NL8200529A - Werkwijze voor een bellenvrije dosering van gasvormige reactanten. - Google Patents

Description

¢- AGW 1976

Werkwijze voor een bellenvrije dosering van gasvormige "reactanten.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor een bellenvrije dosering van gasvormige reactanten van een chemische en/of biologische reactie in een vloeibaar reactiemedium.

5 Uit het Duitse Offenlegungsschrift 28 08 293 is het bekend gassen door een membraan in een reactiemedium te doseren, waarbij het membraan een katalysator bevat die uit een gasvormend reagens gas vrijmaakt, hetwelk dan door het medium wordt opgenomen. Dergelijke katalytische membranen zijn tot nog toe vooral in kunstmatige longen en in aquaria voor zuur-10 stoftoevoer gebruikt, waarbij het juist voordelig gebleken is dat zich een hoog zuurstofgehalte instelt hetgeen bij deze toepassingen gewenst is, en de vorming van bellen bij een grote behoefte aan zuurstof geen nadelen met zich mee brengt.

De Duitse octrooiaanvrage 30 42 281 betreft een werkwijze voor een 15 zuurstofverrijking waarbij het genoemde katalytische membraan wordt toegepast. Voor een aantal chemische en/of biologische reacties is het noodzakelijk gasvormige reactanten zo toe te voeren dat ze met het reactiemedium geen schuim vormen en dat plaatselijk niet te hoge concentraties optreden. Een voorbeeld van een dergelijke reactie is de 20 groei van celcultures in een voedingsoplossing. Onder reactiemedium wordt daarbij verstaan de vloeistof die het gas opneemt en waarin de andere reactiedeelnemers opgelost en/of gedispergeerd zijn.

Doel van de onderhavige uitvinding is een werkwijze te verschaffen die het mogelijk maakt gasvormige reactanten - bellenvrij en in regelbare 25 hoeveelheden in een reactiemedium te doseren.

De uitvinding wordt daardoor gekenmerkt dat bij de werkwijze van het bovengenoemde type de poriën van een poreus polymeermembraan met het reactiemedium gevuld worden en aansluitend de ene zijde van het poreuze polymeermembraan met de gasvormige reactant in contact wordt gebracht, 30 terwijl de andere zijde van het poreuze polymeermembraan in het vloeibare reactiemedium wordt gedompeld.

Het was zeer verrassend en niet te voorzien dat de vulling van de poriën in een poreus polymeermembraan, die er door het daarmee in contact ge- 8200529 v— X, - 2 - AGW 1976 brachte gas niet wordt' uitgedrukt, geen belemmering vormt voor de stof-overdracht van het gas naar het reactiemedium. Men zou zich kunnen voorstellen dat de vloeistofvulling van de poriën zich als een diffusie-membraan gedraagt, waardoor het gas wordt gedoseerd op grond van het 5 concentratieverval in het reactiemedium dat langs het poreuze polymeer-membraan geleid wordt, Drukverhoging aan de zijde van het poreuze poly-meermembraan die met de gasvormige reactant in contact is gebracht, leidt tot een verhoogde stofoverdracht. De oorzaak daarvan zou men daarin kunnen zien dat door de verhoogde druk de laagdikte van dit 10 -"vloeibare diffusiemembraan" verminderd wordt.

Bij voorkeur ligt de druk van .de gasvormige reactant beneden de met de reactant bepaalde bellendruk, maar is tenminste zo groot dat het vloeibare reactiemedium niet aan de gaszijde van het poreuze polymeermem-braan uittreedt.

15 Bij poreuze polymeermembranen wordt ter karakterisering van de poriëngrootte het bellenpunt bepaald. Dit is de druk waarbij lucht een in alcohol gedrenkt polymeermembraan in de vorm van bellen begint te passeren (ASTM-methode F 316-70 (1976)). De op overeenkomstige wijze bepaalde druk waarbij het poreuze polymeermembraan in plaats van in alco-20 hol in het reactiemedium is gedrenkt, is bij voorkeur de bovengrens voor de druk van de gasvormige reactant. Met de druk kan de hoeveelheid gas, die door het membraan diffundeert, worden geregeld. Daarbij dient de druk niet zo laag te worden dat het vloeibare reactiemedium het poreuze polymeermembraan passeert en aan de gaszijde uittreedt.

25 Als polymeermembraan kan elk bekend poreus polymeermembraan gebruikt worden dat ten aanzien van het reactiemedium en de gasvormige reactant inert is. Het kan als vlak membraan, als buis of als holle draad toegepast worden. Als poreuze polymeren zijn bijvoorbeeld geschikt geregenereerde cellulose, celluiose-esters zoals celluloseacetaat, polyacrylo-30 nitril, polyamiden, polyesters en polyoiefinen, in het bijzonder poly-propeen. Werkwijzen voor de vervaardiging van dergelijke poreuze polymeermembranen zijn bijvoorbeeld beschreven in de Duitse Offenlegungs-schriften 27 37 745 en 28 33 623, alsmede in de Duitse octrooiaanvragen 30 06 880, 30 26 718, 30 42 110 en 30 49 557.

35 Onder bepaalde omstandigheden met betrekking tot de grensvlakeigen-schappen tussen de poreuze polymeermembranen en het reactiemedium heeft men problemen bij het vullen van de poriën met het reactiemedium. Dit 8200529 -3-. AGW 1976 is bijvoorbeeld het geval bij poreuze polypropeenmembranen. Het vullen van de poriën verloopt echter zonder moeilijkheden als men het poreuze polymeermembraan door geschikte maatregelen bevochtigbaar maakt voor het reactiemedium. Bij veel polymeren lukt dit door behandeling met 5 zwelmiddelen voor het polymeer. Een geschikte methode voor polypropeenmembranen bestaat daarin dat men het membraan eerst drenkt in een vloeistof met een lage oppervlaktespanning, bijvoorbeeld een alcohol, die met het reactiemedium mengbaar is, en men aansluitend deze vloeistof door spoelen met het reactiemedium verdringt.

10 Is het reactiemedium bijvoorbeeld een waterige voedingsoplossing dan kan de verdringing ook eerst door water geschieden en het water wordt dan later door het reactiemedium verdrongen. Een van de mogelijkheden tot regeling van de gedoseerde hoeveelheid van de gasvormige reactant is het relatieve poriënvolume van het poreuze polymeermembraan. Dit 15 berekent men uit de dichtheid van het poreuze polymeermembraan γ en α de dichtheid van het poriënvrije polymeermateriaal γρ met de formule: ν' - 100 . (l - v poriën \ γ p /

Bij voorkeur bedraagt het relatieve poriënvolume 50 tot 90%.

Andere regelmogelijkheden dan de reeds genoemde zijn de temperatuur en 20 het oppervlak van het poreuze polymeermembraan. Bij stijgende temperatuur neemt de diffusiesnelheid toe, maar de oplosbaarheid van de gasvormige reactant in het reactiemedium wordt geringer, zodat een tempe-ratuurverhoging van voordeel kan zijn indien de reactie waarbij de gasvormige reactant wordt verbruikt zelf door de temperatuurverhoging ver-25 sneld en de verminderde oplosbaarheid gecompenseerd wordt.

De werkwijze volgens de uitvinding maakt het mogelijk op eenvoudige wijze gasvormige reactanten in nauwkeurig gedoseerde hoeveelheden aan een reactiemedium toe te voeren waarin een chemische en/of biologische reactie plaats heeft. Bij biologische reacties kan men bijvoorbeeld de 30 groei en de vermeerdering van celcultures regelen. Bij chemische reacties kan het om verschillende redenen gewenst zijn dat de gasvormige reactanten slechts in een beperkte hoeveelheid per tijdseenheid worden toegevoerd, bijvoorbeeld omdat men met zeer giftige en/of waardevolle gasvormige reactanten werkt.

8200529 ·* *· - 4 - AGW 1976

Voorbeelden van zulke reactanten, waarvan men de aanwezigheid in de gasatmosfeer boven het reactiemedium wil vermijden, zijn blauwzuur, fosgeen of chloorcyaan. Vooral van belang zijn echter reacties waarbij de toegevoerde zuurstof zo goed mogelijk moet zijn gedoseerd. Daartoe 5 behoort ook, bij een dienovereenkomstig groot uitwisselingsoppervlak, de toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding in kunstmatige longen.

Indien poreuze polymeermembranen worden toegepast waarvan de poriëndoorsnede extreem groot is, dan wordt de mogelijkheid van regeling via 10 .de druk erg beperkt, zodat volgens de uitvinding bij voorkeur poreuze polymeermembranen gebruikt worden waarvan de maximale poriëndoorsnede 0,2 tot 3 ym bedraagt.

Voorbeeld I

Een belangrijk toepassingsgebied van de werkwijze volgens de uitvinding 15 is de bellenvrije toevoer van zuurstof in een waterige voedingsoplossing waarin celcultures worden gekweekt. Daartoe werd een vat van 5 1 afgesloten met een flens die van meetinrichtingen en van een toe- en af-voermogelijkheid voor een gas voorzien was. In het binnenste van het vat waren de aansluitingen voor het gas verbonden met de uiteinden van 20 een 3,5 m lange polypropeenslang van poreus polypropeen, die buisvormig opgewikkeld was. De inwendige doorsnede van de polypropeenslang bedroeg 5,5 mm, de wanddikte 1,5 mm. Het uitwisselingsoppervlak was dienover- 2 eenkomstig 0,072 m . Het poriënvolume bedroeg 70%. De polypropeenslang was eerst gedurende 15 minuten in ethanol gedrenkt en aansluitend 25 2 uur met water gespoeld.

De maximale diameter van de poriën bedroeg 0,6 ym. Het vat werd dan gevuld met gedestilleerd water waarvan het zuurstofgehalte door toevoeging van natriumsulfiet ingesteld was op 0,2 mg Oj/l. De temperatuur bedroeg 2l°C. Bij deze temperatuur is het zuurstofgehalte van de met 30 zuurstof verzadigde vloeistof 8,7 mg 0^/1 bij normale druk. De gastoevoer werd met een zuurstoffles verbonden, terwijl de gasafvoer van een smoorklep werd voorzien. De invoerdruk werd op 1,0 bar en de smoor-klep op 0,95 bar ingesteld. .De vloeistof in het vat werd met een mag-neetroerder met 130 t/min in beweging gehouden. Het zuurstofgehalte kon 35 continu met een zuurstofmeetapparaat "Oxi 56" van de firma WTW-Weilheim worden gevolgd. Onder deze proefomstandigheden kon een stroom van 1,4 8200529 -> *J5 -5-. AGW 1976 mg 02/l.h worden ingesteld en door diffusie worden toegevoerd zonder dat er bellenvorming waar te nemen was. Ook na het bereiken van de ver-zadigingsgrens (ca. 6 uur) trad geen bellenvorming op. Er werd een oververzadiging van het water tot 9,5 ml/1 02 bereikt, waarbij echter 5 de toename in de tijd van de zuurstofconcentratie continu verminderde, terwijl deze tot aan het bereiken van de verzadigingsconcentratie constant gebleven was. Boven het vloeistofoppervlak was het vat beslagen, hetgeen er op wijst dat de overmaat aan zuurstof met verdampt water uit het reactiemedium was ontweken.

10 Voorbeeld II

Aansluitend op de in Voorbeeld I beschreven proef werden constante hoeveelheden natriumsulfietoplossing toegevoegd, die met een zuurstofverbruik van 0,7 mg/l.h, 1,2 mg/l.h en 1,4 mg/l.h overeenkomen. Door deze toevoeging werd de toename aan zuurstof overeenkomstig verlangzaamd, 15 resp. bij de met 1,4 mg 02/l.h equivalente hoeveelheid natriumsulfiet op de beginwaarde constant gehouden. Het blijkt dus dat men zuurstof in de juiste dosis en vrij van bellen in een vloeibaar reactiemedium kan leiden, en dat men daarmee de omstandigheden kan instellen die bij het kweken van celcultures van uitzonderlijke betekenis zijn, namelijk bij 20 een bepaalde zuurstofconcentratie slechts zoveel zuurstof te doseren als de groeireactie verbruikt.

8 2 0 0 15 2 2

Claims (5)

6. AGW 1976

1. Werkwijze voor een bellenvrije dosering van gasvormige reactanten van een chemische en/of biologische reactie in een vloeibaar reactie-medium, met het kenmerk, dat de poriën van een poreus polymeermem- 5 braan met het reactiemedium gevuld worden en aansluitend de ene zijde van het poreuze polymeermembraan met de gasvormige reactant in contact wordt gebracht, terwijl de andere zijde van het poreuze polymeermembraan in het vloeibare reactiemedium wordt gedompeld.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de druk van de 10 gasvormige reactant beneden de met het reactiemedium bepaalde bellendruk ligt en tenminste zo groot is dat het vloeibare reactiemedium niet aan de gaszijde van het poreuze polymeermembraan uittreedt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 en/of 2, met het kenmerk, dat het poreuze polymeermembraan voor het reactiemedium bevochtigbaar ge- 15 maakt wordt.

4. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 t/m 3, met het kenmerk, dat het relatieve poriënvolume van het poreuze polymeermembraan 50-90% bedraagt.

5. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 t/m 4, met het ken-2Q merk, dat de maximale poriëndoorjnede 0,2 tot 3 urn bedraagt. 8200020