203288. lajstromszámú szabadalom • Berendezés biokatalitikus folyamatok megvalósítására szilárd fázisú biokatalizátor segítségével
HU 203288B A találmány biokatalitikus folyamatok szilárd fázisú biokatalizátor segítségével történő megvalósítására szolgáló berendezésre vonatkozik. A biotechnológia egyik legdinamikusabban fejlődő területének a szilárd fázisú biokatalizátorok alkalmazásával végrehajtott műveletek tekinthetők. A szilárd fázisú biokatalizátorokat ún. immobüizálási (rögzítési) technika segítségével hozzák létre, amelynek az a lényege, hogy katalitikusán aktív biológiai anyagokat reaktortérben lokalizálnak abból a célból, hogy meggátolják az áramló fázisba kerülésüket. (J. Chem. Techn. Biotechn., 1984. 34, 127.) A szilárd fázisú biokatalizátorok izolált enzimek, élettelen sejtek vagy sejtalkotók, vagy élő sejtek (mikrobák, növényi vagy állati sejtek) immobilizálásával állíthatókelő. Konkrét esetekben e lehetőségek közül gazdaságossági vagy/és stabilitási szempontok figyelembe vételével választják ki a legcélszerűbbet. A szilárd fázisú biokatalizátorok alkalmazásának jelentős gazdaságossági előnyei vannak a hagyományos biokatalitikus eljárásokhoz képest, nevezetesen:- lehetővé válik folyamatos vagy kvázi-folyamatos technológia megvalósítása;-növelhetőa térfogati produktivitás;- csökkenthetők a működési (például szennyvízkezelési) és termék-kinyerési költségek. Szekunder metabolitok rögzített sejtes fermentációval történő termelése esetén további előnynek tekinthető, hogy a folyamatos üzemmód alkalmazásának köszönhetően csökken a fermentlc viszkozitása, ezért javul az oxigénátadás; bizonyos túlszaporodási problémák elkerülhetők, és kémiailag'instabil terméknél csökken a veszteség. (Biotechnoi. Bioeng. 1983.25,2399-2411.) A szilárd fázisú biokatalitikus műveletek végrehajtásához számos különéle reaktortípust fejlesztettek ki. Ipari méretben a leggyakrabban az ún. állóágyas reaktort alkalmazzák, például glükózizomeráció, aminosavrezolválás, vagy etanolfermentáció céljára. (Chem. Eng. Sei. 1985.40,1321-1354.) Ipari méretű fluidizációs reaktorok rögzített biomasszával végzett szennyvízkezelés során használatosak (J. Walter Pllut, Control Ced. 1977,49, 816). Membránreaktor ipari méretű alkalmazására ugyancsak van példa (Chem. Ing. Tech. 1988, 60, 16-23.) Számos fajtája ismeretes a „pilot plant”-nak és a laboratóriumi méretű reaktoroknak. A leggyakrabban használt állóágyas és fluidizációs reaktorokat többegységes formában (horizontális és vertikális kaszkád kivitelben) is megvalósították. Egyebek között a folyamat során keletkező CO2 feldúsulásának a meggátlása céljából (J. Chem. Tech. Biotech., 1987, 39, 75-84.), ületve az axiális irányú szubsztrátoldat-visszakeveredés csökkentése érdekében (Proc. 4th Eur. Congr. Biotech. Vol 1, 1987, 273- 276). Az ún. külső és belső hurok(loop)-reaktorok főként a rögzített sejtes fermentációs folyamatok megvalósítására szolgálnak. (Biotech. Bioerg. 1987, 30, 498-504; J. Chem. Tech. Biotechnoi. 1986, 36, 415-426.) Annak ellenére, hogy — amint a fent ismertetettekből is kitűnik — számos reaktor típus létezik a 1 szilárd fázisú biokatalízis végrehajtására — meglehetősen sok reaktortechnikai probléma megoldatlan, elsősorban azoknál a folyamatoknál, amelyeknél az egyik szubsztrát gázfázis (rendszerint oxigén). A gáz-folyadék anyagátadásnak a hagyományos biokatalitikus rendszerek többségénél is nagy a jelentősége, például levegőigényes mikrobák szükségessé teszik, hogy az ún. oxigéntranszfer-ráta (OTR) elérje a 150 mmól/dm'Vh értéket. A hasznos készüléktérfogat jó kihasználása érdekében igény továbbá, hogy az említett OTR-érték mérsékelten nagy szellőztetési ráta (1-1,5 wp) mellett elérhető legyen. Mivel a bioaktív anyagok immobilizálására szolgáló hordozószemcsék jelenléte az esetek többségében rontja a gáz-folyadék anyagátadást — a hordozószemcsék ugyanis fokozzák a gázbuborékok agglomerációját (Proc. 4th Eur. Congr. Biotech. 1987. Vol 1. 101-104.) — a hgyományos gázelosztókkal rendelkező háromfázisú fluidizációs buborék-kolonna vagy „loop” rendszerekben a fent említett CTR értéknek legfeljebb a töredéke érhető el (Chem. Eng. Sei. 1987, 42, 543-553; Biotech. Bioeng. 1988,32,677-688). Nehezíti a gázelosztás intenzifikálását, hogy a hordozóanyagok nagy részének viszonylag kicsi a mechanikai stabilitása, emiatt kerülni kell a jelentős erőhatások fellépését a katalízis zónájában, például a gélek és a nagyporozitású szerves és szervetlen anyagok nagy része nemcsak a mechanikus keveréssel járó nyíróerők, de a nagy turbulenciájú folyadék, vagy folyadék-gáz sugarak okozta erőhatások elviselésére is képtelen. Egyes fermentációs folyamatoknál, amelyeket fertőzésre különösen érzékeny mikroba-, növényi és állati sejttenyészetekkel hajtanak végre, további nehézséget jelent, hogy a rendszerint gélbe zárt sejteket steril körülmények között kell a fermentorba juttatni. A fermentor szerkezete ugyanis általában nem — vagy csak igen bonyolult eljárással — teszi lehetővé in situ a steril katalizátorszemcse-képzést. A találmány feladata, hogy olyan berendezést szolgáltasson biokatalitikus folyamatok szilárd fázisú biokatalizátor segítségével történő megvalósítására, amely intenzív gáz-folyadék anyagátadást biztosít, amelynek üzemeltetése során a kis mechanikai stabilitású katalizátorhordozó szemcsék sem károsodnak, és amely berendezés különleges sterilitási igények esetén egyesíteni képes a géltípusú hordozószemcse-képző berendezés és a bioreaktor funkcióit. A találmány az alábbi felismeréseken alapul: Ha a berendezésnek a nagy fajlagos gáz-folyadék átadási felületet biztosító részét elkülönítjük a szilárd fázisú biokatalizátort tartalmazó készülékrésztől, a gázdiszpergálást elősegítő turbulens erőhatások a katalizátorszemcséket nem terhelik, következésképpen azok nem károsodnak. További felismerésünk, hogy a gáz- és folyadékfázis keveredése jelentősen intenzifikálható azáltal, hogy a gáz- és folyadékfázis keveredése jelentősen intenzifikálható azáltal, ha a keverés olyan cirkulációs vezetékben történik, amelybe diszpergáló elemek vannak beépítve, és amelynek a térfogata a berendezés katalízis-zónája térfogatának csak viszonylag kis hányadát, célszerűen legfeljebb 10%-át teszi ki. Felismertük továbbá, hogy a gáz-folyadék éritnkeztetésére 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
