaltungen von erfindungsgemäßen Reaktoren zu kombinieren.
Es ist ebenfalls selbstverständlich möglich, erfindungsgemäße Reaktoren mit nicht erfindungsgemäßen Reaktoren zu verschalten, auch dann, wenn dabei mehrere erfindungsgemäße Reaktoren in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Insofern ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich Reaktorfelder zu erstellen, mit denen qualitativ und quantitativ hohe Umsätze erreicht werden können.
Reihenschaltungen und/oder Parallelschaltungen von erfindungsgemäßen Reaktoren, sowie Kombinationen von erfindungsgemäßen Reaktoren mit nicht erfindungsgemäßen Reaktoren sind ebenfalls Gegenstände der vorliegenden Erfindung. Diese Kombinationen werden gelegentlich auch als erfindungsgemäße Reaktorsysteme bezeichnet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein automatisiertes Reaktorsystem umfassend mindestens zwei erfindungsgemäße Reaktoren und mindestens eine Steuer- und Kontrollvorrichtung; das automatisierte Reaktorsystem der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich also durch die Steuer- und Kontrollvorrichtung(en) von den anderen erfindungsgemäßen Reaktorsystemen, bei denen die Kontrolle (und Steuerung) manuell erfolgt.
Analog zu den erfindungsgemäßen Reaktorsystemen können hierbei die genannten Reihenschaltungen, Parallelschaltungen und/oder Kombinationen mit nichterfindungsgemäßen Reaktoren zum Einsatz kommen. Die verschiedenen genannten Kombinationen von mehreren erfindungsgemäßen Reaktoren, gegebenenfalls mit nicht-erfindungsgemäßen Reaktoren, erfindungsgemäßen Reaktorsysteme und erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsysteme eignen sich insbesondere als beziehungsweise für Enzymkaskaden mit kontinuierlichem Pufferwechsel zwischen einzelnen Reaktoren.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Reaktorsysteme und erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsysteme ist, dass Pufferwechsel simultan zur Reaktion entlang des Strömungspfads im mittleren (ersten) Bereich direkt im Reaktor erfolgen können.
Indem zwei, oder mehr, erfindungsgemäß Reaktoren hintereinandergeschaltet werden, die mit unterscheidlichen Katalysatoren gefüllt sind, können besonders vorteilhafte Effektkombinationen erreicht werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur katalytischen Umsetzung eines Substrats, wobei als erstes Fluid eine Substratlösung in einen Reaktor in und durch einen ersten zwischen zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich, unabhängig von Fluidzufuhren in die anderen Bereiche, bevorzugt gleichmäßig und kontinuierlich, geleitet wird, als zweites und drittes Fluid abwechselnd in die anderen Bereiche, mit gleicher oder entgegengesetzter Strömungsrichtung zu dem ersten Fluid, jeweils eine Lösung eingeleitet wird, die auf dem gleichen Lösungsmittel basiert, wie die Substratlösung oder mit diesem Lösungsmittel mischbar ist.
Bei diesem Verfahren ist es wesentlich, dass in dem ersten Bereich ein immobilisierter Katalysator angeordnet ist und der erste Bereich von den anderen Bereichen über Membranen, bevorzugt semipermeable Membranen getrennt ist, und dass die Membranen konfiguriert sind, für das Substrat, das Hauptprodukt und den Katalysator undurchlässig zu sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass Hilfsstoffe sowie unerwünschte Nebenprodukte durch die Membranen treten können. Die Bezeichnung zweites und drittes Fluid bezieht sich dabei darauf, dass diese Fluide in einen zweiten und dritten Bereich geführt werden. Das zweite und das dritte Fluid können gleich oder verschieden sein.
Denn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es in einer Variante möglich, die Strömungsrichtung durch die Membran zyklisch umzuschalten und dabei einen zweiten und dritten Zulauf zu den an den ersten Bereich angrenzenden Bereichen zu nutzen. Dabei kann über ein Ventil (zum Beispiel ein Multiport- beziehungsweise Mehrwegeventil) das gleiche (zweite) Fluid entweder auf den einen oder anderen Zulauf geschaltet werden, so dass in einem Reaktor bei dieser Variante kein drittes Fluid genutzt wird.
In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „mit diesem Lösungsmittel mischbar", dass die Lösung mindestens im Verhältnis 1:2 mit dem Lösungsmittel im ersten Bereich mischbar ist, ohne dass eine Phasentrennung oder eine Ausfällung erfolgt.
In einigen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung erfolgt die Fluid- Zuführung in den ersten Bereich im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung in den beiden angrenzenden Bereichen.
Die oben bezüglich der Reaktoren gemachten Ausführungen gelten sinngemäß auch hier für das erfindungsgemäße Verfahren.
In einigen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Umsetzung (der jeweiligen Reaktanten) in einem erfindungsgemäßen Reaktor, einem erfindungsgemäßen Reaktorsystem oder einem erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsystem durchgeführt.
Die genauen Bedingungen, die in den jeweiligen Reaktoren eingestellt und/oder eingehalten werden (müssen), insbesondere Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeiten sind abhängig von der jeweils gewünschten Umsetzung, also insbesondere den Edukten, Katalysatoren und eventuellen Hilfsstoffen wie Cofaktoren, Cokatalysatoren und Ähnlichem. Dies wird von dem Fachmann jeweils in Abhängigkeit von der geplanten Umsetzung ausgewählt beziehungsweise eingestellt werden.
In einigen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Katalysator in dem ersten zwischen zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich immobilisierte Enzyme eingesetzt.
In einigen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind das zweite und dritte zugeführte Fluid das Gleiche oder das Selbe und reines Lösungsmittel, oder enthalten eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus gleichem oder anderem Lösungsmittel wie das Lösungsmittel in dem ersten Bereich, Hilfsstoffen, Puffern, Cokatalysatoren, Cofaktoren, weiteren Reaktanten, anderen Reaktanten und Mischungen davon.
In einigen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens läuft in dem ersten Bereich eine gepufferte enzymatische Reaktion ab, über die Zuführungen der anderen Bereiche wird Pufferlösung, bevorzugt enthaltend weitere Stoffe, nachgeliefert und durch die Abführungen der anderen Bereiche gegebenenfalls verarmte Pufferlösung abgeführt. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn dabei im laufenden Betrieb alle Bereiche mit Fluid gefüllt sind.
In einigen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung erfolgt die Fluidzuführung alternierend in (die) zwei an den ersten Bereich angrenzenden Bereiche (die (beiden) angrenzenden Bereiche werden also abwechselnd mit Fluid versorgt bzw. nicht versorgt). Die alternierende Zuführung kann dabei durch Umschalten der Versorgung mit vorgegebenem Zeitmaß, zum Beispiel alle 30 Sekunden oder alle 5 Minuten, erfolgen, oder durch Messwerte, zum Beispiele sinkenden oder steigenden pH-Wert, getriggert werden oder auch manuell vorgenommen werden.
In bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird demgemäß parallel zur einer in dem ersten Bereich ablaufenden enzymatischen Reaktion ein Lösungsaustasch über die semipermeablen Membranen vorgenommen. In weiteren bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird allen oder einzelnen, bevorzugt allen, an den ersten Bereich angrenzenden Bereichen zusätzlich an jeweils einer weiteren Stelle ein Hilfsstrom zugeführt. Dieser jeweilige zusätzliche Hilfsstrom kann gleich oder verschieden zu den anderen Hilfsströmen sein.
Durch diese zusätzliche Zuführung ist es zum Beispiel möglich, (in Strömungsrichtung des Stromes im ersten Bereich gesehen) stromabwärts noch weitere Verdünnung beziehungsweise Aufreinigung zu erreichen.
In einigen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung können über diese weiteren Zuführvorrichtungen zum Beispiel Austauschpuffer mit einem Hilfsstoff für die Reaktion im mittleren Bereich (dem ersten Bereich) zugeführt werden, während über die an den Enden des erfindungsgemäßen Reaktors angeordneten Zuführungen zum Beispiel Austauschpuffer oder auch nur Lösungsmittel für die Produktreinigung und Formulierung im Bereich des Produktablaufs (der Produktabführung) zugeführt werden. Es kann stromabwärts der weiteren Zuführungen (gesehen in Strömungsrichtung des ersten Bereichs) im mittleren (ersten) Bereich des erfindungsgemäßen Reaktors ein Abschnitt vorgesehen sein, in dem kein immobilisierter Katalysator vorliegt, bevorzugt kein Katalysator, insbesondere dann, wenn diese Konstellation/Verfahrensführung dazu gedacht ist, das Produkt in diesem Abschnitt zu reinigen. Zu diesem Zweck kann in dem ersten Bereich, insbesondere auf Höhe der zusätzlichen Zuführvorrichtungen eine Rückhaltevorrichtung für den (immobilisierten) Katalysator eingesetzt werden.
Nicht zuletzt Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind darüber hinaus Verwendungen der erfindungsgemäß Reaktoren, der erfindungsgemäßen Reaktorsysteme der erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsysteme.
Diese Verwendungen betreffen bevorzugt die Verwendung für biokatalytische Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Produkten, die neben dem Hauptsubstrat weitere Reaktanten benötigen, oder Produkten, die über eine Enzymkaskade mit störenden Nebenprodukten erzeugt werden.
Denn durch die vorliegende Erfindung ist es möglich gezielt weitere Reaktanten zuzuführen, die dann durch die semipermeable Membran in den Reaktionsbereich treten oder genauso gut Nebenprodukte zu entfernen, die aus dem Reaktionsbereich durch die semipermeablen Membranen abtransportiert werden. Es ist zu beachten, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwar in Bezug auf Stoffe und deren Durchtritt durch die semipermeablen Membranen gelegentlich von Diffusion/diffundieren gesprochen wird, jedoch schließt dies den durch Strömung induzierten Stofffluss (konvektiven Stofffluss) ein, der im Übrigen in der Regel den Hauptteil der durch die Membranen tretenden Stoffmenge an Hilfsstoffen oder Nebenprodukten verursacht.
Einige bevorzugte Varianten der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung zur Herstellung von Feinchemikalien, bevorzugt Caprolacton durch Oxidation von Cyclohexanon.
Weitere bevorzugte Varianten der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung zur Herstellung von Oligosacchariden, insbesondere enzymatischen Herstellung von Oligosacchariden, Glykanen, Glykokonjugaten, therapeutischen Glykoproteinen oder Hyaluronsäuren.
Noch andere bevorzugte Varianten der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung für enzymatische Reaktionen, die H2O2 nutzen, insbesondere Hydroxylierungen, Epoxidierungen, Halogenierungen oder Baeyer-Villiger Oxidierungen.
Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, ein oder mehrere Reaktoren, insbesondere Enzymmembranreaktoren, sequentiell miteinander zu verschalten und mithin die kontinuierliche Durchführung komplexer, mehrstufiger enzymatischer Kaskaden und damit eine optimale Synthese neuer, anspruchsvoller Produkte.
Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich ein EMR-System zu erhalten, das bei kontinuierlicher Durchströmung die Teilfunktionen der Enzymimmobilisierung sowie der integrierten Produktaufreinigung in optimaler Weise erfüllt.
Die mit der vorliegenden Erfindung erreichbaren Vorteile werden in manchen Varianten dadurch erzielt, dass
(i) die Enzymimmobilisierung in/an/auf in dem Enzymmembranreaktor (EMR) pumpbaren, partikulären oder faserförmigen Trägermaterialien erfolgt, und
(ii) durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Membranmoduls mit zwei parallelen Membranen. Die vorliegende Erfindung erlaubt demgemäß in einigen Varianten durch diese Anordnung die simultane, kontinuierliche Zufuhr von Reaktantenströmen sowie, entkoppelt davon, von Hilfsströmen für die Produktaufreinigung und/oder die über die Länge des Reaktors graduelle Veränderung der Reaktionsbedingungen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass eine zusätzliche Aufreinigung, Aufkonzentrierung oder Umpufferung des Produkts von enzymatischen Reaktionen erfolgen kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, insbesondere beim Betrieb von Reaktorkaskaden, ist, dass der Pufferaustausch, der für einen optimalen Betrieb von einem nachgeschalteten Reaktor in einer Reaktorkaskade benötigt wird, bereits im Ablaufbereich eines vorgeschalteten Reaktors durch zugeführten Hilfsstoff erzielt werden kann. D.h. das Zwischenprodukt, das aus dem vorgeschalteten Reaktor abläuft, kann über entsprechende Zuführungen von Hilfsstoffen so eingestellt werden, dass es bereits im optimalen Puffer(-bereich) für die Reaktion im nächsten Reaktor vorliegt und direkt in diesen Reaktor eingeleitet werden kann.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass über eine Spüllösung, die einem zweiten oder dritten Bereich zugeführt wird, dem (Reaktions-)System noch für die Reaktion notwendige Cofaktoren (weitere Edukte für die Reaktion, wie zum Beispiel Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid) zugeführt werden können und zusätzlich eine Abfuhr von Komponenten aus dem jeweils dritten oder zweiten Bereich abgeführt werden kann.
Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist ferner, dass drei Strömungsbereiche genutzt werden. Dadurch ist es möglich, in dem ersten die Reaktanten zuzuführen und durch immobilisierten Katalysator zu Produkt umzusetzen. Aus einen zweiten Bereich können zum Beispiel durch die Membran Komponenten einer Spüllösung in den Reaktionsbereich gelangen, um hier zum Beispiel Hilfsstoffe zu liefern oder eine Änderung des Reaktionsmediums zu bewirken. Über einen dritten Bereich können dann zum Beispiel durch die Membran getretene unerwünschte Stoffe abgeführt werden; zum Beispiel kann ein Bereich (der zweite) für die Zufuhr eines Hilfsstoffes zuständig sein und ein anderer Bereich (der dritte) für die Abfuhr des verbrauchten Hilfsstoffes oder von Kontaminaten. Dies war mit den Reaktoren des Standes der Technik nicht möglich. Im Unterschied zum Stand der Technik, wo nur zwei Strömungskanäle bzw. -bereiche genutzt werden, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung drei verschiedene Strömungsbereiche zur Verfügung gestellt. Hierdurch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung neben der Produktbildung im ersten Bereich eine simultane, kontrollierte Zu- und Abfuhr einer Austauschlösung zur dosierten Bereitstellung benötigter zusätzlicher Reaktanten oder zur Umwandlung der Reaktionslösung, um für die notwendigen Folgereaktionen einer Reaktionskaskade optimale Bedingungen zu erzielen, ermöglicht, was gemäß Stand der Technik nicht möglich war.
Mit anderen Worten lässt sich eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auch wie folgt beschreiben:
Der erfindungsgemäße Reaktor, der auch als erfindungsgemäßes Reaktormodul oder einfach als erfindungsgemäßes Modul bezeichnet werden kann, umfasst zwei Seitenteile und einen Mittelteil, die alle eine Kanalstruktur besitzen, durch die Lösungen strömen können; die Seitenteile und das Mittelteil sind dabei die oben definierten Bereiche, wobei das Mittelteil der erste Bereich ist. Zwischen den Seitenteilen und dem Mittelteil ist jeweils eine Membran angeordnet, d.h. das erfindungsgemäße Modul weist zwei parallel angeordnete Membranen auf, die den mittleren Kanal (ersten Bereich) nach oben und unten begrenzen. In diesem mittleren Kanal befinden sich die Trägermaterialien mit den immobilisierten Katalysatoren, insbesondere Enzymen. Zudem tritt in den Bereich dieses mittleren Kanals am einen Ende die Zulauflösung mit dem gelösten Substrat (Edukt) ein und am anderen Ende des mittleren Kanals tritt die, gegebenenfalls aufgereinigte, Produktlösung aus. Während des Durchströmens des mittleren Kanals (des ersten Bereichs) werden die zugeführten Substratmoleküle durch die immobilisierten Katalysatoren, insbesondere Enzyme, kontinuierlich in das gewünschte Produkt umgewandelt. Gleichzeitig wird der Puffer (die Pufferlösung) des mittleren Kanals durch neuen Puffer (neue Pufferlösung) ersetzt, der ebenfalls kontinuierlich durch eine den mittleren Kanal begrenzende Membran zugeführt wird, wobei dieser Puffer aus der Fluidzufürung in einen der angrenzenden Bereiche (in eines der Seitenteile) stammt. Der auszutauschende, ursprüngliche Puffer des mittleren Kanalbereichs wird simultan über die zweite begrenzende Membran abgeführt (in den dritten Bereich bzw. das andere Seitenteil). Hierdurch kommt es im mittleren Kanal neben der Produktbildung zu einem integrierten, graduellen Austausch des Lösungspuffers. Durch den graduellen Pufferaustausch können in bevorzugten Varianten kontinuierlich Hilfsstoffe zugeführt werden, die zum Beispiel bei einer direkten Zugabe in den zulaufenden Substratstrom aufgrund der lokalen hohen Konzentration für den Katalysator, insbesondere ein Enzym, schädlich wären (z.B. Wasserstoffperoxid im Zusammenhang mit dem Einsatz von Peroxygenasen). Eine weitere, wichtige Möglichkeit des graduellen Pufferaustausch im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Entfernung unerwünschter Nebenprodukte der Reaktion (falls diese vorkommen), wodurch es ermöglicht wird, dass das Zielprodukt den erfindungsgemäßen Reaktor bereits in aufgereinigter Form in einem für die Lagerung oder eine Folgereaktion optimalen Austauschpuffer verlässt.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind der eingestellte (kontinuierliche) Substratstrom in dem ersten Bereich (dem mittleren Kanal) und der Volumenstrom des durch die Membranen dringenden Austauschpuffers vollkommen unabhängig voneinander und frei wählbar; zudem kann der über die zweite Membran austretende Volumenstrom größer sein als der durch die erste Membran eintretende Volumenstrom an neuem Puffer, wodurch es neben einem Austausch der Pufferlösung noch zu einer Aufkonzentrierung des gebildeten Produkts im ersten Bereich (dem mittleren Kanal) kommt, was oftmals vorteilhaft sein kann.
Es ist ein sehr großer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass mit Einsatzes eines Gegenstromprinzips im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Pufferaustauschverfahren sehr gute Effizienzen erreicht, d.h. die benötigten Mengen an neuem Puffer liegen für einen mehr als 99%-igen Austausch nur im Bereich des 2 bis 5-fachen des Volumenstroms des mittleren Kanals (des ersten Bereichs). Das Gegenstromprinzip wird dadurch erreicht, dass der Austauschpuffer an dem Ende des erfindungsgemäßen Reaktors (Modulende) eintritt, an dem die Lösung aus dem mittleren Kanal (dem ersten Bereich) austritt. Hierdurch steht in dieser Variante der vorliegenden Erfindung das Ende des mittleren Strömungskanals mit dem Zulauf des reinen Austauschpuffers in Kontakt, wodurch z.B. letzte Reste des unerwünschten Nebenprodukts ausgespült werden können.
Ein weiteres sehr vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Reaktors (erfindungsgemäßen Membranmoduls) und seiner Betriebsweise, also des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist die Option des Einsatzes einer alternierenden Durchströmungsrichtung der Membranen während des kontinuierlichen Betriebs. Aufgrund der orthogonalen Durchströmung des mittleren Kanals durch den eintretenden Austauschpuffer kann es zu einer Akkumulation von Teilchen (beispielsweise von nicht vollständig fixierten Enzymträgern oder Agggregationen von Stoffen) an einer Seite des Kanals kommen. Um diese Akkumulation zu begrenzen und eine gute Verteilung der Teilchen innerhalb des gesamten mittleren Kanals zu erreichen, kann das System zyklisch die Durchströmunsgrichtung der Membran umschalten, ohne dabei den Pumpstrom des mittleren Kanals unterbrechen zu müssen. Die Umschaltung kann zum Beispiel mithilfe von Multiportventilen erfolgen, wodurch der Zufluss, zum Beispiel von Austauschpuffer, entweder in den oberen oder den unteren Modulteil (die an der ersten Bereich angrenzenden Bereiche) erfolgen kann.
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem bzw. erfindungsgemäße automatisierte Reaktorsystem verfügt in bevorzugten Ausführungsformen über Vorrichtungen, um den Substratstrom in den mittleren Strömungsbereich (den ersten Bereich), den aus diesem Bereich austretenden Produktstrom sowie den Volumenstrom des Austauschpuffers (der in mindestens einen angrenzenden Bereich geleitet würde) unabhängig voneinander zu kontrollieren. Optional kann die Durchströmungsrichtung (zum Beispiele statt von oben nach unten umgeschaltet zu von unten nach oben) durch die beiden Membranen und damit deren jeweilige Rolle (siehe oben) während des Verfahrens beziehungsweise während des Betriebs umgeschaltet werden. Dadurch wird die dauerhafte Ausbildung einer Konzentrationspolarisations- oder Foulingschicht durch an der Membranoberfläche akkumulierte Stoffe, wie insbesondere Produkt und/oder Enzymträgerpartikel, verhindert.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Katalysatoren, insbesondere Enzyme, nicht in oder an den Membranen (semipermeable Membranen) fixiert sind (wie im Falle der Bi- oder Trilayer Membranen des Stands der Technik).
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, also der erfindungsgemäßen Reaktoren, der erfindungsgemäßen Reaktorsysteme, der erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsysteme, der erfindungsgemäßen Verfahren, sind die Katalysatoren, insbesondere Enzyme, nicht an oder in den Membranen, insbesondere semipermeablen Membranen, immobilisiert.
Es ist zu beachten, dass dies nicht bedeutet, dass die Membranen bewegliche Katalysatorteilchen (Enzymteilchen), insbesondere, wenn diese geträgert sind, nicht aufhalten könnten - denn solche Teilchen können sich bei anhaltender Strömung vor/an der jeweiligen Membran ansammeln - sondern dass die Katalysatorteilchen nicht mit der Membran ver- beziehungsweise an die Membran gebunden sind, so dass die Teilchen bei Wegfällen der Strömung oder Strömungsrichtungsumkehr sich wieder von der jeweiligen Membran lösen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Katalysatorteilchen, insbesondere Enzyme, vielmehr im ersten Bereich (bei drei übereinander angeordneten Schichten also dem mittleren Bereich/Kanal) immobilisiert.
In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind sie an (Mikro-)partikulären Trägern, auch Mikropartikel genannt, immobilisiert, die als Suspension in einem separaten Schritt in den erfindungsgemäßen Reaktor gepumpt werden - dazu weist der erfindungsgemäße Reaktor dann bevorzugt Rückhaltevorrichtungen an seinen Enden auf, die die immobilisierten Teilchen im Inneren des ersten Bereichs zurückhalten. Diese Variante ermöglicht einen schnellen und unkomplizierten Austausch der Katalysatorteilchen/Enzymträger wenn die Katalysatoren/Enzyme im Laufe der Betriebszeit zunehmend inaktiv werden. Hierzu muss dass Modul nicht zerlegt und es müssen keine Membranen ausgetauscht werden. In dem ersten Bereich können zusätzlich noch weitere Strukturen angeordnet sein, wie Gitter- oder Siebstrukturen, die die geträgerten Katalysatorteilchen noch zusätzlich immobilisieren.
Die Möglichkeit eines graduellen Austauschs der Lösung, in der eine katalytische, insbesondere enzymatische, Reaktion bzw. Reaktionskaskade stattfindet (also durch Zuführen von Lösung/Lösungsmittel in die an den ersten Bereich angrenzenden Bereiche und mithin dann durch die Membranen auch in den ersten Bereich), hat verschiedene Vorteile:
(i) Reaktionen die neben dem Substrat weitere Hilfsstoffe, wie z.B. Cofactoren oder Wasserstoffperoxid, benötigen, kann dieser Hilfsstoff kontinuierlich in genau der benötigten Konzentration zugeführt werden. Dies ist insbesondere bei in höheren Konzentrationen toxischen oder ein Enzym inhibierenden Substanzen wichtig. Auch im Falle von schwer löslichen Hilfsstoffen ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen, vom Substratstrom unabhängigen, Zufuhr von Vorteil. Da gleichzeitig eine äquivalente Menge an von Hilfsstoff abgereicherter Lösung aus dem mittleren Kanalbereich (dem ersten Bereich) abgeführt wird, führt die kontinuierliche Zuführung der Austauschlösung mit dem Hilfsstoff nicht zu einer Verdünnung des Produktstroms.
(ii) Neben der Zufuhr von Hilfsstoffen kann durch die Zufuhr von Austauschlösung im Bereich des Produktablaufs und die simultane Abfuhr der ursprünglichen Lösung aus dem mittleren Kanal (dem ersten Bereich) in einen angrenzenden Bereich, das Produkt von Verunreinigungen gereinigt und in eine gewünschte Lösung für die Lagerung oder Folgereaktionen überführt werden.
(iii) Die unabhängige Regelung der Volumenströme in den einzelnen Bereichen beziehungsweise für die einzelnen Bereiche ermöglicht es, aus dem mittleren Kanal (dem ersten Bereich) mehr Lösung ab- als zuzuführen. Hierdurch ist neben dem Lösungsaustausch eine zusätzliche Aufkonzentrierung (des Produktstroms) möglich. Zum Beispiel: man pumpt 1 ml/min in den mittleren Kanal (ersten Bereich) und 1 ml/min an neuer Pufferlösung dringt über die erste Membran zusätzlich in den mittleren Kanal. Gleichzeitig zieht man 1,5 ml/min über die zweite Membran ab. Diese 1,5 ml/min enthalten dann in diesem Beispiel 1 ml/min verbrauchte Pufferlösung sowie 0,5 ml/min des ursprünglich über die Substratlösung zulaufenden Lösungsmittels. Das gebildete Produkt wird aber durch die Membran zurückgehalten. Aufgrund der Massenbilanz verringert sich der Volumenstrom des ablaufenden Produkts auf 0,5 ml/min (1 + 1-1, 5). Aus einem Substratstrom mit z.B. 1 mol/L Zulaufkonzentration wird bei einem vollständigen 1: 1 Umsatz zu Produkt gemäß diesem Beispiel ein Produktstrom mit einer Konzentration von 2 mol/L, da sich das aus dem mittleren Kanal ablaufende Lösungsmittelvolumen halbiert hat.
Zum Beispiel kann das erfindungsgemäße Reaktormodul in Varianten aus drei Teilen, darunter zwei Seitenteilen, durch die zum Beispiel ein Diafiltrationspuffer oder Permeat fließt, und einen Mittelteil, der den Einlass des Feeds und den Auslass des Retentats enthält, bestehen. Jedes der Teile kann hierbei einen flachen Strömungskanal (= Bereich) mit einem Querschnitt, der optional mit einem (3D- gedruckten) Gitter gefüllt ist, das die Membran stützt und die Strömung leitet, aufweisen.
Abhängig von der jeweiligen Anwendung können die erfindungsgemäßen Reaktoren verschiedene Dimensionen aufweisen; die vorliegende Erfindung ist somit nicht auf bestimmte Größen der Reaktoren beschränkt.
Die vorliegende Erfindung kann Verwendung beziehungsweise Anwendung finden für sämtliche Produkte, die biokatalytisch erzeugt werden. Insbesondere Produkte, die neben dem Hauptsubstrat weitere Reaktanden benötigen, sowie Produkte die über Enzymkaskaden mit störenden Nebenprodukten erzeugt werden. Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen/Anlagen stehen in fachüblicher und bekannter Art und Weise miteinander in Wirkverbindung.
Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, z.B. - aber nicht ausschließlich - diejenigen der verschiedenen abhängigen Ansprüche oder einzelner in den Figuren beschriebenen Ausgestaltungen, können in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden, sofern solche Kombinationen sich nicht widersprechen.
Die im Folgenden mit Bezugnahme auf die Figuren näher erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen dar, viele der im Folgenden in einzelnen Figuren dargestellten Merkmale bzw. Ausführungsformen sind mit in anderen Figuren oder der übrigen Beschreibung dargestellten Merkmalen und Ausführungsformen kombinierbar, insbesondere wo die Merkmale entsprechend beschrieben sind. Die Figuren sind überdies nicht limitierend auszulegen und nicht maßstabsgetreu. Weiterhin enthalten die Figuren nicht alle Merkmale, die übliche Vorrichtungen/Anlagen aufweisen, sondern sind auf die für die vorliegende Erfindung und ihr Verständnis wesentlichen Merkmale reduziert, beispielsweise sind Schrauben, Schläuche, Halterungen etc. nicht oder nicht im Detail dargestellt.
Gleiche Bezugszeichen/-ziffern bedeuten dabei gleiche oder gleichwirkende Vorrichtungsteile.
Figur 1 zeigt illustrativ einen erfindungsgemäßen Membranreaktor R. In dieser Figur ist eine erfindungsgemäße Variante dargestellt, bei der drei Fluidkanäle beziehungsweise Bereiche 2, 2a, 3 übereinander angeordnet sind. Zwischen diesen sind jeweils (semipermeable) Membranen 1, la angeordnet. Im mittleren Bereich 3 ist der immobilisierte Katalysator, bevorzugt Enzym, angeordnet. Ferner sind Flussrichtungen für die einzelnen Ströme angezeigt (die nicht in allen Varianten der Erfindung in der angezeigten Richtung erfolgen müssen). In dieser Figur wird von links ein Substrat- oder Substratmischungsstrom S zugeführt, fließt nach rechts durch den Bereich 3 und verlässt den Reaktor rechts als Abführung des Produkts P-; hierbei, wie auch bei den anderen Strömen in den Figuren, bedeutet das Pluszeichen jeweils eine Zuführung und das Minuszeichen jeweils die Abführung. In den oberen Bereich 2 wird von rechts ein erster Hilfsstrom B, der zum Beispiel eine Pufferlösung sein kann, zugeführt; dies wird durch den Pfeil mit durchgezogener Linie illustriert. Der Hilfsstrom B, beziehungsweise Teile davon, fließt durch die semipermeable Membran 1 in den mittleren Bereich 3 und dann durch die zweite semipermeable Membran la in den unteren Bereich 2a, von wo der Hilfsstrom nach links aus dem Reaktor austritt B-. mit durchgezogenen Linien dargestellten Pfeile illustrieren hier, dass dies die geschalteten (benutzten) Zu- und Abführungen sind. Die mit gestrichelten Linien dargestellten Pfeile bedeuten alternative Zu- beziehungsweise Abführungen. Diese können im Wechsel mit den anderen (mit den durchzogenen Linien) geschaltet (benutzt) werden. Das bedeutet, dass über die beiden Bereiche 2 und 2a zu unterschiedlichen Zeiten Hilfsströme zugeführt werden können. Die jeweils zugeführten Ströme können dabei gleich oder verschieden sein. Es ist also möglich, entweder während des gesamten Betriebs eine Schaltstellung und damit eine Strömungsrichtung durch die Membranen beizubehalten, oder diese während des Betriebs, insbesondere zyklisch, zu wechseln.
Figur 2 zeigt einen Reaktor R gemäß Figur 1, allerdings ist hierbei der Strömungsweg SW eines Hilfsstroms B' stark schematisiert illustriert, wie er entsteht, wenn die Schaltstellung für die Zuführungen während des Betriebs zyklisch gewechselt wird. Wie man gut erkennt fließt der Hilfsstoff B' zunächst nach links in den Bereich 2a. gelangt dann über die Membran la in den mittleren Bereich 3 und wird dort durch die entgegengesetzte Strömung des Produktstroms S wieder nach rechts zurückgedrückt. Da jedoch weiter B' nachdosiert wird, ist die orthogonal zur Strömung von P laufende Strömung von B' nicht null, so dass B' die andere semipermeable Membran 1 erreicht und in den Bereich 2 eintritt. Wenn dann die Zufuhr von B' zum unteren Bereich 2a gestoppt und stattdessen auf den oberen Bereich 2 umgeschaltet wird, dann wird B' quasi mitgerissen und fließt wieder nach links. Wenn dann die Membran 1 erreicht wird, erfolgt der Vorgang in umgekehrter Richtung. Ein mit dem zweiten Hilfsstrom B' zugeführter Stoff wird also bei einer Verfahrensführung mit alternierender Zuführung von B' in die Bereiche 2 und 2a einem schlangenartigen Strömungsweg SW folgen, bis er an der linken Seite des Reaktors austritt. Es ist in dieser Figur zwar dargestellt, dass der Austritt im anderen Bereich erfolgt, jedoch ist dies nicht zwingend der Austritt aus dem Reaktor kann auch im gleichen Bereich oder in beiden Bereichen 2, 2a erfolgen. Figur 3 zeigt den über das durchgesetzte Volumen aufgetragenen pH- und UV- Signalverlauf im Ablauf des mittleren Kanals gemäß Beispiel 1. Dabei ist das durch den ersten Bereich (mittleren Kanal) durchgesetzte Volumen (Rechtsachse) gegen das gemessene UV-Signal (Hochachse, links) beziehungsweise den simultan gemessenen pH-Wert (Hochachse, rechts) aufgetragen. Im oberen Bereich des Diagramms sind die Flussraten Q für den Substratstrom (QF) und den Pufferstrom (QP) jeweils mit Doppelpfeilen angezeigt, wodurch illustriert ist, in welchem Bereich die angeführte Flussratte vorliegt.
Figur 4 zeigt den über das durchgesetzte Volumen aufgetragenen pH- und UV- Signalverlauf im Ablauf des mittleren Kanals gemäß Beispiel 2 und entspricht im Prinzip; bis auf die Daten, dem Diagramm von Figur 3 (Beispiel 1).
Figur 5 zeigt schematisch die Verschaltung zweier erfindungsgemäßer Reaktoren R zu einem Reaktorsystem RS, insbesondere für eine Enzymkaskade. Dabei wird von links Substrat(-mischung) S in den mittleren Bereich mit immobilisiertem Katalysator 3 des linken Reaktors Rimks zugeführt. Die Abführung des Produkts aus dem ersten (linken) Reaktor wird als neue Substrat(-mischung) in den mittleren Bereich mit immobilisiertem Katalysator 3 des rechten Reaktors RreChts geführt (der Übersichtlichkeit halber in der Figur nur als Pfeil, ohne Beschriftung dargestellt) und dann als endgültiges Produkt P aus dem rechten Reaktor Rrechts nach ganz rechts abgeführt. Von rechts werden dem rechten Reaktor Rrechts Hilfsstoffe B' zugeführt und genauso werden dem linken Reaktor Riinks zwischen den beiden Reaktoren analog Hilfsstoffe B zugeführt. Nach ganz links werden aus dem linken Reaktor Rimks noch Abfall (-produkte/-lösung) W abgeführt. Zwischen den Reaktoren können noch aus dem rechten Reaktor Rrechts ausgespülte unerwünschte Nebenprodukte BP abgeführt werden. Die jeweiligen Zuführvorrichtungen für die Hilfsstoffe zu dem Reaktor Riinks beziehungsweise Rrechts umfassen jeweils (Multiport-)Ventile V, mit denen die Zuführung zu den oberen und/oder unteren Bereichen 2, 2a geregelt werden kann, so dass entweder jeweils in den oberen Bereich, oder den unteren Bereich, oder in beide Bereiche Hilfsstoffe zudosiert werden können; die Abführvorrichtungen können ebenfalls mit solchen Ventilen ausgestattet sein (in der Figur nur für den Abfall W aber nicht für die Nebenprodukte BP gezeigt). Figur 6 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Reaktoren R. Der gezeigte Reaktor R entspricht dabei dem in Figur 2 gezeigten Reaktor R, mit dem Unterschied, dass zwei weitere Zuführvorrichtungen vorgehsehen sind, über die Hilfsstoffströme B" und B'" zugeführt werden können. Der ohnehin stark schematisch dargestellte Strömungsweg SW ändert sich dabei nicht prinzipiell, nur kann er im Bereich der zusätzlichen Zuführungen etwas „abgeplattet" beziehungsweise „eingedrückt" werden, da die Ströme B" beziehungsweise B'" einen gewissen Gegendruck/Seitendruck ausüben; dies ist der Einfachheit halber aber nicht illustriert. Über diese weiteren Zuführvorrichtungen können zum Beispiel Austauschpuffer mit einem Hilfsstoff B" für die Reaktion im mittleren Bereich (dem ersten Bereich) zugeführt werden, während über die an den Enden des Reaktors R angeordneten Zuführungen für B beziehungsweise B' zum Beispiel Austauschpuffer oder auch nur Lösungsmittel für die Produktreinigung und Formulierung im Bereich des Produktablaufs (der Produktabführung) zugeführt werden. Es ist hier in der Figur zwar der Einfachheit halber nicht gezeigt, jedoch kann rechts der weiteren Zuführungen für B" beziehungsweise B'" im mittleren (ersten) Bereich des Reaktors R ein Abschnitt vorgesehen sein, in dem kein immobilisierter Katalysator vorliegt, bevorzugt kein Katalysator, insbesondere dann, wenn diese Konstellation/Verfahrensführung dazu gedacht ist, das Produkt in diesem Abschnitt zu reinigen.
Bezugszeichenliste:
R erfindungsgemäßer Reaktor
RS Reaktorsystem
B (erster) Hilfsstoff(-strom) (Lösungsmittel/Verdünnungsmittel/Puffer/Co-
Faktoren etc.)
B' zweiter Hilfsstoff(-strom) (Lösungsmittel/Verdünnungsmittel/Puffer/Co-
Faktoren etc.)
B" dritter Hilfsstoff(-strom) (Lösungsmittel/Verdünnungsmittel/Puffer/Co-
Faktoren etc.)
B'" vierter Hilfsstoff(-strom) (Lösungsmittel/Verdünnungsmittel/Puffer/Co-
Faktoren etc.)
S Substrat oder Substratmischung (-ström)
P Reaktionsprodukt bzw. Umsetzungsprodukt (-ström)
BP Nebenprodukt W Abfall
V (Multiport-)Ventil / Strömungsweiche
+ in Zusammenhang mit einem Stoffstrom bedeutet jeweils Zuführung eines
Stroms in Zusammenhang mit einem Stoffstrom bedeutet jeweils Abführung eines Stroms, gegebenenfalls an (einzelnen) Inhaltsstoffen verarmt und gegebenenfalls angereichert mit anderen Inhaltstoffen/Umsetzungsprodukten aus anderem Strom
1,1a (semipermeable) Membran
2,2a Fluidkanal (Bereich)
3 Fluidkanal (Bereich) mit immobilisiertem Katalysator (Enzym)
QF Flussrate Produktstrom (Feed)
QP Flussrate Pufferstrom
SW Strömungsweg Hilfsstoff
Beispiel:
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht-limitierenden Beispiele weiter erläutert.
BEISPIEL 0 - REAKTOR
Ein erfindungsgemäßes Reaktormodul wurde aus im Wesentlichen drei Teilen, darunter einen Mittelteil (dem ersten Bereich entsprechend) und zwei Seitenteilen (den anderen zwei Bereichen) hergestellt. Jedes der Teile wies einen flachen Strömungskanal (= Bereich) mit einem Querschnitt Kanäle von etwa 2 x 20 mm2 auf. Diese Kanäle waren mit (3D-gedruckten) Gittern gefüllt, welche die Membranen stützten und die Strömung leiteten. Die Gitter wiesen anisotrope Strukturen auf, bei der in x-Richtung (wenn der Reaktor in ein kartesisches Koordinatensystem eingesetzt gedacht wird) der Fluidstrom durch etwa 80 würfelförmige Kammern von etwa 3 x 3 x2 mm3 mit engen Fenstern von etwa l x l mm2 in den Wänden zwischen den Kammern treten musste; und wobei das Gitter in y-Richtung kurze, vollständig offene, quadratische Kanäle, ohne Hindernisse für den Fluidstrom, aufwies.
Zwischen dem mittleren und den angrenzenden Teilen (Bereichen) befanden sich zwei Membranen desselben Typs, die beide mit ihrer selektiven Schicht dem mittleren Kanal (ersten Bereich) zugewandt waren. Aufgrund des Größenausschlusses konnte sich das mit dem Feed eintretende Protein nur innerhalb des durch den mittleren Teil und die angrenzenden Membranen begrenzten Kanal (also durch den ersten Bereich) bewegen. Jede Membran hatte eine effektive Fläche von 2972 mm2 bei einer Fließweglänge von 24,5 cm. Für den Betrieb wurde das Modul in ein FPLC-System (Äkta Purifier UPC 10, GE Healthcare, Uppsala, Schweden) mit einer zusätzlichen Probenahmepumpe sowie Online-Detektoren für UV/Vis-Adsorption, Leitfähigkeit und pH-Wert integriert.
BEISPIEL 1 - ENZYMREAKTION MIT KONTINUIERLICHER ZU- UND ABFÜHRUNG VON HILFSLÖSUNGEN
In diesem Beispiel wurde die kontinuierliche enzymatische Hydrolyse einer Esterverbindung (para-Nitrophenyloctanat - pNPA) zu Oktansäure und para- Nitrophenol mittels einer auf Mikropartikeln immobilisierten Esterase untersucht. Durch die Hydrolyse des Esters entstand dabei eine Säure, die bei höheren Zulaufkonzentrationen des Esters und nur schwach gepufferten Lösungen im Verlauf der Reaktion entlang des Reaktors zu einer pH-Absenkung führte, die sich negativ auf die Enzymaktivität auswirkte. Ebenso zeigte sich, dass die direkte Zugabe einer hohen Pufferkonzentration direkt in die Ausgangslösung ebenfalls negative Auswirkungen auf die Produktivität des Systems hat.
Es wurde daher die Möglichkeit einer über den Reaktor verteilten Pufferzufuhr bei gleichzeitigem Abzug von verbrauchtem Puffer mittels des erfindungsgemäßen Reaktors (neuartiger Enzym-Membranreaktor) demonstriert. Hier wurde für den Labormaßstab ein erfindungsgemäßes (Enzym-)Membranreaktormodul mittels 3D- Druck gefertigt. Das Modul bestand entsprechend Fig. 1 aus einem Mittelteil (dem ersten Bereich) und zwei Seitenteilen (den angrenzenden Bereichen), die jeweils einen Strömungskanal der Dimension 50 x 20 x 2 mm3 aufwiesen. Innerhalb der Strömungskanäle befand sich eine durchströmbare Stützstruktur. Zwischen dem Mittelteil und den Seitenteilen befand sich jeweils eine teildurchlässige (semipermeable) Membran, die die Strömungskanäle (Bereiche) voneinander abtrennte. Die Stützstruktur innerhalb der Kanäle diente neben der Strömungsführung gleichzeitig als mechanische Unterstützung der beiden Membranen. Der mittlere Kanal des Moduls war mit 0,2 g enzymbeladenen Mikropartikeln (Durchmesser ca. 30 pm) befüllt, die eine Esterasebeladung von 20 mg Enzym pro Gramm Mikropartikel aufwiesen (Esterase der EC-Nummer 3.1.1.1 auf PureCube Ni-IDA MagBeads).
Zum Betrieb wurde das beschriebene, erfindungsgemäße Modul an ein FPLC-System (ÄKTA purifier UPC 10, GE Healthcare, Uppsala, Schweden) angeschlossen. Zusätzlich wurden weitere Sensoren zur Druckerfassung sowie der Messung der akkumulierten Massen der Zulauf- und Ablaufströme angebracht. Diese Kombination ermöglichte eine detaillierte und präzise Kontrolle der Betriebsbedingungen sowie eine Online- Überwachung der wichtigsten Prozessparameter. Die drei Kolbenpumpen des FPLC- Systems garantierten eine druckunabhängige Steuerung des Zulaufstroms der Substratlösung, des Ablaufstroms des gebildeten Produkts sowie des Zulaufstroms der frischen Pufferlösung zur Regelung des pH-Werts. Der Ablaufstrom des verbrauchten Puffers ergab sich automatisch durch die Inkompressibilität des wässrigen Mediums und die Massenbilanz. Die Sensorik des FPLC Systems ermöglichte zudem ein online- Monitoring des pH-Werts sowie über die UV-Adsorption des para-Nitrophenols ein Monitoring der Produktkonzentration im Modulablauf.
Für die kontinuierliche Durchflusskatalyse wurde zunächst eine Lösung von die 4 mM pNPA in TBS-Puffer (100 mM, pH 7,8) kontinuierlich mit einer Flussrate (QF) von 1 ml/min durch den mittleren Kanal (erster Bereich) des Enzymmembranreaktors gepumpt. Gleichzeitig wurde die Produktlösung ebenfalls mit einer Flussrate (QP) von 1 ml/min über den Ablauf (Fluidabführvorrichtung) des mittleren Kanals abgeführt. Zur kontinuierlichen Nachförderung der Puffersubstanz wurde eine TBS-Puffer-Lösung (500 mM, pH 7,8) mit 0,3 ml/min in den oberen Seitenteil gefördert und verbrauchte Pufferlösung mit dem gleichen Volumenstrom aus dem unteren Seitenteil abgelassen. Die Strömungsrichtung der Pufferlösung in den Seitenteilen verlief im Gegenstrom zur Strömungsrichtung von Substrat und Produkt im mittleren Kanal (dem ersten Bereich) des (Enzymmembran-)Reaktors.
Fig. 3 zeigt den über das durchgesetzte Volumen aufgetragenen pH und UV- Signalverlauf im Ablauf (der Fluidabführung) des mittleren Kanals (des ersten Bereichs). Nach einer Kalibrierphase von 10 ml wurde der Zulauf auf die Substratlösung (pNPA) umgestellt und gleichzeitig die Pufferzufuhr in das Seitenteil (einen angrenzenden Bereich) gestartet. Wie zu erkennen, kam es nach einer durch die Verweilzeit im Reaktor (und den Schläuchen der Zuleitungen) bedingten Anlaufphase von etwa 10 Minuten zu einem Anstieg der Produktkonzentration, wobei diese zunächst mit einem steilen pH-Abfall verbunden war. Grund für den anfänglichen pH-Abfall ist die geringere Förderrate und daher die längere Verweilzeit der Pufferlösung. Etwa 15 ml nach Beginn der Substratzuförderung hatte aber die Pufferlösung das anfangs in den Schläuchen und Seitenteilen (angrenzenden Bereichen) befindliche Wasser verdrängt und drang durch die Membranen in den Reaktionsbereich. Als Folge kam es zu dem gewünschten pH-Anstieg in diesem Bereich, bis sich ab einem Durchsatzvolumen von etwa 33 ml wieder der für die Reaktion optimale pH-Wert von 7,8 eingestellt hatte.
Bei einem Durchsatzvolumen von 33 ml wurde die Flussrate der Substratzufuhr (QF) auf 0,75 ml/min verringert, um durch eine etwas höhere Verweilzeit höhere Substratumsätze und somit höhere Produktkonzentrationen zu erzielen. Wie erwartet führte die Reduktion der Flussrate zu einem deutlichen Anstieg des UV-Signals. Die höheren Substratumsätze führten durch die vermehrte Säurebildung zu einem leichten pH-Abfall. Die in dem erfindungsgemäßen (Enzymmembran-)Modul mögliche, kontinuierliche Zufuhr frischer Pufferlösung, ermöglichte aber auch unter diesen Bedingungen einen kontinuierlichen Betrieb im optimalen pH-Bereich von 7,8.
BEISPIEL 2 - ENZYMREAKTION MIT KONTINUIERLICHER ABREICHERUNG EINES NEBENPRODUKTS
In einem weiteren Versuch wurde die kontinuierliche Abreicherung einer als Nebenprodukt entstandenen Kontamination demonstriert. Hierzu wurde der erfindungsgemäße (Enzymmembran-) Reaktor zunächst mit den gleichen Substrat- und Pufferlösungen bei einer Flussrate der Substratlösung (QF) von 1 ml/min und einer Flussrate der Pufferlösung (QP) von 0,3 ml/min betrieben. Der UV- und pH- Verlauf gleicht entsprechend zunächst dem in Beispiel 1 beschriebenen Verlauf (ein entsprechendes Diagramm ist als Fig. 4 wiedergegeben). Zu Beginn der Produktbildung kam es zu einer kurzen pH-Absenkung, die aber rasch durch den über die Membran zugeführten Pufferstrom ausgeglichen wurde. Im weiteren Verlauf wurde das neben Oktansäure gebildete para-Nitrophenol aber als unerwünschtes Nebenprodukt betrachtet. Um dieses kontinuierlich aus dem mittleren Reaktionsbereich (dem ersten Bereich) zu entfernen, wurde ab einem Durchsatzvolumen von 33 ml das Pufferlösung zu Substratfeed Volumenstromverhältnis auf einen Wert von 2 erhöht. Hierzu wurde die Flussrate der Substratlösung (QF) auf 0,5 ml/min erniedrigt, die der Pufferlösung (QP) dagegen auf 1 ml/min erhöht. Wie erwartet, kam es durch das innerhalb des (Enzym-) Reaktors realisierte Gegenstromprinzip und die gleichzeitige Zu- und Abfuhr von frischer bzw. mit der Kontaminate angereicherter Pufferlösung über zwei separate Membranen zu der gewünschten starken Abreicherung der Modellkontaminate im Ablauf, erkennbar an der raschen und starken Abnahme des UV-Signals. Die Abnahme des UV-Signals ging dabei weit über das Maß hinaus, wie es durch eine reine Verdünnung des para- Nitrophenols durch Zugabe der Pufferlösung in dem genannten Verhältnis resultieren würde.
Es konnte anhand der Beispiele gezeigt werden, dass mit den erfindungsgemäßen Reaktoren beziehungsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafte Effekte erreicht werden und die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst werden konnten.

Claims

Ansprüche:
1. Reaktor umfassend oder bestehend aus a) zumindest drei konzentrisch umeinander oder in Lagen übereinander angeordneten Strömungsbereiche, die jeweils voneinander durch Membranen getrennt sind, b) mindestens zwei Fluidzuführvorrichtungen, c) mindestens zwei Fluidabführvorrichtungen, wobei der Reaktor so konfiguriert ist, dass die Strömungsrichtung in einem ersten, zwischen zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich im Gleichstrom mit oder entgegengesetzt der Strömungsrichtung in den beiden anderen Bereichen ist, wobei eine Fluidzuführvorrichtung und eine Fluidabführvorrichtung mit dem ersten Bereich verbunden sind, und die weiteren Fluidzuführvorrichtungen und Fluidabführvorrichtungen mit den anderen Bereichen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im zwischen den zwei anderen Bereichen angeordneten ersten Bereich immobilisierte Katalysatorteilchen angeordnet sind und die Katalysatoren Enzyme sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen semipermeable Membranen sind.
3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er b) mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, c) mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich aufweist.
4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren auf Trägermaterialien bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fasern, Partikel, insbesondere mikropartikuläre Partikel, Gitterstrukturen, oder Kombinationen davon, immobilisiert sind. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den zwei anderen Bereichen angeordnete erste Bereich an seinen Fluidzu- und abführvorrichtungen Rückhalteeinrichtungen, bevorzugt Fritten, für die Katalysatorteilchen aufweist, wobei die Rückhalteeinrichtungen optional offen- oder austauschbar sind. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Fluidzuführvorrichtungen und die jeweiligen Fluidabführvorrichtungen konfiguriert sind, jeweils unabhänigig voneinander geschaltet und geregelt zu werden. Reaktorsystem umfassend mindestens zwei Reaktoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und optional mindestens eine Steuer- und Kontrollvorrichtung, insbesondere als beziehungsweise für eine Enzymkaskade, mit einem kontinuierlichen Pufferwechsel zwischen den Reaktoren. Verfahren zur katalytischen Umsetzung eines Substrats in einem Reaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einem automatisierten Reaktorsystem gemäß Anspruch 7, wobei als erstes Fluid eine Substratlösung in einen Reaktor in und durch einen ersten zwischen zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich, unabhängig von den Fluidzufuhren in die anderen Bereiche, bevorzugt gleichmäßig und kontinuierlich, geleitet wird, als zweites und drittes Fluid abwechselnd in die anderen Bereiche, mit gleicher oder entgegengesetzter Strömungsrichtung zu dem ersten Fluid, jeweils eine Lösung eingeleitet wird, die auf dem gleichen Lösungsmittel basiert, wie die Substratlösung oder mit diesem Lösungsmittel mischbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Bereich ein immobilisierter Katalysator angeordnet ist und der erste Bereich von den anderen Bereichen über Membranen, bevorzugt semipermeable Membranne, die für das Substrat und den Katalystor undurchlässig sind, getrennt ist und als Katalysator in dem ersten zwischen zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich immobilisierte Enzyme eingesetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und dritte zugeführte Fluid das Gleiche oder das Selbe sind und reines Lösungsmittel sind, oder eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus gleichem oder anderem Lösungsmittel wie das Lösungsmittel in dem ersten Bereich, Hilfsstoffen, Puffer, Cofaktoren, Cokatalysatoren, weiteren Reaktanden, anderen Reaktanden und Mischungen davon enthalten.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Bereich eine gepufferte enzymatische Reaktion abläuft, über die Zuführungen der anderen Bereiche Pufferlösung, bevorzugt enthaltend weitere Stoffe, nachgeliefert wird und durch die Abführungen der anderen Bereiche gegebenenfalls verarmte Pufferlösung abgeführt wird, wobei weiter bevorzugt im laufenden Betrieb alle Bereiche mit Fluid gefüllt sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass alternierend Fluid in einen ersten und in einen zweiten an den ersten Bereich angrenzenden Bereich zugeführt wird.
12. Verwendung eines Reaktors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines automatisierten Reaktorsystems gemäß Anspruch 7 für biokatalytische Reaktionen, bevorzugt zur Herstellung von Produkten, die neben dem Hauptsubstrat weitere Reaktanden benötigen, oder Produkten, die über eine Enzymkaskade mit störenden Nebenprodukten erzeugt werden, insbesondere i) zur Herstellung von Feinchemikalien, bevorzugt Caprolacton durch
Oxidation von Cyclohexanon, ii) zur Herstellung von Oligosacchariden, Glykanen, Glykokonjugaten, therapeutischen Glykoproteinen oder Hyaluronsäuren, oder iii) für enzymatische Reaktionen, die H2O2 nutzen, insbesondere
Hydroxylierungen, Epoxidierungen, Halogenierungen oder Baeyer- Villiger Oxidierungen.
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