NL8603105A

NL8603105A - Werkwijze voor het uitvoeren van biotechnologische processen met behulp van een meer-fasensysteem in een loop-reactor.

Info

Publication number: NL8603105A
Application number: NL8603105A
Authority: NL
Original assignee: Rijkslandbouwhogeschool
Priority date: 1986-12-05
Filing date: 1986-12-05
Publication date: 1988-07-01
Also published as: WO1988004317A1; EP0292549A1

Description

i 4 N.0. 34198 1 JL' 'r

Werkwijze voor het uitvoeren van biotechnologlsche processen met behulp van een meer-fasensysteem in een loop-reactor»

De uitvinding heeft betrekking op het uitvoeren van biotechnologi-5 sche processen met behulp van een meer-fasensysteem in een loop-reactor, welk systeem een waterige fase omvat·

Loop-reactoren worden gedetailleerd beschreven in "Biotechnology” van H.J. Rebm en G.Reed, vol.2 "Fundamentals of Biochemical Engineering", VCH, Weinheim (1985), hoofdstuk 21, getiteld "Biochemical Loop-10 Reactors", blz. 465-517. Meer in het bijzonder vindt in een loop-reactor ten minste één bepaalde kringloopstroming van een daarin aanwezig vloeibaar medium plaats en bezitten loop-reactoren in principe hetzij een "inwendige circulatie" (zie fig.lA) hetzij een "uitwendige circulatie" (zie fig. 1B). Als drijvende kracht voor de kringloopstroming wordt in 15 dergelijke loop-reactoren een gasvormig medium en wel normaliter lucht toegepast, dat in de stijgbuis van de reactor (zie fig.lA en 1B) wordt ingeleid. Het vloeibare medium doorloopt op grond van het inleiden van het gasvormige medium de stijgbuis totdat het de topsectie van de reactor bereikt en beweegt zich vervolgens door de daalhuis (zie fig.lA en 20 1B) waarna het via de bodemsectie onder invloed van de door het gasvor mige medium opgewekte drijvende kracht weer in de stijgbuis terecht komt. In een loop-reactor kunnen vast aangebrachte organen aanwezig zijn, welke zich gewoonlijk in de stijgbuis bevinden. Voorbeelden van dergelijke organen zijn zeefplaten om gecoalesceerde gasbellen te redis-25 pergeren of pakkingen, die als dragermateriaal voor geïmmobiliseerde cellen of enzymen dienst doen.

Een nadere toelichting op de procesomstandigheden in de tegenwoordig sterk in de belangstelling staande loop-reactor, welke met lucht wordt bedreven, ook wel "airlift-loop-reactor" genoemd, wordt bijvoor-30 beeld gegeven in PT-Procestechniek 40, nr.10, (1985), blz. 60-63. Air-lift-loop-reactoren bezitten namelijk ten aanzien van in de biotechnologie traditioneel toegepaste roerreactoren een aantal belangrijke voordelen zoals een relatief eenvoudige constructie en daarmede een lage storingsgevoeligheid, een goede en regelbare fasenscheiding in de topsectie 35 van de loop-reactor, een groot specifiek oppervlak bij geringe energie-inbreng, een relatief gemakkelijk beheersbare warmte-uitwisseling, een unieke combinatie van een gecontroleerde stroming en goede mengeigen-schappen alsook een goede toegankelijkheid voor meet- en regelappara-tuur, zeker wanneer de airlift-loop-reactor met een externe loop (zie 40 fig· 1B) is uitgevoerd.

8603105

V

2 *

Alhoewel de aanwezigheid van water in biotechnologische processen essentieel is, brengt het gebruik ervan als reactiemedium echter diverse nadelen met zich mee. Als voorbeelden van dergelijke nadelen kunnen worden genoemd: de moeilijk realiseerbaarheid van hoge concentraties van 5 slecht in water oplosbare substraten in het reactiemilieu, de ongunstige ligging van reactie-evenwichten, waarbij water een van de reactieproduk-ten is, alsook het optreden van hydrolyse van substraten respectievelijk reactieprodukten.

Gevonden werd, dat de bovengenoemde nadelen geheel of ten dele kun-10 nen worden opgeheven, wanneer men voor het uitvoeren van biotechnologische processen in een loop-reactor in plaats van een gasvormig medium ten minste êên niet met water mengbaar organisch oplosmiddel toepast, dat een van water verschillende dichtheid bezit. Onder een niet met water mengbaar organisch oplosmiddel wordt in dit verband een oplosmid-15 del verstaan, dat niet in alle verhoudingen met water mengbaar respectievelijk in water oplosbaar is opdat een vloeibaar meer-fasensysteem kan worden gecreëerd.

Dergelijke reactiesystemen volgens de uitvinding zijn zeer goed bruikbaar in de biokatalyse, waarbij gebruik gemaakt wordt van organi-20 sche media. Door vervanging van een deel van de waterige fase door een niet met water mengbaar organisch oplosmiddel kunnen naast het geheel of ten dele opheffen van de bovenvermelde nadelen nog een aantal extra voordelen worden verkregen, namelijk: een verschuiving van reactie-even-wichten als gevolg van veranderde verdeling van substraten en reactie-25 produkten over de aanwezige fasen, een verlaging van de substraat/reac-tieprodukt-remming, een verbeterde produkt- en biokatalysator-opwerking en een stabilisatie van de biokatalysator.

Met voordeel past men een niet met water mengbaar organisch oplosmiddel toe, dat een kleinere dichtheid dan water bezit. Tevens staat 30 echter ook de mogelijkheid open voor het toepassen van een niet met water mengbaar organisch oplosmiddel, dat een grotere dichtheid dan water bezit.

Voorbeelden van bij de werkwijze volgens de uitvinding toepasbare organische oplosmiddelen worden in de onderstaande tabel vermeld.

8603105 3 *

TABEL

Organisch oplosmiddel Specifieke Oplosbaarheid dichtheid in water (20° C) (20°G) (g/cm3) (% w) n~hexaan 0,660 0,00095 n-liexadecaan 0,7733 —- tolueen 0,8669 0,052 ethylbenzeen 0,867 0,0152 styreen 0,906 0,031 l1-butanol 0,8098 9 1-hexanol 0,814 0,594 diisopropylether 0,723 1,197 diisopentylether 0,777 0,020 methylfenylether 0,993 1,04 difenylether 1,0748 0,39 hexanal 0,815 0,5 methylisobutylketon 0,798 1,693 methyloctylketon 0,825 ·—1 butylacetaat 0,883 0,43 ethyltrichlooracetaat 1,3836 butylacrylaat 0,898 — butylbenzoaat 1,004 «- diethylmaleaat 1,065 1,4 dibutyladipaat 0,962 dimethylftalaat 1,188 0,43 diethylftalaat 1,117 ·— dibutylftalaat 1,045 0,040 dioctylf talaat 0,985 didecylftalaat 0,966 -- di1-(2'-methoxyethyl)f talaat 1,171 1-1- diallylftalaat 1,119 1— tri^i-butylfosfaat 0,976 0,039 tri-2-tolylfosfaat + 1,16 0,000050 chloroform 1,4832 0,815 tetrachloormethaan 1,5940 0,077 1,1,2,2-tetrachloorethaan 1,594 0,287 FC-401 +1,87 F0701 + 1,94 8603105 FO40 en FO70 zijn gefluoreerde koolwaterstoffen welke door 3M in de handel worden gebracht.

4 4 t

Gezien de bovenvermelde toepassing van een niet met water mengbaar organisch oplosmiddel dat hetzij een kleinere hetzij een grotere dichtheid dan water bezit, kunnen op basis van loop-reactoren met een inwendige respectievelijk uitwendige loop een achttal uitvoeringsvormen van 5 de werkwijze volgens de uitvinding worden onderscheiden. Deze worden in de fig. 2A-D en fig. 3A-D geïllustreerd.

Fig. 2A illustreert een reactor met een interne loop, dat water (1) als continue fase en een organisch oplosmiddel (2) met een dichtheid kleiner dan water als disperse fase bevat.

10 Fig. 2B illustreert een reactor met een externe loop, dat water (1) als continue fase en een organisch oplosmiddel (2) met een dichtheid kleiner dan water als disperse fase bevat.

Fig. 2C illustreert een reactor met een interne loop dat water (3) als disperse fase en een organisch oplosmiddel (4) met een dichtheid 15 groter dan water als continue fase bevat.

Fig. 2D illustreert een reactor met een externe loop, dat water (3) als disperse fase en een organisch oplosmiddel (4) met een dichtheid groter dan water als continue fase bevat.

Fig. 3A illustreert een reactor met een interne loop, dat water (5) 20 als continue fase en een organisch oplosmiddel (6) met een dichtheid groter dan water als disperse fase bevat.

Fig. 3B illustreert een reactor met een externe loop, dat water (5) als continue fase en een organisch oplosmiddel (6) met een dichtheid groter dan water als disperse fase bevat.

25 Fig. 3C illustreert een reactor met een interne loop, dat water (7) als disperse fase en een organisch oplosmiddel (8) met een dichtheid kleiner dan water als continue fase bevat.

Fig. 3D illustreert een reactor met een externe loop, dat water (7) als disperse fase en een organisch oplosmiddel (8) met een dichtheid 30 kleiner dan water als continue fase bevat.

Volledigheidshalve wordt in fig. 4 een bijzondere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding weergegeven, waarbij gebruik wordt gemaakt van een tweetal niet met water mengbare organische oplosmiddelen, waarbij het ene (9) een grotere dichtheid en het andere (10) 35 een kleinere dichtheid dan het aanwezige water (11) bezitten. De toepassing van dit drie-fasensysteem is in principe ook mogelijk in een loop-reactor met een "inwendige" circulatie.

De voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding toegepaste loop-reactor kan naar wens voorzien worden van vaste deeltjes zo-40 als geïmmobiliseerde katalysatordeeltjes e.d., welke in de continue fase 8603105 5 '

V

gedispergeerd zijn of op andere wijze kunnen zijn aangebracht (zie het bovenvermelde boek "Biotechnology" van H.J. Rehm en G. Reed, vol.2, hoofdstuk 21, getiteld "Biochemical Loop1- Reactors").

Loop-reactoren, waarin de werkwijze volgens de uitvinding wordt 5 uitgevoerd, kunnen derhalve als continue extractors, fermentors en bio-reactors met (bio)-katalysatoren worden toegepast.

De uitvinding wordt nader geïllustreerd aan de hand van de onder-staande voorbeelden, welke niet beperkend dienen te worden uitgelegd.

Voorbeeld I

10 Een "interne" loop-reactor volgens Fig.2A met een inhoud van 1,7 3 dm , waarvan de inwendige buis een diameter van 39 mm en de uitwendige •5 buis een diameter van 60 mm bezaten, werd gevuld met water (9 g/cm NaCl). Door middel van het in de bodem van de loop-reactor aangebrachte poriefilter met een diameter van 25 mm (poriegrootte ζ. P4) werd petro-15 leum-ether 40/60 met een dichtheid van 0,65 g/crn^ onderin de stijgbuis gepompt. De circulatie in de loop-reactor werd met in de waterfase gesuspendeerde alginaatbolletjes met een diameter van 2 mm zichtbaar gemaakt. De circulatietijd van deze alginaatbolletjes bedroeg ongeveer 3 seconden.

20 Voorbeeld II

Een "interne" loop-reactor volgens Fig.3C met de in voorbeeld I vermelde afmetingen werd met petroleum-ether 40/60 gevuld. Door middel van het bovenin de loop-reactor aangebrachte poriefilter met een diameter van 25 mm (poriegrootte < P4) werd water (9 g/dm^ NaCl) in de in-25 wendige buis gepompt. De circulatie in de loop-reactor werd met alginaatbolletjes met een diameter van 2 mm zichtbaar gemaakt.

Voorbeeld III

Een "externe" loop-reactor volgens Fig.2B met een inhoud van 1,5 3 dm , waarvan de stijgbuis een diameter van 65 mm en de daalhuis een 30 diameter van 30 mm bezaten, werd met water (9 g/dm^ NaCl) gevuld. Door middel van een onder in de loop-reactor aangebrachte glasfilter met een diameter van 25 mm werd petroleum-ether 40/60 in de stijgbuis gepompt.

De circulatie in de loop-reactor werd met in de waterfase gesuspendeerde alginaatbolletjes met een diameter van 2 mm zichtbaar gemaakt. De circu-35 latietijd van deze alginaatbolletjes bedroeg ongeveer 3 seconden.

8603105

Claims

1. Werkwijze voor het uitvoeren van biotechnologische processen met behulp van een meer-fasensysteem in een loop-reactor, welk systeem een waterige fase omvat, met het kenmerk, dat men daarbij ten minste ëén niet met water mengbaar organisch oplosmiddel toepast, dat een van water verschillende dichtheid bezit.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men een niet met water mengbaar organisch oplosmiddel toepast, dat een kleinere dichtheid dan water bezit.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men als niet met water mengbaar organisch oplosmiddel n-hexaan of n-hexa-decaan toepast.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men een niet met water mengbaar organisch oplosmiddel toepast, dat een grotere dichtheid dan water bezit.

4 v

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 4, met het kenmerk, dat men als niet met water mengbaar organisch oplosmiddel FC-40 of FC-70 toepast.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men een tweetal niet met water mengbare organische oplosmiddelen in ten minste ten dele van elkaar gescheiden ruimten van de loop-reactor toepast, waarvan het ene oplosmiddel een kleinere dichtheid en het andere een grotere dichtheid dan water bezit. ie*ifk 8603105