DE4010587A1 - Anlage zur verwirklichung von biokatalytischen prozessen mit hilfe von biokatalysatoren fester phase - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwirklichung von biokatalytischen Vorgängen mit Hilfe von Biokatalysatoren fester Phase.

Als eine der sich am meisten dynamisch entwickelnden Gebiete der Biotechnologie können die unter dem Einsatz von Biokatalysatoren fester Phase vorgenommenen Vorgänge betrachtet werden. Biokatalysatoren fester Phase werden mit Hilfe der sogenannten Immobilisierungs- Fixierungs-Technik hergestellt, deren wesentliches Merkmal darin besteht, daß katalytisch aktive biologische Stoffe im Reaktorraum mit dem Ziel lokalisiert werden, ihr Eintreten in die strömende Phase zu verhindern. (J. Chem. Techn. Tiotech. 1984, 34, 127.) Biokatalysatoren fester Phase können durch die Immobilisierung, d. h. Fixierung von isolierten Enzymen, leblosen Zellen oder Zellkomponenten oder lebenden Zellen (Mikroben, pflanzlichen oder tierischen Zellen) hergestellt werden. In konkreten Fällen werden die zweckdienlichsten von diesen Möglichkeiten unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeits- oder/und Stabilitätsgesichtspunkte ausgewählt.

Die Verwendung von Biokatalysatoren fester Phase zeigt wesentliche wirtschaftliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen biokatalytischen Verfahren, nämlich:

• - Möglichkeit der Verwirklichung von kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Technologien;
• - Erhöhung der Volumenproduktivität;
• - Möglichkeit der Verminderung der Funktions-, z. B. Abwasserbehandlungs-, und der Produktgewinnungs­ kosten.

Im Fall einer mit immobilisierter Zellenfermentation erfolgenden Produktion sekundärer Metaboliten kann als weiterer Vorteil betrachtet werden, daß der Anwendung des kontinuierlichen Betriebes zufolge sich die Viskosität des Fermentsaftes vermindert und deshalb die Sauerstoffübertragung besser wird; gewisse Probleme der übermäßigen Anreicherung können vermieden werden und bei dem chemisch instabilen Produkt vermindert sich der Verlust. (Biotechnol. Bioeng. 1983. 25, 2399-2411).

Mit Anwendung von Biokatalysatoren fester Phase wurden zahlreiche verschiedene Reaktortypen entwickelt. Im industriellen Maßstab wird am häufigsten der sogenannte Festbettreaktor eingesetzt, z. B. für Zwecke der Glykoseisomerisation, der Aminosäureresolvierung oder Ethanolfermentation (Chem. Eng. Sci. 1985. 40, 1321-1354). Industriellen Maßstab aufweisende Wirbelschichtreaktoren sind im Verlaufe der mit immobilisierter Biomasse durchgeführten Abwasserbehandlung gebräuchlich (J. Walter Pollut, Control Ced. 1977, 49, 816). Für die Verwendung von Membranreaktoren im industriellen Maßstab gibt es ebenfalls Beispiele (Chem. Ing. Tech. 1988. 60, 16-23).

Zahlreiche Arten von "pilot plant" Reaktoren und Reaktoren in Laboratoriumsgröße sind ebenfalls bekannt. Die am häufigsten verwendeten Festbett- und Wirbelschichtreaktoren wurden auch in Formen mit mehreren Einheiten (in horizontalen und vertikalen Kaskaden) ebenfalls verwirklicht, unter anderem zur Verhinderung der Anreicherung des im Verlaufe des Vorganges anfallenden CO₂ (J. Chem. Tech. Biotech. 1987. 39, 75-84) bzw. im Interesse der Verminderung einer in axialer Richtung erfolgenden Substratlösungsrückmischung (Proc. 4th Eur. Congr. Biotech. Vol. 1, 1987, 273-276). Die sogenannten Außen- und Innenschleifen-(loop)Reaktoren dienen insbesondere zur Verwirklichung von Fermantationsprozessen mit immobilisierten Zellen. (Biotech. Bioeng. 1987, 30, 498-504; J. Chem. Tech. Biotechnol. 1986, 36, 415-426.

Obwohl - wie dies aus vorstehenden Ausführungen ebenfalls hervorgeht - zahlreiche Reaktortypen zur Durchführung der Biokatalyse mit fester Phase zur Verfügung stehen, sind ziemlich viele reaktortechnische Probleme ungelöst, insbesondere bei den Vorgängen, bei denen das Substrat eine Gasphase (in der Regel Sauerstoff) ist. Der Gas-Flüssigkeit-Stoffübertragung kommt auch bei der Mehrzahl der herkömmlichen biokatalytischen Systeme eine große Bedeutung zu, so bedingen z. B. die luftbedürftigen Mikroben das Erreichen einer sogenannten Sauerstofftransferrate (OTR) von 150 mmol per dm³ per h. Im Interesse der guten Ausnutzung des nützlichen Apparatevolumens besteht weiterhin die Forderung, daß der genannte OTR-Wert bei einer mäßig hohen Belüftungsrate (1-1,5 vvp) erreichbar wird. Da die Anwesenheit der zur Immobilisierung der bioaktiven Stoffe dienenden Trägerkörnchen in der Mehrzahl der Fälle die Gas-Flüssigkeit- Stoffübertragung beeinträchtigen - die Trägerkörnchen erhöhen nämlich die Agglomeration der Gasbläschen (Proc. 4th Eur. Cong. Biotech. 1987 Vol. 1, 101-104) - kann in den über herkömmliche Gasverteiler verfügenden dreiphasigen Fluidisationsblasen-Säulen oder "loop"-Systemen höchstens ein Bruchteil der vorgenannten OTR-Werte erreicht werden (Chem. Eng. Sci. 1987, 42, 543-553; Biotech. Bioeng. 1988, 32, 677-688). Die Intensivierung der Gasverteilung wird auch durch den Umstand erschwert, daß ein Großteil der Trägerstoffe eine verhältnismäßig geringe mechanische Stabilität aufweist, weshalb das Auftreten von größerenn Kraftwirkungen in der Zone der Katalyse zu vermeiden ist, so ist z. B. ein Großteil der Gele und der organischen und anorganischen Stoffe hoher Porosität nicht nur nicht zur Aufnahme der mit einer mechanischen Mischung verbundenen Schwerkräfte, sondern auch der durch hohe Turbulenz aufweisenden Flüssigkeits-Gasstrahlen verursachten Krafteinwirkungen (d. h. zu ihrem Ertragen) nicht in der Lage.

Bei einzelnen Fermentationsvorgängen, die mit Hilfe von gegen Infektionen besonders empfindlichen Mikroben-, pflanzlichen und tierischen Zellenkulturen durchgeführt werden, bedeutet es weitere Schwierigkeiten, daß die der Regel nach in Gel eingeschlossenen Zellen unter sterilen Bedingungen in den Fermentor geführt werden müssen. Die Konstruktion des Fermentors ermöglicht nämlich überhaupt nicht oder nur nach einem sehr komplizierten Verfahren die in situ erfolgende sterile Katalysatorkörnchen­ bildung.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Anlage zur Verwirklichung von biokatalytischen Vorgängen mit Hilfe von Biokatalysatoren fester Phase bereitzustellen, die eine intensive Gas-Flüssigkeit-Stoffübertragung gewährleistet, im Verlauf deren Betriebes die geringe mechanische Stabilität aufweisenden Katalysatorträgerkörnchen nicht beschädigt werden und die im Falle von besonderen sterilen Anforderungen in der Lage ist, die Funktionen der gelartigen Trägerkörnchen herstellenden Einrichtung und des Bioreaktors zu vereinen.

Die Erfindung beruht auf nachstehenden Erkenntnissen:

Wenn der die hohe spezifische Gas-Flüssigkeitsoberfläche sichernde Teil der Anlage von dem den Biokatalysator fester Phase enthaltenden Apparateteil getrennt wird, werden die Katalysatorkörnchen durch die die Gasdispergierung fördernden turbulenten Kraftwirkungen nicht belastet und demzufolge nicht beschädigt. Eine weitere Erkenntnis besteht darin, daß die Durchmischung der Gas- und der flüssigen Phase in wesentlichem Maße dadurch intensiviert werden kann, daß die Durchmischung in einer Zirkulationsleitung erfolgt, in die dispergierende Elemente eingebaut sind und deren Volumen nur einen verhältnismäßig geringen Anteil, vorteilhafterweise höchstens 10% des Volumens der Katalysatorzone der Anlage ausmacht. Weiterhin wurde in Erfahrung gebracht, daß durch entsprechende Wahl der Eintrittsrichtung und der Geschwindigkeit der in dem zur gegenseitigen Berührung, d. h. Kontaktierung des Gases und der Flüssigkeit dienenden Anlagenteil hergestellten Gas-Flüssigkeitsemulsion in den Reaktionsraum sowie der entsprechenden Wahl der Konstruktion (Ausgestaltung) des Reaktionsraumes in letzterem eine gleichmäßige Zirkulationsströmung der Katalysatorkörnchen sowie eine Erhöhung der Aufenthaltsdauer der Gasbläschen gesichert werden kann, und daß die Reaktionszone - durch entsprechende Ausbildung - dazu geeignet gemacht werden kann, daß die durch die sich an den Deckel anfügende Tropfbildnereinheit in dem der Biokatalyse vorausgehenden Zeitraum hergestellten Soletropfen - die Biokatalysatoren (z. B. Zellen oder Sporensuspension) enthalten - in der Reaktionszone koagulieren, wodurch die Biokatalysatorkörnchen in situ in der Anlage unter intensivierten Umständen hergestellt werden können.

Aufgrund dieser Erkenntnis wurde diese Aufgabe im Sinne der Erfindung mit Hilfe einer Anlage verwirklicht, die einen ein Einsatzrohr enthaltenden Reaktionsraum, eine zur Zuführung des Katalysators sowie der Speiseflüssigkeit und des Gases in den Reaktionsraum dienende Apparatur sowie eine zum Herauslassen des durch die Biokatalyse erhaltenen Produktes und des im Verlaufe des Vorganges ausgeschiedenen Gases dienende Apparatur und eine Umwälzpumpe besitzt, wobei für die Anlage kennzeichnend ist, daß sie eine mit ihren beiden Enden in den Reaktionsraum an übereinander befindlichen Stellen einmündende Rezirkulationsleitung besitzt, vor deren zur Herausführung des darin behandelten Mediums aus dem Reaktorraum dienenden Austrittsöffnung ein zum Zurückhalten der festen Katalysatorträger im Reaktorraum dienendes Filterelement angeordnet ist und daß die Rezirkulationspumpe in die Rezirkulationsleitung eingebaut ist, die sie in einen Druck- und einen Saugzweig trennt und daß in den Druckzweig, in Strömungsrichtung des behandelten Mediums betrachtet hinter der Pumpe, zuerst ein die Strömung beschleunigendes Element eingebaut ist und hiernach dann ein Gaseintrittsrohr einmündet und darauffolgend der Druckzweig ein oder mehrere Gasdispergierungselemente enthält.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist an den Reaktorraum oben eine einen Gasaustrittstutzen besitzende Phasenkammer angeschlossen, von der der Saugzweig der Zirkulationsleitung aus ihrem unteren Teil ausgeht, und wohin das im Reaktionsraum angeordnete Einsatzrohr hineinreicht.

Einem anderen vorteilhaften Erfindungsmerkmal entsprechend wird der zylindrische Reaktorraum unten durch ein ebenfalls zylindrisches unteres Element abgeschlossen, in dem ein sich an die Eintrittsöffnung des Druckzweiges der Zirkulationsleitung tangential anschließender Kanal vorgesehen ist. Vorteilhaft ist, wenn die obere Fläche des Untersatzelementes als eine von der unteren Linie der Einmündungsöffnung des Druckzweiges ausgehende und bis zur Oberlinie dieser Öffnung sich erstreckende, bogenförmige - gewindeartige - Fläche ausgebildet ist, sowie wenn durch das Untersatzelement ein außen mit einem Ventil versehener, oben hingegen vom Reaktorraum her mit einem Filterelement abgedeckter Ablaßstutzen durchgeführt ist, über dem Filterelement hingegen ein in das Innere des Einsatzrohres hineinreichendes, einen sich nach oben hin vermindernden Querschnitt aufweisendes kegeliges, die Strömung veränderndes Element befestigt ist.

Vorteilhaft ist auch das Ausführungsbeispiel, nach dem der zur Zuführung der zu behandelnden Flüssigkeit dienende Stutzen zwischen der Pumpe und dem die Strömung beschleunigenden Element in den Druckzweig der Zirkulationsleitung einmündet und der zum Herausführen des im Ergebnis des biokatalytischen Vorganges erhaltenen Produktes dienende Stutzen aus dem Saugzweig der Zirkulationsleitung austritt.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal hat die Anlage einen zur Zuführung des festen Biokatalysatorstoffes in den Reaktionsraum dienenden und in die Phasentrennkammer mündenden Stutzen.

Für eine vorteilhafte Ausführungsform der Anlage ist kennzeichnend, daß sie einen in die Phasentrennkammer mündenden, zur Zuführung der den Biokatalysatorstoff, z. B. die Bakterien einschließenden Soletropfen dienenden Tropfbildnerkopf besitzt, der mit einem zur Aufnahme des Solestoffes einen Mischer enthaltenden Behälter verbunden ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Tropfbildnerkopf und dem Behälter ein Ventil eingesetzt ist, sowie wenn der Tropfbildnerkopf zum Inneren der Phasentrennkammer gerichtete Tropfbildnerelemente besitzt.

Ist die Dichte der festen Katalysatorteilchen geringer als die der am biokatalytischen Vorgang teilnehmenden flüssigen Phase, so ist es vorteilhaft, ein Ausführungsbeispiel der Anlage zu verwenden, dessen wesentliches Merkmal darin besteht, daß das im unten kegeligen, oben zylindrischen Reaktionsraum verlaufende Einsatzrohr mit einem einen größeren Durchmesser aufweisenden oberen zylindrischen Teil und einem sich an diesen mit einem dazwischenliegenden kegeligen Teil anschließenden, einen kleinen Durchmesser aufweisenden unteren zylindrischen Teil ausgeführt ist, und die Anlage eine nach unten hin in die Fortsetzung des kegeligen unteren Teiles des Reaktionsraumes reichende kegelige Kammer besitzt, an die sich der Saugzweig der Zirkulationsleitung anschließt, und der Druckzweig der Zirkulationsleitung in den unteren Bereich des oberen zylindrischen Teiles des Einsatzrohres tangential eingeführt ist und vor der aus der Kammer austretenden Öffnung des Saugzweiges ein Filterelement angeordnet ist. In diesem Falle ist es vorteilhaft, wenn durch die die kegelige Kammer unten begrenzende Wand eine einer Hilfsgasstrom zuführende Düse durchgeführt ist, die zur Öffnung des in die Kammer hineinreichenden oberen zylindrischen Teiles des Einsatzrohres hin gerichtet ist.

Einem weiteren Erfindungsmerkmal entsprechend überschreitet die Länge des Druckzweiges der Zirkulationsleitung die Länge des Saugzweiges um das Mehrfache. Demzufolge kann die Zahl der Dispergierelemente erhöht und so die Intensität der Gas-Flüssigkeit-Stoffübertragung gesteigert werden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die Anlage eine oder mehrere mit Konfusor, Diffusor und diese verbindendem Spalt versehene Gasdispergierelemente. Derartige Gasdispergierelemente werden in erster Linie in den/die senkrechten oder nahezu senkrechten gehenden Abschnitt oder Abschnitte der Zirkulationsleitung eingebaut. In den/die waagerechten oder annähernd waagerechten Abschnitt bzw. Abschnitte des Druckzweiges werden mit einer Stange und ein diese umgebendes spiralförmiges Glied versehene Gasdispergierelemente vorgesehen.

Die Erfindung wird im weiteren unter Bezug auf Zeichnungen detaillierter beschrieben, die einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Konstruktionseinzelheiten der Anlage zeigen. Es zeigt:

Fig. 1a eine Ausführungsform der Anlage in senkrechtem Axialschnitt, zum Teil in Ansicht;

Fig. 1b den Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1a;

Fig. 1c ein Tropfbildnerelement in senkrechtem Axialschnitt in einem größeren Maßstab;

Fig. 1d ein Dispergierelement axonometrisch abgebildet mit einem größeren Maßstab;

Fig. 1e ein anderes Ausführungsbeispiel des Dispergierelementes in Vorderansicht;

Fig. 2a eine andere Ausführungsform der Anlage in senkrechtem Axialschnitt;

Fig. 2b die Art der Verbindung von drei Anlagen nach Fig. 2a zu einer Kaskadenreihe;

Fig. 3a ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anlage in ebenfalls senkrechtem Axialschnitt;

Fig. 3b den Schnitt entlang der Linie F-F in Fig. 3a.

Die in den Fig. 1a bis 1e dargestellte Anlage ist in einer zum Einschließen von in bezug auf Luft anspruchsvolle Mikroorganismen oder deren Sporen in Gel und zur Verwirklichung der mit den in Gel eingeschlossenen Mikroorganismen (Sporen) erfolgenden quasikontinuierlichen Fermentierung geeigneten Form aufgebaut (z. B. Immobilisierung des Brevibacterium flavum auf K-Karragenat- Trägern und dessen Verwendung zur L-Triptofan-Bio­ synthese).

Die Hauptteile sind eine unten angeordnete Fluidumzuführeinheit I, eine darüber angeordnete Autozirkulations- Reaktions-Einheit II; eine Phasentrenneinheit III; eine an deren Deckel angeschlossene Soletropfenbildnereinheit IV sowie eine Zwangszirkulations-Gasdispergiereinheit V, die die Fluidumzuführeinheit I und die Phasentrenneinheit III unter Umgehung der Reaktionseinheit II miteinander verbindet.

Die Fluidumzuführeinheit I besitzt ein zylindrisches Untersatzelement 1, in das von außen tangential ein Fluidumeintrittsstutzen 2 mündet, der - wie aus Fig. 1b ersichtlich - sich in den im Untersatzelement 1 ausgebildeten ebenfalls tangentialverlaufenden Kanal 2 fortsetzt. Eine untere abgrenzende Fläche 5 eines Raumteiles 4 (Fig. 1a) (siehe auch Fig. 1b) steigt zur senkrechten geometrischen Längsmittelachse x der Anlage gewindeartig (schrauben- bzw. wendelförmig) von der unteren Begrenzungskante der senkrechten Eintrittsebene einer Einmündungsöffnung 6 eines Kanals 3 beginnend und bei der oberen Begrenzungskante der gleichen Eintrittsebene endend, an.

Über dem Untersatzelement 1 ist mit einem Abstand ein mit seiner Spitze auf der senkrechten geometrischen Mittelachse x liegendes kegelförmiges, die Strömung veränderndes Element 8 angeordnet, das am Untersatzelement 1 mittels einer Schraube 7 befestigt ist. Zwischen der Grundfläche des die Strömung ändernden Elementes 8 und der Stirnfläche eines in Draufsicht kreisförmigen zentralen Teiles 9 (siehe auch Fig. 1b des Untersatzelementes 1) ist ein zylindrisches scheibenartiges Filterelement 10 angeordnet. Der Kegelwinkel des die Strömung hindernden Elementes 8 liegt vorteilhafterweise zwischen 50 und 70° und verhält sich um Durchmesser d _k seiner Grundfläche wie (1-1,2) : 2.

In das zylindrische Untersatzelement 1 der Fluidumzuführeinheit I sind zwei durch das Element 1 durchgehende senkrechte Stutzen 11, 12 eingebaut. Der Stutzen 11 dient zum Ablassen der Flüssigkeitsphase in einer von Katalysatorkörnchen freien Form (das Filterelement 10 hält nämlich, wie später zu sehen sein wird, diese Körnchen zurück), wogegen der Stutzen 12 zum vollständigen Ablassen der Flüssigkeits-Feststoffsuspension aus der Anlage vorgesehen ist. Die Stutzen 11 und 12 können mit Hilfe der zu ihnen gehörenden, jedoch außerhalb des Untersatzelementes 1 (unter diesem) angeordneten Ventile 13 bzw. 14 geöffnet und geschlossen werden.

Die Autozirkulations-Reaktionseinheit III weist einen durch ein zylinderförmiges Gehäuse 15 a begrenzten Reaktionsraum 15 auf. Der Innendurchmesser D₁ des Gehäuses 15 a ist gleich dem Durchmesser D _A des zylindrischen Untersatzelementes 1. Das Gehäuse 15 a wird mit einem Abstand durch einen zum Temperieren dienenden Mantel 16 a umgeben und so befindet sich zwischen dem Gehäuse 15 a und diesem Mantel 16 a ein schmaler, im Querschnitt ringförmiger, als Thermostat dienender Raum 16. Im Reaktionsraum 15 ist zentral ein einen Durchmesser von d₁ aufweisendes Einsatzrohr 17 angeordnet, mit anderen Worten, das Gehäuse 15 a, der als Thermostat wirkende Mantel 16 a und das Einsatzrohr 17 sind konzentrisch zur senkrechten geometrischen Mittelachse x angeordnet. Der genannte Durchmesser D₁ verhält sich zum Durchmesser d₁ wie 2 : 1. Der untere Rand des Einsatzrohres 17 reicht bis unter die Spitze des kegelförmigen, die Strömung verändernden Elementes 8, d. h. das Einsatzrohr 17 umgibt das die Strömung verändernde Element 8 - dessen oberen Teil - teilweise. Der senkrechte Abstand h₁, der zwischen dem unteren Rand des Einsatzrohres 17 und dem durch die Vertikalprojektion des Einsatzrohres auf dem Kegel ausgeschnittenen Kreis mit dem Durchmesser d _k liegt, ist so gewählt, daß die Oberfläche des zwischen diesem Kreis und dem unteren Rand des Einsatzrohres befindlichen imaginären Zylindermantels und die Querschnittsfläche des Einsatzrohres annähernd gleich sind.

Die Phasentrenneinheit III hat eine aus einem sich nach oben erweiternden kegelstumpfförmigen unteren Teil 19 und einem nach oben hin in dessen Fortsetzung zylinderförmigen oberen Teil 20 ausgeführte Kammer 18. Der untere Teil 19 ist an den Reaktionsraum 15 angeschlossen. Der Durchmesser D₂ des oberen Teiles 20 beträgt vorteilhafterweise etwa das 1,5-2-fache des Durchmessers D₁ des Reaktionsraumes 15. Die Höhe h₂ der Phasentrenneinheit III beträgt etwa ein Drittel bis ein Viertel der Höhe des Reaktionsraumes 15. Der untere kegelige Teil 19 der Phasentrenneinheit III beträgt vorteilhafterweise etwa ein Drittel der Höhe des oberen Teiles 20. Die Höhe L der Fluidumzuführeinheit I, der Reaktionseinheit II und der Phasentrenneinheit III - d. h. des eigentlichen Reaktors - überschreitet vorteilhafterweise nicht das 5-6-fache des Durchmessers D₁ des Reaktionsraumes 15.

Den das kegelstumpfförmige untere Teil 19 begrenzenden Mantel bedeckt innen ein - vorteilhafterweise aus Siebgewebe gefertigtes Filterelement 21, das auf entsprechende Weise kegelstumpfmantelförmig ist. Die Maschenweite des Filterelementes 21 wird so gewählt, daß es für Gas ein derartiges Hindernis darstellt, daß dieses in Richtung des geringeren Widerstandes in das Innere der Kammer aus der Flüssigkeit austritt. Aus dem unteren Teil 19 tritt ein Flüssigkeitsableitungsstutzen 22 und ein Probeentnahmestutzen 23 aus. Das senkrechte Einsatzrohr 17 reicht in den Innenraum des unteren Teiles 19 der Phasentrenneinheit III, und zwar um etwa 0,01-0,02 m über die durch die Mittelachsen der Stutzen 22 und 23 bestimmte Ebene (die Stutzen 22 und 23 sind vorteilhafterweise waagerecht angeordnet und ihre Mittelachsen sind in derselben waagerechten Ebene).

Der obere Teil 20 der Phasentrenneinheit III wird durch einen Deckel 24 abgeschlossen. In den Deckel 24 ist symmetrisch zur senkrechten geometrischen Mittelachse x ein zylinderischer Tropfbildnerkopf 25 der Soletropfbildnereinheit IV eingebaut. Auf diese Weise sind der Tropfbildnerkopf 25 sowie der untere Teil 19 und der obere Teil 20 der Phasentrenneinheit III mit der senkrechten geometrischen Mittelachse x konzentrisch. Der Tropfbildnerkopf 25 ist unter Zwischenfügung eines Ventils 26 und eines Stutzens 32 an einen Behälter 27 der Soletropfbildnereinheit IV angeschlossen. Aus dem Deckel 24 tritt ein Stutzen 28 aus, an den sich ein Kühler 29 anschließt. Der Durchmesser D _cs des Tropfbildnerkopfes 25 beträgt vorteilhafterweise etwa die Hälfte des Durchmessers D₁ des Reaktionsraumes 15. Auch der Tropfbildnerkopf 25 kann mit einem (nicht dargestellten) als Thermostat wirkenden Mantel umgeben sind und sein Volumen ist vorteilhafterweise ungefähr ein Zehntel des Volumens des Behälters 27 (Solebehälters), der ebenfalls Teil der Soletropfbildnereinheit IV ist.

Der unten kegelige und oben zylindrische Behälter 27 - der konzentrisch zur senkrechten geometrischen Mittelachse x angeordnet ist - wird durch einen Deckel 27 a abgeschlossen und aus dem Behälter treten durch diesen Deckel 27 a ein Impfstutzen 30, ein Füllstutzen 31 (Füllöffnung) sowie ein Stutzen 34 heraus, wobei an den letzteren eine (nicht dargestellte) Überdruckleitung angeschlossen ist. Der Mantel des Behälters 27 ist mit der Bezugsnummer 27 d bezeichnet; dieser Mantel 27 d wird mit einem Abstand durch einen Thermostatmantel 27 c umgeben, der mit dem Mantel 27 d zusammen einen schmalen, als Thermostat wirkenden Raum 27 d umgrenzt. Das Volumen des Behälters 27 beträgt vorteilhafterweise ca. 50% des Volumens des Reaktionsraumes 15 der Reaktionseinheit II. In den Behälter 27 - und zwar in dessen kegelstumpfförmigen unteren Teil - reicht ein Mischerpropeller 33 hinein, dessen Antriebswelle in die senkrechte geometrische Mittelachse x fällt und zu dessen Antrieb ein Motor M dient.

In eine Grundplatte des Tropfbildnerkopfes 25 sind Tropfbildnerelemente 35 eingebaut, von denen eines im Schnitt und in einem größeren Maßstab in Fig. 1c dargestellt ist. Im Tropfbildnerkopf 25 ist oberhalb der Grundplatte ein - vorteilhafterweise aus einem Siebgewebe mit einer Maschenweite von etwa 0,1 mm hergestelltes - Filter 36 eingebaut. Die Zahl der auf der Grundplatte kreissymmetrisch verteilten Tropfbildnerelemente 35 kann mit Hilfe der nachstehenden erfahrungsgemäßen Formel bestimmt werden:

Der Lochdurchmesser d _t der Tropfbildnerelemente 35 (Fig. 1c) beträgt 0,3-0,5 mm in Abhängigkeit von der Art der Sole.

Die mit Zwangszirkulation wirkende Gasdispergiereinheit V der Anlage ist mit einer im ganzen mit der Bezugsnummer 50 bezeichneten Zirkulationsleitung ausgerüstet, deren unteres Ende an den Stutzen 2 der Fluidumzuführeinheit I, und deren anderes Ende an den Flüssigkeitsableitstutzen 22 der Phasentrenneinheit III angeschlossen ist. Die Zirkulationsleitung 50 (deren größter Durchmesser vorteilhafterweise etwa ein Viertel bis ein Sechstel des Durchmessers D₁ des Reaktorraumes 15 beträgt) besteht aus zwei Abschnitten: ein Saugzweig 37 reicht vom Flüssigkeitsableitstutzen 22 bis zu einer eine veränderliche Förderleistung aufweisenden Umwälzpumpe 38, wogegen ein Druckzweig 39 von der Pumpe 38 bis zum Fluidumeintrittsstutzen 2 reicht. Die Einbaustelle der Pumpe 38 ist in der Zirkulationsleitung 50 so gewählt, daß sie möglichst nahe dem Stutzen 22 angeordnet ist, d. h. daß der Druckzweig 39 der Zirkulationsleitung 50 möglichst lang ist. Der Saugzweig 37 und der Druckzweig 39 können mit Hilfe eines in eine Umgebungsleitung 40 eingebauten Ventils 41 kurzgeschlossen werden.

Ein in dem Druckzweig 39 eingebautes, die Strömung beschleunigendes Element 42, vorteilhafterweise ein Konfusor (in Fig. 1a durch einen Ausbruch der Rohrwand sichtbar gemacht) dient zur Beschleunigung des Flüssigkeitsstromes auf eine hohe Geschwindigkeit. Zum Erreichen einer gleichmäßigen Gasströmung ist eine Düse 43 vorgesehen, die in einem zur Einleitung des zur Verwirklichung der biochemischen Reaktion erforderlichen Gases, im allgemeinen Sauerstoff (Luft), in Richtung des Pfeiles p (Fig. 1a) dienenden, in den Druckzweig 39, in die (mit dem Pfeil g bezeichnete) Mediumströmungsrichtung hinter dem Konfusor 42 einmündenden Rohr 44 angeordnet ist. In den zwischen dem Rohr 44 und dem Stutzen 2 liegenden Abschnitt des Druckzweiges 39 sind - ebenfalls durch einen Ausbruch des Rohres sichtbar gemacht - Dispergierelemente 45 eingebaut, von denen ein Element in axonometrischer Darstellung in größerem Maßstab in Fig. 1d dargestellt ist und die eine intensive Gasflüssigkeitsvermischung und die Dispergierung der Gasphase zu kleinen Bläschen sichern. Das in Fig. 1a und 1d sichtbare Dispergierelement 45 hat einen in der Mitte verengten Spalt, an dessen vorderes Ende - in mit dem Pfeil g bezeichnete (Fig. 1a) Mediumströmungsrichtung - ein Konfusor, an das andere Ende hingegen ein Diffusor angeschlossen ist (bzw. der Spalt 45 a - wie dies in Fig. 1d zu sehen ist - einerseits in den Konfusor 45 b, andererseits in den Diffusor 45 c übergeht) und im Falle einer von oben nach unten gerichteten Gasflüssigkeitsströmung vorteilhafterweise in einen senkrechten Rohrabschnitt eingebaut werden kann. Ein in Fig. 1e dargestelltes Dispergierelement 46 besteht aus einer geraden Stange 46 a und einem diese umgebenden schraubenlinienförmigen Glied 46 b; dieses Dispergierelement 46 ist vorteilhafterweise in einen waagerecht angeordneten Rohrabschnitt einzubauen. Die Dispergierelemente 45, 46 können auch vertauscht werden und ihre kennzeichnenden Abmessungen können aufgrund des Luftbedarfes der gegebenen Zellkultur und der Reaktorabmessungen bestimmt werden.

Teile der mit Zwangszirkulation arbeitenden Gasdispergiereinheit V bilden auch ein zur Zuleitung der Nährlösung (Pfeil o, Fig. 1a) dienender Stutzen 48, sowie ein zur Produktentnahme (Pfeil t, Fig. 1a) dienender Stutzen 49, die mit Hilfe von zu ihnen gehörenden Ventilen 47 a und 47 b geöffnet bzw. geschlossen werden können.

Die vorstehend beschriebene Anlage funktioniert auf nachstehende Weise:

Der Behälter 27 der Soletropfbildnereinheit IV wird bei geschlossener Stellung des Ventils 26 durch die Einfüllöffnung 31 mit einer wäßrigen Na-Alginatsole erforderlicher Konzentration aufgefüllt, hiernach wird die Einfüllöffnung 31 geschlossen und der ganze Reaktor (Bioreaktor) mit einem bei Fermentoren im allgemeinen angewandten Dampfsterilisierungsverfahren sterilisiert. Zur Durchführung dieses Arbeitsganges wird durch den Stutzen 44 der Gasdispergiereinheit V Dampf in das System gelassen, dessen Herausführung dann durch den aus der Kammer 18 der Phasentrenneinheit III austretenden Stutzen 28 erfolgt. Der Behälter 27 der Soletropfbildnereinheit IV und der Tropfbildnerkopf 25 werden durch den in den als Thermostat wirkenden Raum 27 b geleiteten, eine Temperatur von 120°C aufweisenden Dampf sterilisiert, wobei die im Behälter 27 befindliche Lösung zwecks Verbesserung der Wärmeübertragung mit Hilfe des Propellers 33 gemischt wird. Nach Abschluß des Sterilisierungsvorganges werden der Reaktorraum 15 und die Zirkulationsleitung 50 durch den zur Fluidumzuleitungseinheit I gehörenden Stutzen 12 entwässert und dann wird der Reaktor mittels des in dem als Thermostat wirkenden Raum 16 und die Solelösung mittels des in dem als Thermostat wirkenden Raum 27 b umgewälzten Kühlwassers auf Raumtemperatur abgekühlt.

Im nächsten Schritt wird der Reaktorraum 15 - und zum Teil die Kammer 18 - mit Hilfe der Pumpe 38 bis zur Höhe des oberen Randes des Einsatzrohres 17 mit einer sterilen CaCl₂-Füllungsmittellösung aufgefüllt, deren Zuführung in das System durch den Stutzen 48 erfolgt.

Die im Behälter 27 befindliche Solelösung wird durch den Impfstutzen 30 mit einer Brevibacterium flavum-Zellensuspension eingeimpft und die eingedampfte Lösung wird bis zum Erreichen einer gleichmäßigen Zellenkonzentration mittels des Mischpropellers 33 homogenisiert. Hiernach wird durch Öffnen des Ventils 26 die erhaltene homogenisierte Solezellsuspension aus dem Behälter 27 in den zylinderförmigen Tropfbildnerkopf 25 der Soletropfbildnereinheit geführt. Hier hält das Filter 36 die eventuell in der Suspension befindlichen gröberen Körnchen zurück und die Suspension selbst strömt in die Tropfbildnerelemente 35 weiter. Unter Einwirkung der durch den Stutzen 34 in den Behälter zugeführten sterilen Druckluft strömt die Suspension nach unten; die Strömungsgeschwindigkeit kann durch Änderung des Luftdruckes geregelt werden.

Die Tropfbildnereinheit 25 ist höchstens zu einer Zuführung einer Zellen/Sole-Suspension mit einem Volumenstrom von

w = 0,4 · n [dm³/h]

geeignet (in der Formel ist n die Zahl der Tropfbildnerelemente 35). Aufgrund der Formel kann z. B. mit einem einen Durchmesser von 0,2 m aufweisenden Reaktor ein Zuführvolumenstrom von 20 dm³/h erreicht werden und dieser Wert kommt der Leistung der in Großlaboratoriumsmaßstab eingesetzten bekannten Vibrationssoletropfbildnern größter Leistung nahe, wobei jedoch in Gegensatz zu diesen die Zellen keineswegs beschädigt werden.

Die Tropfen der Zellen/Solesuspension fallen aus dem Tropfbildnerkopf 25 in die im Reaktionsraum 15 befindliche CaCl₂-Füllungsmittellösung, verdichten sich dort zu Gel und setzen sich durch das Einsatzrohr 17 am Boden des Reaktors ab. Während der Zeitdauer der Entstehung der Gelkörnchen wird durch das Rohr 44 und die in dieses eingebaute Düse 43 ein steriler Luftstrom mit einer auf einen leeren Anlagenquerschnitt bezogenen linearen Geschwindigkeit von 1 cm/s entsprechenden Volumengeschwindigkeit durch die Zirkulationsleitung 50, den Stutzen 2 und den Kanal 3 (Fig. 1b) in den Reaktor geführt. Unter Einwirkung des tangential eingeführten und durch die gewindeartige Fläche 5 (Fig. 1b) zu einer schraubenlinienförmig aufwärts gerichteten Strömung gezwungenen Luftstrahles werden die auf dem Untersatzelement 1 abgesetzten Gelkörnchen mit der CaCl₂-Lösung zusammen in dem zwischen der Gehäusewand 15 a und der Außenfläche des Einsatzrohres 17 vorhandenen zylinderringförmigen Raum angehoben, gelangen dann bis zum oberen Rand des Einsatzrohres 17 und über diesen nach innen fallend senken sie sich unter Zirkulation im Reaktionsraum 15. Unter Einwirkung der mit dem sterilen Luftstrom hervorgerufenen Strömung verbessert sich die Feststoff-Flüssigkeitsphase-Stoffübertragung, d. h. die Ca²⁺-Ionen dringen in die Gelkörnchen ein und so kommt es - im Vergleich zu den bekannten Verfahren - während einer kürzeren Zeit zu einer Gelbbildung in ihrem ganzen Querschnitt, demzufolge die gelumhüllten Zellen einer eventuellen schädlichen Einwirkung der CaCl₂-Lösung weniger ausgesetzt sind.

Nach Abschluß der Gelkörnchenbildung wird das Ventil 26 geschlossen und der durch den Stutzen 34 auf den Innenraum des Behälters 27 ausgeübte Überdruck aufgehoben, das Ventil 13 wird geöffnet und durch den Stutzen 11 die CaCl₂-Lösung aus der Anlage entfernt; dann wird bei offener Stellung des Autozirkulationsventils 41 mit Hilfe der Pumpe 38 die Zuführung der sterilen Nährlösung in den Reaktor aufgenommen. (Nötigenfalls werden vor Zuführung der Nährlösung die Gelkörnchen mit sterilem destillierten Wasser gespült.) Die Nährlösung wird durch den Stutzen 48 in die Zirkulationsleitung 50 geführt.

Sobald der Pegel (Stand) der Nährlösung den oberen Rand des Einsatzrohres 17 erreicht, wird die Zuführung der Nährlösung eingestellt und das Ventil 41 abgesperrt, mittels der Pumpe 38 hingegen die Nährlösung weiter umgewälzt. Durch das Rohr 44 und die Düse 43 (wobei letztere dem Erreichen eines gleichmäßigen Gasstromes dient) wird ein sterilgefilterter Luftstrom in den Druckzweig 39 der Zirkulationsleitung 50 (Pfeil p, Fig. 1a) mit einem Volumenstrom zugeführt, der den Luftbedarf der Bakterienkultur mit einem Belüftungsratewert von 1-1,5 VVP sichert. Im Falle von hinsichtlich Luft anspruchsvollen Mikroorganismen ist es vorteilhaft, daß der Wert der sogenannten Sauerstofftransferrate (OTR= Oxydentransferrate) im Bereich von 150-250 mmol O₂/dm³h liegt. Dieses OTR-Intervall in der Anlage kann so erreicht werden, daß die Volumengeschwindigkeit des mittels der Pumpe 38 umgewälzten Flüssigkeitsstromes auf 50-80% der tatsächlichen Volumengeschwindigkeit des Gasstromes (sterilen Luftstromes) eingestellt wird. Unter Einwirkung der mit großer Turbulenz erfolgenden Gasflüssigkeitsströmung in den in die Zirkulationsleitung 50 eingebauten Dispergierelementen 45 und 46 (siehe auch Fig. 1d und 1e) entsteht eine hochfeine Gasflüssigkeitsemulsion und auch die Erneuerung der Stoffübertragungsoberfläche erfolgt außerordentlich intensiv. Der an den Dispergierelementen 45, 46 auftretende Druckabfall ist verhältnismäßig gering und überschreitet insgesamt den Wert von (0,8-1,0) · 10⁵ Pa nicht.

Die Gasflüssigkeitsdispersion tritt durch den Fluidumeintrittsstutzen 2 und den tangentialen Kanal 3 (Fig. 1b) in das Untersatzelement 1 des Reaktors und wird - auch durch die gewindeartige Ausgestaltung der Fläche 5 - zu einer schraubenlinienförmigen Aufwärtsbewegung gezwungen. Das mit einer Geschwindigkeit von 10-20 m/s einströmende, auch eine das Anheben der Flüssigkeit bewirkende Gasphase enthaltende Medium bewirkt im Reaktionsraum 15 in dem an der Außenseite des Einsatzrohres 17 befindlichen zylinderringförmigen Raumteil eine entlang einer Schraubenbahn ansteigende Flüssigkeitsbewegung. Die Gasbläschen bewegen sich - während des Steigens agglomerierend - auf einer gestreckteren Schraubenbahn als die Flüssigkeitsphase, wodurch einerseits die durchschnittliche Aufenthaltsdauer der Bläschen im Reaktionsraum erhöht wird, andererseits im Ergebnis (als Resultierende) der in verschiedenen Richtungen wirkenden Kräfte Scherspannungen auftreten, die die bereits agglomerierten Bläschen weiter zerkleinern, d. h. die spezifische Berührungsoberfläche der Gas- und der Flüssigkeitsphase im Reaktionsraum 15 erhöhen.

Der Flüssigkeitsstrom reißt die als Katalysatorträger wirkenden Gelkörnchen mit sich und diese werden in die Phasentrenneinheit III über den Rand des Einsatzrohres 17 angehoben und strömen dann durch das Einsatzrohr 17 mit dem durch die Gasbläschen hervorgerufenen Autozirkulations- Flüssigkeitsstrom zusammen in den unteren Teil des Reaktionsraumes 15 zurück. Die Strömung der Gelkörnchen (Biokatalysator fester Phase) und der Flüssigkeitsphase wird durch das die Strömung ändernde Element 8 gleichmäßiger gestaltet und hierbei wird auch das Zustandekommen eines toten Raumes in der Anlage verhindert. Die durch das Einsatzrohr 17 nach unten strömende Flüssigkeit nimmt auch feinverteilte Gasbläschen mit sich. Das Gas tritt in der Phasentrenneinheit III aus der Flüssigkeitsphase aus und verläßt durch den Stutzen 28 die Anlage. Der Flüssigkeitsstrom verläßt durch den Stutzen 22 die Phasentrenneinheit III, kann aber in den Stutzen 22 nur durch das Filter 21 einströmen, das die Biokatalysatorkörnchen (Gelkörnchen) zurückhält. Aus dem Stutzen 22 gelangt die Flüssigkeit in den Saugzweig 37 der Zirkulationsleitung 50 und von dort strömt sie über die Pumpe 38 in den Druckzweig 39 zurück.

Das Fortschreiten des Fermentationsvorganges und der Zustand der Nährlösung kann mit Hilfe von Analysen der durch den aus der Phasentrenneinheit III austretenden Stutzen entnommenen Proben beobachtet werden. In der Produktionsperiode der Fermentation kann mittels der an die Stutzen 48 und/oder 49 angeschlossen (nicht dargestellten) Zuführpumpe bzw. Zuführpumpen oder durch einen Überlauf auch die unterbrochene Nährlösungs- und Produktentnahme gelöst werden.

Im Falle der Notwendigkeit eines Nährlösungswechsels wird durch Öffnen des Ventils 13 (Fig. 1a) der Fermentsaft durch den Stutzen 11 abgelassen und der Reaktor auf die vorhergehend bereits detailliert beschriebene Art und Weise mit einer frischen Nährlösung aufgefüllt.

Nach Beendigung des vollen Fermentationszyklus wird der Fermentsaft mit den Katalysatorträger-Gelkörnchen zusammen durch Öffnen des Ventils 14 durch den Stutzen 12 abgelassen und dann wird mit Dampf sterilisiert.

Die Ausführungsform der Anlage entsprechend den Fig. 2a und 2b stimmt - vom Fehlen der Soletropfenbildnereinheit abgesehen - praktisch mit dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1a bis 1e überein und deshalb werden die bereits benutzten Bezugsnumerierungen zur Bezeichnung der gleichen Anlagenteile sinngemäß angewandt. Die Anlage nach Fig. 2a, 2b ist in einer zur Verwirklichung einer quasikontinuierlichen Fermentation mit an einen präformierten, die Dichte der behandelten Flüssigkeit unterschreitend dichten körnigen Trägerstoff immobilisierten Mikroorganismen geeigneten Form ausgebildet. Als Eigenheit des Vorganges gilt, daß er anaerob ist bzw. einen geringen Bedarf an Luft hat, wobei das als Nebenprodukt anfallende Gas (z. B. Kohlenstoffdioxyd) die Fermentation - z. B. die mit Saccharomyces-Zellen vorgenommene Ethanol-Fermentation - hindert, weshalb zur Verdrängung des CO₂ aus der flüssigen Phase ein inertes Gas (z. B. Stickstoff) oder ein inertes Gasluftgemisch verwendet wird. Ein weiteres charakteristisches Merkmal des Vorganges ist, daß das Produkt ebenfalls eine die Fermentation hindernde Wirkung aufweist und deshalb werden im Interesse der Verminderung der Flüssigkeitsrückmischung mehrere Anlagen in einer Kaskadenanordnung betrieben.

Wie darauf bereits hingewiesen wurde, weicht die Fluidumzuführeinheit der Anlage nach Fig. 2a von der gleichen Einheit nach Fig. 1a nur darin ab, daß sie mit einem als Thermostat wirkenden Raum 51 a umgeben ist. An die Phasentrenneinheit III ist oben nicht die Soletropfbildnereinheit angeschlossen, sondern in die Kammer 18 münden durch deren Deckel 53 ein Zuführstutzen 52, ein zur Zuführung vorgesehener Stutzen 54 sowie ein zum Herauslassen des Gases (der Luft) dienende Stutzen 55. Die Kammer 18 wird durch einen als Thermostat wirkenden Raum 56 a von außen begrenzenden Thermostatmantel 56 umgeben. Die vorteilhaften charakteristischen geometrischen Abmessungen sind im Falle dieses Ausführungsbeispiels folgende:

d _k : D₁ = 1 : 1,7;
D₁ : d₂ = 1,8 : 1.

Die mit Zwangszirkulation arbeitende Gasdispergiereinheit V sichert in diesem Falle auch die Verbindung zwischen den einzelnen Gliedern der Kaskadenanordnung und der Durchmesser der Zirkulationsleitung 50 beträgt etwa ein Fünftel des Durchmessers D₁ des Reaktionsraumes 15. Das in die Zirkulationsleitung 50 eingebaute, die Strömung beschleunigende Element 42, vorzugsweise ein Kofusor, dient auch in diesem Falle zu einer weitgehenden Erhöhung der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes, die Düse 43 hingegen zur gleichmäßigen Gestaltung des durch das Rohr 44 zugeleiteten Gasstromes und die Dispergierelemente 45 und 46 sind zur Sicherung der intensiven Gas-Flüssigkeitsdurchmischung sowie zur Zerteilung der Gasphase in kleine Bläschen vorgesehen.

Die sich an die Ventile 47 a und 47 b anschließenden Stutzen 49 bzw. 48 dienen zum Anschluß der einzelnen Glieder der in Fig. 2b dargestellten Kaskadenanordnung in die Kaskadenreihe. Wird die Anlage nach Fig. 2a als zweites Glied K₂ der Kaskadenanordnung nach Fig. 2b angesehen, so dient der Stutzen 48 zur Zuleitung der Nährflüssigkeit, was hinsichtlich des ersten Gliedes K₁ eine Flüssigkeitsentnahme ist, die vorteilhafterweise mittels einer Pumpe 57 vorgenommen wird. Durch den Stutzen 49 (Fig. 2a) erfolgt die Flüssigkeitsentnahme, was hinsichtlich des dritten Gliedes K₃ der Kaskadenreihe eine Zuleitung ist und zu diesem Arbeitsgang ist eine Pumpe 58 vorgesehen (Fig. 2b). Die Zuführausrüstung der ganzen Kaskadenreihe ist die Pumpe 59. Das Ineinklangbringen der Volumengeschwindigkeiten der durch die Pumpen geförderten Flüssigkeitsströme erfolgt vorteilhafterweise mittels einer Pegelregelung. Die einzelnen Kaskadenelemente können auch mit einem Leitungs- und Ventilsystem verbunden werden, mit dessen Hilfe ihre Reihenfolge im Verlaufe des Betriebes geändert werden kann. Die einzelnen Glieder K₁ bis K₃ (Reaktoren) des Kaskadenreaktors (der Kaskadenreihe) werden durch Leitungen 60 und 61 miteinander ver­ bunden.

Die Anlage nach Fig. 2a, 2b arbeitet auf folgende Weise:

Die einzelnen Glieder K₁ bis K₃ der Kaskadenreihe (Fig. 2b) werden mit Hilfe der Pumpen 57-59 mit Nährlösung aufgefüllt. Hiernach werden die Ventile 47 b geschlossen und die Reaktoren der Kaskadenreihe - dem allgemein bekannten Sterilisierungsverfahren der Fermentoren entsprechend - mit Dampf sterilisiert. Nach Abschluß des Sterilisierungsarbeitsganges werden die Reaktoren gekühlt, dann wird die Fermentationstemperatur eingestellt und in die sterilisierte Nährlösung werden durch den Zuführstutzen 52 die die immobilierten Saccaromyces-Zellen enthaltenden Biokatalysatorkörnchen zugeführt und der Pegel (Stand) der Nährlösung auf die Höhe des oberen Randes des Einsatzrohres 17 eingestellt (Fig. 2a).

Im nächsten Schritt wird steriles inertes Gas oder ein inertes Gas-Luftgemisch durch das die Düse 43 enthaltende Rohr 44 in die einzelnen Glieder K₁ bis K₃ des Kaskadenreaktors mit einem Volumenstrom zugeführt, der zum Verdrängen des im Verlaufe der Fermentation entstehenden CO₂ ausreicht und die Autozirkulation der Flüssigkeit/Feststoffsuspension im Reaktorraum sichert. Im Interesse der intensiven Gas-Flüssigkeitsstoffübertragung wird mit Hilfe der Umwälzpumpen 38 je Kaskadenglied die Flüssigkeit durch die in den Zirkulationsleitungen 50 befindlichen Dispergierelemente 45 und 46 umgewälzt (siehe auch das zu den Fig. 1a bis 1e geschriebene). Das CO₂ enthaltende Gas tritt in jedem Glied (Reaktor) K₁ bis K₃ in der Kammer 18 der Phasentrenneinheit III aus der Flüssigkeitsphase aus und verläßt durch den Stutzen 55 den Reaktor, wobei die Flüssigkeit durch das Filter 21 und den Stutzen 22 den Reaktionsraum 15 verläßt (das Filter 21 hält die Katalysatorkörnchen zurück) und gelangt durch den Saugzweig 37 der Zirkulationsleitung 50 in die Pumpe 38 und von dort in den Druckzweig 39 zurück.

Nach Erreichen der vorbestimmten Zellenzahl wird mittels der Pumpen 57-59 (Fig. 2b) die kontinuierliche sterile Nährlösungszuführung in Gang gesetzt und die kontinuierliche Produktentnahme vorgenommen.

Die in Fig. 3a und 3b dargestellte Ausführungsform dient zur Verwirklichung einer mit einem fixierten Enzym katalysierten biochemischen Reaktion, in dem sich das eine Substrat des Enzyms in der Flüssigkeitsphase, das andere Substrat des Enzyms in der Gasphase befindet und das Enzym an einem eine geringe Dichte aufweisenden, zur Deformation neigenden kleinkörnigen Trägerstoff fixiert ist. Eine derartige Reaktion ist z. B. die Oxydation von Glykose zu Glykonsäure, in der Anwesenheit eines an einen Polyalkylamid- Polymerisatträger fixierten Glykose-Oxydase­ enzyms.

Die Hauptteile der Anlage sind die Flüssigkeitsableiteinheit VI, die Reaktionseinheit II sowie die mit Zwangszirkulation arbeitende Gasdispergiereinheit V.

Die Flüssigkeitsableiteinheit VI besitzt eine sich nach oben hin erweiternde kegelstumpfförmige Kammer 63, in der ein Flüssigkeitsablaufstutzen 64 mündet und in die ein zur Zuleitung des Hilfsgasstromes dienender Stutzen 65 eintritt. Zum Entfernen der in der Anlage befindlichen Flüssigkeit in einem von Katalysatorträgerkörnchen freien Zustand ist ein mit einem Ventil 66 versehener Stutzen 67, zum Entfernen der ganzen Reaktorfüllung hingegen ein mit einem Ventil 68 versehener Stutzen 69 vorgesehen. Die in die Kammer 63 mündenden Öffnungen der Stutzen 64, 67 und 69 werden durch ein entlang der Innenflächen der Kammer angeordnetes ebenfalls kegelstumpfförmiges, vorteilhaft aus Siebgewebe gefertigtes Filterelement 70 vom Innenraum der Kammer abgegrenzt. Die Maschenweite des Filterelementes 70 ist auch in diesem Falle so gewählt, daß das Filterelement einen Widerstand für die Gasphase bedeutet, bei dem diese im Reaktionsraum in Richtung des geringeren Widerstandes nach oben strömt. An den zur Zuleitung des Hilfsgasstromes dienenden Stutzen 65 ist eine zum Inneren der Kammer 63 gerichtete Düse 71 angeschlossen, die zur Sicherung eines gleichmäßigen Gasstromes dient.

Der Kegelwinkel der Kammer 63 liegt vorteilhafterweise zwischen 50 und 70°, ihr mittlerer Durchmesser B _a kann etwa 1 : 3 des Durchmessers B₁ des Reaktors, ihre Höhe b _a hingegen etwa ein Fünftel der vollen Höhe L der Reaktors betragen.

An die Flüssigkeitsableiteinheit VI ist oben die Autozirkulations- Reaktionseinheit II angeschlossen, die einen sich nach oben hin erweiternden, kegelstumpfförmigen unteren Teil 73 und einen zylindrischen oberen Teil 74 besitzt. Der untere Teil 73 kann als eine Fortsetzung (Erweiterung) der Kammer 63 angesehen werden. Die Höhe des unteren Teiles 73 verhält sich vorteilhafterweise etwa so zur Höhe des oberen Teiles 74 wie 1 : 3. Die Höhe L des Reaktors, der aus der Flüssigkeitsableiteinheit VI und der Reaktionseinheit II zusammen besteht, ist vorteilhafterweise nicht größer als das 1,8-2,5-fache des Durchmessers B₁ des Reaktionsraumes 75 (des zylindrischen Oberteiles 74). In der senkrechten geometrischen Mittelachse x₁ des Reaktors ist ein im ganzen mit der Bezugsnummer 76 bezeichnetes Einsatzrohr angeordnet, das aus drei Teilen besteht: einem unteren zylindrischen Teil 77 mit einem kleinen Durchmesser e₁, einem oberen zylindrischen Teil 78 mit einem größeren Durchmesser e₃ und einem diese verbindenden sich nach oben erweiternden, kegelstumpfförmigen dazwischenliegenden kegeligen Teil 79, deren Länge von unten nach oben fortschreitend mit den Bezugsbuchstaben H₁, H₂ und H₃ bezeichnet wird. Vorteilhaft ist, wenn folgende Relationen bestehen: C₁ : C₂ : C₃= 3 : 1 : 3 und e₁ : e₃= 1 : 4; weiterhin wenn e₃ zu b₁= 1 : 2 ist. Die Höhe H₁ des Reaktionsraumes 75 ist gleich oder annähernd gleich der vollen Höhe des Einsatzrohres 76, wobei jedoch das untere Ende des unteren zylindrischen Teiles 77 des Einsatzrohres 76 in den Innenraum der Kammer 63 hineinreicht und in einem Abstand von etwa b _a/3 über der in diese Kammer hineinreichenden Spitze der Düse 71 angeordnet ist. Ein die Flüssigkeitsableiteinheit VI und die Reaktionseinheit II umgebender, als Thermostat wirkender Raum 80 wird durch einen diesen abgrenzenden Mantel 80 a umgeben.

In den oberen zylindrischen Raum 78 des Einsatzrohres 76 mündet etwa im unteren Viertel seiner Höhe c₃ tangential ein Fluidumzuführstutzen 81, der durch die Wand eines Behälters 72 (und durch den als Thermostat wirkenden Mantel 80 a) zugeführt ist. Der Stutzen 81 ist vorteilhafterweise waagerecht angeordnet und sein Durchmesser kann etwa 1/10 des Durchmessers e₃ des oberen zylindrischen Teiles 78 betragen.

Der Reaktionsraum 75 ist oben durch einen Deckel 82 abgeschlossen, durch den ein Gasaustrittsstutzen 83 aus dem Reaktionsraum 75 austritt und ein zur Zuführung des Katalysators dienender Stutzen 84 in diesen eintritt.

An den Stutzen 64 der Flüssigkeitsableiteinheit VI ist mit ihrem einen Ende und an den Fluidumzuleitungsstutzen 81 des Reaktorraumes mit ihrem anderen Ende eine Zirkulationsleitung 85 angeschlossen, in welche die Dispergierelemente 45 und 46 nach Fig. 1d und 1e eingebaut sind. Die Zirkulationsleitung 85 besitzt einen vom Stutzen 64 bis zu einer Umwälzpumpe 86 reichenden Saugzweig 87, sowie einen von der Pumpe 86 bis zum Fluidumzuleitstutzen 81 reichenden Druckzweig 88. In letzterem ist ein Konfusor 89 eingebaut, der zur weitgehenden Erhöhung der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes dient. Zur Zuleitung des Gasstromes ist ein eine Düse 91 enthaltender Stutzen 92 vorgesehen. In den zwischen dem Konfusor 89 und dem Stutzen 81 befindlichen senkrechten Abschnitt des Druckzweiges sind die Dispergierelemente 45 (Fig. 1d), in seine waagerechten Abschnitte hingegen die Dispergierelemente 46 (Fig. 1e) eingebaut; ein derartiges Dispergierelement 46 ist auch in dem Stutzen 81 angeordnet, wie dies aus Fig. 3b ersichtlich ist.

In den Saugzweig 87 mündet vor dem Stutzen 64 ein ein Ventil 84 enthaltender Stutzen 93, an den Druckzweig 88 hingegen ist vor dem die Strömung beschleunigenden Element, vorzugsweise einem Konfusor, ein ein Ventil 96 enthaltendes, zur Zuführung des zur Biokatalyse erforderlichen Gases, z. B. von Sauerstoff, dienendes Rohr 95 angeschlossen.

Die Anlage nach Fig. 3a und 3b arbeitet auf folgende Weise:

Die vorteilhafterweise chemisch sterilisierte Anlage wird durch den Katalysatorzuleitstutzen 84 mit in einem Glykosesubstrat suspendiertem Polyakrylamid- Perenzym aufgefüllt. Das Volumen der fixierten Enzymfüllung macht vorteilhafterweise etwa 40-50% des nützlichen Volumens des Reaktors aus. Hiernach wird mit Hilfe der Pumpe 86 durch Öffnen des Ventils 96 durch den Stutzen 95 dem Pfeil o entsprechend eine Glykosesubstratlösung in den Druckzweig 88 der Zirkulationsleitung 85 zugeführt und die Lösung durch den Stutzen 81 in den Reaktionsraum 75 eingespeist. Diese Zuführung wird solange fortgesetzt, bis der Flüssigkeitsstand den oberen Rand des Einsatzrohres 76 erreicht. Nun wird das Ventil 94 abgesperrt.

Nachdem mit der in dem als Thermostat wirkenden Raum 80 umgewälzten Flüssigkeit die Reaktionstemperatur eingestellt wurde, wird durch den Hilfsgasstromeintrittsstutzen 65 und die Düse 71 der die Autozirkulation der Flüssigkeitsphase und der Katalysatorkörnchen sichernde Hilfsluftstrom in Gang gesetzt. Die Volumengeschwindigkeit desselben wird vorteilhafterweise auf etwa 10% der Volumengeschwindigkeit des den Sauerstoffbedarf der Reaktion sichernden Luftstromes eingestellt (der durch den Stutzen 92 zugeführt wird). Die aus der Düse 71 aufsteigenden Bläschen üben, in den unteren zylindrischen Teil 77 des Einsatzrohres 76 gelangend, eine Saugwirkung auf die Flüssigkeitsphase und auf die eine geringere Dichte als die der darin suspendierten Flüssigkeit aufweisenden Biokatalysatorkörnchen aus. Auf diese Weise kommt im Einsatzrohr 76 eine aufwärts gerichtete Flüssigkeits - plus Körnchenbewegung zustande und die Zirkulation wird durch den zwischen der Außenwand des Einsatzrohres 76 und der Innenfläche der Wand des Behälters 72 befindlichen Raumteil geschlossen. Im Einsatzrohr 76 kommt es zu einer hochgradigen Agglomeration der Bläschen, d. h. der Hilfluftstrom ist als Sauerstoffquelle praktisch unbedeutend und dient lediglich zur Regelung der Körnchenzirkulation.

Die erforderliche Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeit wird in der Weise gesichert, daß in der Zirkulationsleitung 85 mit Hilfe der Umwälzpumpe 86 eine Flüssigkeitszwangszirkulation verwirklicht wird: die Pumpe 86 saugt durch den Flüssigkeitsablaufstutzen 64 die Flüssigkeit ab wobei das Filterelement 70 die Katalysatorkörnchen in der Kammer 63 zurückhält. Die Pumpe 86 befördert die Flüssigkeit in den Druckzweig 88, die dann dort mit dem durch den Stutzen 92 und die Düse 91 dem Pfeil p entsprechend zugeführten Speiseluftstrom vermischt wird und wobei die Dispergierelemente 45 und 46 - auf die anhand der Fig. 1a-1e beschriebene Weise - die erforderliche Sauerstoffüberführung aus der Gasphase in die Flüssigkeitsphase sichern.

Aus dem Druckzweig 88 strömt die Gasflüssigkeit-Dispersion durch den Fluidumzuleitstutzen 81 in den oberen zylindrischen Teil 78 des Einsatzrohres 76 des Reaktors, dann strömt die Flüssigkeit über den Rohrrand und gelangt mit dem Katalysatorkörnchen zusammen zwischen der Wand des Behälters 72 und der Außenfläche des Einsatzrohres 76 nach unten fließend in den unteren Teil des Reaktors zurück, wobei das Gas beim Überlaufen austritt und durch den Stutzen 83 den Reaktor verläßt.

Die durch den Stutzen 81 verwirklichte tangentiale Fluidumzuleitung hat die Bedeutung, daß die sich auf einer schraubenlinienförmigen Bahn bewegende, einen hohen Sauerstoffgehalt aufweisende Substratlösung in dem Einsatzrohr 76 sehr intensiv und über eine lange Zeitdauer hindurch mit den Katalysatorkörnchen in inniger Berührung steht und dadurch die entsprechende Umsetzung sichert.

Der kontinuierliche Betrieb kann durch eine über den Stutzen 95 in geöffneten Zustand des Ventils 96 in Richtung des Pfeiles o vorgenommene Substratlösungszuführung und eines in geöffnetem Zustand des Ventils 94 durch den Stutzen 93 in Richtung des Pfeiles vorgenommene Produktentnahme oder durch die Serienschaltung mehrerer Reaktoren verwirklicht werden.

Im Falle eines periodischen Betriebes des Reaktors kann das Produkt durch Öffnen des Ventils 66 über den Stutzen 67 aus der Kammer 63 herausgelassen werden. Ein vollständiges Entleeren des Reaktors kann durch Öffnen des Ventils 68 durch den Stutzen 69 erfolgen.

Die mit der Erfindung verbundenen vorteilhaften Auswirkungen können wie folgt zusammengefaßt werden:

Ein grundlegend wichtiger Vorteil der Anlage besteht darin, daß sie die Durchführung der einen hohen spezifischen Sauerstoffbedarf aufweisenden biokatalytischen Arbeitsgänge in Anwesenheit eines Biokatalysators fester Phase in der Weise - und zwar wirtschaftlich - ermöglicht, daß die sich aus der Verwendung von Biokatalysatoren fester Phase ergebenden eingangs genannten Vorteile maximal ausgenutzt werden, wobei durch die Intensivierung der Gas-Flüssigkeitsberührung und das gleichmäßige umwälzende Bewegen der auf dem Träger immobilisierten Biokatalysatorkörnchen die bei herkömmlichen Verfahren auftretenden Schwierigkeiten der Stoffübertragung beseitigt werden. Einen wesentlichen Vorteil bedeutet weiterhin der Umstand, daß - da der Reaktionsraum der Anlage von dem Raum der intensiven gegenseitigen Berührung der Dampf- und der Flüssigkeitsphase getrennt ist - die Katalysatorkörnchen keinen starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind und so während der Durchführung des biokatalytischen Arbeitsganges keinen Schaden erleiden.

Im Falle der Verwendung von gegen Infektionen besonders empfindlichen Zellkulturen als Biokatalysatoren bietet eine vorteilhaft aufgebaute Variante der Anlage die Möglichkeit, die Zellen in situ in Gel zu hüllen, d. h. zur Herstellung des festen körnigen Biokatalysators in der Anlage selbst und zwar intensiver als dies die bisher bekannten Lösungen geboten haben und unter sichereren Bedingungen.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch Einführung eines inerten Gases (oder eines Inertgas- und Luftgemisches) - bei dessen intensiver Verteilung - die Möglichkeit besteht, schädliche gasförmige Nebenprodukte aus der Flüssigkeitsphase des Fermentors zu verdrängen und zwar bei wirtschaftlichem Inertgasverbraucht.

Als wichtiger Vorteil ist schließlich zu erwähnen, daß in dem Falle, wenn die Anlage als Glied einer Kaskadenreihe verwendet wird, auch derartige biokatalytische Arbeitsgänge mit großer Effektivität verwirktlicht werden können, bei denen das Produkt oder/und das als Nebenprodukt anfallende Gas (z. B. Kohlenstoffdioxyd) den biokatalytischen Vorgang (z. B. die Fermentation) be­ hindert.

Die Erfindung beschränkt sich natürlich keineswegs auf die im vorstehenden detailliert beschriebenen Ausführungsformen der Anlage, sondern kann innerhalb des durch die Patentansprüche definierten Schutzumfanges auf vielerlei Weise verwirklicht werden.

Claims (15)

1. Anlage zur Verwirklichung von biokatalytischen Vorgängen mit Hilfe von Biokatalysatoren fester Phase, die einen ein Einsatzrohr enthaltenden Reaktionsraum, eine zur Zuleitung des Katalysators sowie der Nährflüssigkeit und des Gases in den Reaktionsraum dienende Apparatur, weiterhin eine zur Herausführung der durch die Biokatalyse erhaltenen Produkte und der im Laufe des Vorganges ausgeschiedenen Gase dienende Apparatur sowie eine Umwälzpumpe besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mit ihren beiden Enden an übereinander befindlichen Stellen in den Reaktionsraum (15, 75) einmündende Rezirkulationsleitung (50, 85) besitzt, vor deren zur Herausführung des im Reaktorraum (15, 75) behandelten Mediums aus diesem dienenden Austrittsöffnung ein zur Zurückhaltung der festen Katalysatorträger im Reaktorraums (15, 75) dienendes Filterelement (21, 70) angeordnet ist, daß eine Rezirkulationspumpe (38, 86) in die Rezirkulationsleitung (50, 85) eingebaut ist, die sie in einen Druckzweig (39, 88) und in einen Saugzweig (37, 87) teilt, wobei im Druckzweig (39, 88) in Strömungsrichtung (g) des behandelten Mediums hinter der Pumpe zuerst ein die Strömung beschleunigendes Element (42, 89) eingebaut ist, und dann ein Gaszuleitungsrohr (44, 92) einmündet und darauffolgend ein/mehrere (39, 88) Gasdispergierelement(e) (45, 46) enthalten ist/sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Reaktorraum (15) oben eine Phasentrennkammer (18) angeschlossen ist, die einen Gasaustrittsstutzen (28, 55) besitzt und der Saugzweig (37) der Zirkulationsleitung (50) aus dem unteren Teil dieser Kammer (18) ausgeht, wohin das im Reaktionsraum (15) angeordnete Einsatzrohr (17) hineinreicht.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reaktorraum (15) unten durch ein ebenfalls zylindrisches Untersatzelement (1) abgeschlossen ist, in dem ein sich an die Eintrittsöffnung des Druckzweiges (39) der Zirkulationsleitung (50) tangential anschließender Kanal (3) vorgesehen ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche (5) des Untersatzelementes (1) als eine von der unteren Ebene der Eintrittsöffnung des Druckzweiges (39) ausgehende und bis zur oberen Ebene dieser Öffnung reichende bogenförmige - gewindeartige - Fläche ausgebildet ist.

5. Anlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Untersatzelement (1) ein außen mit einem Ventil (13) versehenes, oben von dem Reaktorraum (15) her mit einem Filterelement (10) abgedeckter Ablaßstutzen (11) geführt ist und, über dem Filterelement (10) ein in das Innere des Einsatzrohres (17) hineinreichendes, nach oben einen sich vermindernden Querschnitt aufweisendes, kegeliges, die Strömung änderndes Element (8) angeordnet ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Zuführung der zu behandelnden Flüssigkeit dienende Stutzen (48, 95) in den Druckzweig (39, 88) der Zirkulationsleitung (50, 85) zwischen der Pumpe (38, 36) und dem zur Beschleunigung der Strömung dienenden Element (42, 89) einmündet, und der zum Herauslassen des als Ergebnis des biokatalytischen Vorganges erhaltenen Produktes dienende Stutzen (49, 93) aus dem Saugzweig (37, 87) der Zirkulationsleitung (50, 85) austritt.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Zuführung des festen Biokatalysatorstoffes in den Reaktionsraum (15) einen in die Phasentrennkammer (18) mündenden Stutzen (52) besitzt.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen in die Phasentrennkammer (18) mündenden, zur Zuleitung (Einspeisung) der den Biokatalysator (z. B. die Bakterien) umhüllenden Soletropfen dienenden Tropfbildnerkopf (25) besitzt, der mit einem zur Aufnahme des Solestoffes dienenden, einen Mischer enthaltenden Behälter (27) verbunden ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tropfbildnerkopf (25) und dem Behälter (27) ein Ventil (26) angeordnet ist.

10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tropfbildnerkopf (25) zum Inneren der Phasentrennkammer (18) gerichtete Tropfbildnerelemente (35) besitzt.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das im unten kegelförmigen und oben zylindrischen Reaktionsraum (75) befindliche Einsatzrohr (76) einen oberen zylindrischen Teil (78) mit größerem Durchmesser (e₃) und einen sich daran mittels eines dazwischenliegenden kegeligen Teiles (79) anschließenden unteren zylindrischen Teil (77) mit kleinerem Durchmesser (e₁) besitzt, und die Anlage eine nach unten hin in die Fortsetzung des unteren kegeligen Teiles (73) des Reaktionsraumes (75) führende kegelige Kammer (63) besitzt, an die der Saugzweig (87) der Zirkulationsleitung (85) angeschlossen ist, wobei der Druckzweig (88) der Zirkulationsleitung (85) im unteren Bereich des oberen zylindrischen Teiles (78) des Einsatzrohres (76) tangential eingeführt ist und vor der aus der Kammer (63) austretenden Öffnung des Saugzweiges (87) ein Filterelement (70) angeordnet ist.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch die die kegelige Kammer (63) unten abgrenzende Wand einen eine Hilfsgasstrom zuführende Düse (71) geführt ist, die in Richtung der Öffnung des unteren zylindrischen Teiles (77) des in die Kammer (63) hineinreichenden Einsatzrohres (76) gerichtet ist.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Druckzweiges (39, 88) der Zirkulationsleitung (50, 85) die Länge des Saugzweiges (37, 87) um das Mehrfache überschreitet.

14. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein mit Konfusor (45 b), Diffusor (45 c) und diese verbindendem Spalt (45 a) versehenes Gasdispergierelement (45) besitzt.

15. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein eine Stange (46 a) und wenigstens ein diese umgebendes schraubenlinienförmiges Glied (46 b) aufweisendes gasdispergierendes Element (46) besitzt.