NL8403497A - Werkwijze en inrichting voor het uitvoeren van een microbiologisch of enzymatisch proces. - Google Patents

Description

f --l NO 32.755 '

Aanvraagster noemt als uitvinders: Dr. Ir. N.M.G. Oosterhuis en

Dr. K. Koerts.

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het uitvoeren van een micro-biologisch of enzymatisch proces.

De uitvinding heeft in eerste instantie betrekking op een werkwijze voor het uitvoeren van een micro-biologisch of enzymatisch proces.

Gebruikelijk is dat dergelijke reacties worden uitge-5 voerd in een van één of meer roerorganen voorzien vat. Gebleken is dat bij gebruik van een dergelijke reactor in de circulatietijd, dat is de tijd dat een vloeistofelementje nodig heeft om vanaf de roerder door het vat rondgevoerd en terug naar de roerder te worden gevoerd, een sterke spreiding optreedt. Deze spreiding heeft een ongunstige invloed op het 10 rendement van het proces, immers zullen de vloeistofdeeltjes met een relatief snelle circulatietijd te kort worden onderworpen aan de behandeling (onvolledige omzetting), terwijl vloeistofdeeltjes met een trage circulatietijd te lang aan de behandeling worden blootgesteld. In het geval van fermentatieprocessen wordt ter bevordering van de vermenigvul-15 diging van aërobe bacteriën en hun eventuele productvorming, vaak lucht aan het reactiemengsel toegevoerd dat bij toepassing van een geroerd vat een relatief hoge zuurstofconcentratie bij de roerder en een relatief lage zuurstofconcentratie bij de vatwand tot gevolg heeft. Deze nadelige verschijnselen worden versterkt naarmate de Theologische eigenschappen 20 van het mengsel veranderen. Om toch een zo volledig mogelijke omzetting te bereiken, zijn vaak zeer hoge energiekosten noodzakelijk, de energie wordt vooral gebruikt voor het roeren.

Een ander probleem dat zich bij het uitvoeren van micro-biologische of enzymatische processen voordoet, is dat het vanaf 25 laboratoriumschaal op technische schaal vergroten (opschalen) van de apparatuur gepaard gaat met grote verandering van de condities waaronder het proces verloopt.

Met de uitvinding wordt beoogd dat bij schaalvergroting van een micro-biologisch en/of enzymatisch proces de reactiecondities 30 onafhankelijk van de grootte van de reactor optimaal zijn en de gebruikte energie tot een minimum wordt beperkt.

Volgens de uitvinding is de in de aanhef aangeduide werkwijze hiertoe gekenmerkt doordat reactiecomponenten worden toegevoerd in een circuiatiebuis zonder einde, doordat deze componenten in die buis 8403497 -2- « ï * i nagenoeg volgens een propstroom worden gecirculeerd en door één of meer binnen de buis aangebrachte in-lijn-mengers worden geleid, doordat op ten minste één plaats de concentratie van een reactiecomponent of een daarvan afgeleide waarde wordt gemeten en doordat aan de hand van die 5 meting de reactiesnelheid binnen kritische minimum en maximum grenzen wordt geregeld. Bij voorkeur wordt van statische mengers gebruik gemaakt.

Onder de reactiesnelheid van een bio-technologisch proces wordt verstaan de snelheid, waarmee een bepaalde graad van chemische omzetting bereikt wordt. Het kan daarbij gaan om de snelheid 10 van een bepaalde zuurstofopname, koolzuurproductie, warmteproductie, substraatverbruik, productvorming en dergelijke. In het algemeen geldt dat de reactiesnelheid toeneemt tot een bepaalde concentratie van een reactiecomponent (C-minimum kritisch) vervolgens min of meer constant blijft tot een bepaalde hogere concentratie van die component (C-maximum 15 kritisch) en tenslotte afneemt bij concentraties van die component die nog hoger zijn. Het zal duidelijk zijn dat het gunstig is dat tijdens het uitvoeren van een proces de concentratie van een component tussen de kritische minimum en maximum concentratiewaarden wordt gehouden. Door toepassing van de gesloten buis die geheel is gevuld met reactiecompo-20 nenten en waarin onder andere met behulp van in-lijn-mengers een propstroom wordt gehandhaafd, kan de concentratie van de component of van meer componenten tussen de kritieke waarden worden gehouden mits de reactiesnelheid met behulp van één of meer concentratiemetingen of metingen van daarvan afgeleide waarden in de hand wordt gehouden. In het 25 bijzonder komt de stroomsnelheid van de propstroom in aanmerking om te worden geregeld aan de hand van de meting of metingen van de concentratie van een component of een daarvan afgeleide waarde. Deze stroomsnelheid bepaald in feite de contacttijd tussen de verschillende reactiecompo-nenten, terwijl ook transportgrootheden (gas-vloeistof; vloeistof-vloei-30 stof; vast-vloeistof) door de stroomsnelheid worden bepaald.

Behalve voor het regelen van de stroomsnelheid van de propstroom kan worden gekozen voor het regelen van de toevoersnelheid van een substraat, dit is een reactiecomponent die als voedingsstof wordt verbruikt. Ingeval van aërobe micro-biologische productvorming bestaat 35 één van de substraten uit luchtzuurstof. Het komt erop neer dat de concentratie van het substraat in de circulatiebuis direct achter de menger kleiner zal zijn dan de kritische maximumwaarde, terwijl direct voor de menger, dat wil zeggen aan het eind van de circulatiebaan, deze waarde groter moet zijn dan de kritische minimumwaarde. De reactiesnelheid kan 4-0 beheerst worden door bij een zorgvuldig gekozen omloopsnelheid van de 8403497 * -3- ft- propstroom aan de hand van metingen van de substraatconcéntratie meer of minder substraat toe te voeren. Voor het bereiken van energiebesparing verdient het echter de voorkeur om bij een zorgvuldig gekozen substraat-toevoer de reactiesnelheid te beheersen door regeling van de stroom-5 snelheid van de propstrooro aan de hand van metingen van de concentratie van een reactiecomponent of een daarvan afgeleide waarde. Overigens is niet uitgesloten dat de reactiesnelheid wordt beheerst door het tegelijkertijd regelen van de propstroomsnelheid en de toevoer van een reactiecomponent.

10 Van invloed op het proces zijn onder andere ook het aantal injectiepunten van substraat en de dimensionering van de statische mengelementen en het aantal daarvan. Deze liggen voor een bepaalde inrichting echter meestal vast en zijn daarom meestal ongeschikt om aan regeling te worden onderworpen.

15 Wezenlijk voor het uitvindingseffect is dat zowel de optimalisatie van de reactor als de sturing van de procescondities wordt bepaald door de reactiekinetiek.

Toepassing van statische mengers heeft het voordeel dat relatief weinig energie wordt verbruikt en dat het reactievolume betrek-20 kelijk klein kan zijn, terwijl de vloeistof zich als een propstroom beweegt.

De uitvinding kan onder andere worden toegepast bij de fermentatiebereiding van polysacchariden uit water, glucose en voedings-zouten met lucht als substraat en onder invloed van aërobe bacteriën. Een 25 andere toepassing is de bereiding van gist uit water, glucose en voedings-zouten en een weinig gist. Ook de bereiding van lipase (met oliezuur als substraat), de oxidatie van etheen door miero-organismen, de bereiding van SCP (single cell protein) onder gebruikmaking van in water gedispergeerde paraffine behoort tot de mogelijkheden.

30 In plaats van de concentratie van een reactiecomponent zelf kan een daarvan afgeleide waarde worden gemeten, waarvoor afhankelijk van het proces onder andere in aanmerking komen de pH, de zuurstof-druk, de temperatuur en dergelijke.

De uitvinding betreft tevens een reactor voor het uit-35 voeren van micro-biologische of enzymatische processen. Volgens de uitvinding is deze reactor gekenmerkt door een circulatiebuis zonder einde in ten minste een gedeelte waarvan een statische menger is aangebracht, middelen voor de circulatie van in de buis toegevoerde reactiecomponenten, ten minste één meetelement voor het meten van de concentratie van één of vomeer reactiecomponenten of een daarvan afgeleide waarde, regelmiddelen 8403497 ·· * -4- voor het regelen van de reactiesnelheid afhankelijk van de gemeten waarde. Bij voorkeur omvat de reactor een circulatiepomp waarbij de regelmiddelen de pompsnelheid afhankelijk van de gemeten waarde kunnen regelen voor het regelen van de reactiesnelheid.

5 Om het proces tussen kritische minimale en maximale reactiesnelheden te kunnen regelen zal de reactor op twee plaatsen van meetelementen zijn voorzien voor het meten van de in hoofézaak maximale -en de in hoofdzaak minimale concentratie van een daarvan afgeleide waarde.

10 Een practische uitvoering van de reactor omvat een verticale stijgbuis, een verticale daalbuis en twee horizontale verbin-dingsbuizen waarbij ten minste in de stijgbuis één of meer statische mengers zijn aangebracht. Voorts is in de onderste horizontale buis een , circulatiepomp aangebracht terwijl een substraattoevoerorgaan in het 15 ondereinde van de stijgbuis uitmondt. Een substraatafvoerorgaan mondt in het boveneinde van de daalbuis uit. Een meetorgaan voor het meten van de maximale substraatconcentratie of een daarvan afgeleide waarde is aangebracht in het boveneinde van de stijgbuis en een meetorgaan voor het meten van de minimale substraatconcentratie of een daarvan afgeleide 20 waarde is aangebracht in het ondereinde van de daalbuis.

De uitvinding zal nu aan de hand van de figuren, waarin een uitvoeringsvoorbeeld min of meer schematisch is weergegeven, nader worden toegelicht.

Figuur 1 toont een zij-aanzicht, met een klein gedeelte 25 in doorsnede, van de reactor volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont een langsdoorsnede van een detail.

De weergegeven reactor bestaat uit een circulatiebuis zonder einde en een stijgbuis 1, een daalbuis 2, een bovenste horizontaal verbindingsstuk 3 en een onderste horizontaal verbindingsstuk 4. Het 30 geheel wordt ondersteund door een gestel 5.

De stijgbuis 1 omvat een aantal in-lijn-mengers, bij voorkeur uitgevoerd als statische mengers 6 die reactiecomponenten zonder aangedreven roerorganen kunnen mengen door het verdelen van de hoofdstromen, het van plaats verwisselen van de deelstromen en het weer ver-35 enigen van de deelstromen. Statische mengers zijn onder andere beschreven in de Nederlandse octrooiaanvragen 75.02953, 77.00090 en 80.04240. De voorkeur verdienen Sulzer SMV of SMX mengers. Zoals uit figuur 2 blijkt is elke statische menger omgeven door een koel/verwarmingsmantel 7 waarin via stompen 8 en 9 een warmtedrager kan worden toe- respectievelijk afge-40 voerd. Ook in de daalbuis kunnen statische mengereenheden zijn aangebracht, 8403457 t ·- -5- en uitgevoerd zijn met een koel/verwarmingsmantel.

In het onderste horizontale gedeelte 4 is een circula-tiepomp 11 opgenomen, bijvoorbeeld uitgevoerd als tandwielpomp.

De reactor werkt in het algemeen portiegewijs hoewel 5 continue toe- en afvoer van reactiecomponenten niet is uitgesloten. De reactor wordt eerst geheel gevuld met de vloeibare en eventueel vaste reactiecomponenten. Vervolgens wordt voor het teweegbrengen van een propstroom de pomp 11 ingeschakeld en wordt een van de substraten, dat in het geval van aërobe microbiële productieprocessen, lucht is, toege-10 voerd via de pijp 12. In de statische mengers vindt een innige menging van de reactiecomponenten plaats. De componenten worden door de (aërobe) bacteriën gedeeltelijk geconsumeerd, waardoor de bacteriën zich vermenigvuldigen en eventueel een product uitscheiden.

Volgens de uitvinding wordt de concentratie van een 15 reactiecomponent of een daarvan afgeleide waarde op één of meer plaatsen gemeten en wordt de reactiesnelheid aan de hand van de meting geregeld.

In figuur 1 bevinden zich meetelectroden 13, 14 respectievelijk aan het boveneinde van de stijgbuis 1 en aan het ondereinde van de daalbuis 2.

Deze meetelectroden zijn verbonden met een regeleenheid 20 15 die de pomp 11 zodanig stuurt dat de reactiesnelheid binnen kritische minimale en maximale grenzen komt te liggen. In het bijzonder zal de meetelectrode 13 worden gebruikt om na menging de hoogste concentratie aan substraat vast te stellen terwijl het doel van meetelectrode 14 is om de laagste concentratie aan substraat te bepalen. Voor het bereiken 25 van een optimale reactiesnelheid zal de propstroomsnelheid door de pomp zo worden ingesteld dat de concentratie van het substraat steeds binnen een maximale en minimale kritische waarde komt te liggen. Een en ander houdt concreet in dat indien de meetelectrode 13 vaststelt dat de hoogste concentratie aan substraat boven de kritische maximale waarde komt te 30 liggen, de pompsnelheid zal worden verlaagd, terwijl als door meetelectrode 14 wordt gemeten dat de laagste substraatconcentratie onder de kritische minimumwaarde komt te liggen de pompsnelheid zal worden verhoogd.

Ingeval van de aërobe microbiële productieprocessen, 35 is luchtzuurstof een van de substraten. Deze zuurstof wordt met behulp van de aërobe bacteriën geconsumeerd. Na menging zal overtollig gas moeten worden afgescheiden hetgeen geschiedt bij de vloeistof-gasscheider 16 die van het hydrocycloontype is.

De meetelectroden meten de concentratie van het sub-40 straat of een andere reactiecomponent zelf of een waarde die een directe 840349? -6- functie is van die concentratie waardoor afhankelijk van het proces onder andere in aanmerking komen de pH, de zuurstofdruk,, de temperatuur en de druk'.

De reactor omvat tussen de statische mengers nog 5 tussenstukken 17 via welke bepaalde componenten kunnen worden toegevoerd.

In de weergegeven uitvoering wordt de pompsnelheid geregeld om de reactie een optimaal verloop te laten hebben. Niet uitgesloten is dat de pompsnelheid constant is en dat de toevoersnelheid van substraat en/of andere reactiecomponenten wordt geregeld aan de hand van 10 metingen van concentraties of daarvan afgeleide waarden. Er kan op meer plaatsen geïnjecteerd worden en het aantal injectiepunten kan aan de hand van genoemde metingen worden gevarieerd. Ook regeling van de pro-ductafvoersnelheid behoort tot de mogelijkheden.

De beschreven reactor in de vorm van een gesloten buis 15 met statische mengers, meetelectroden en een regeleenheid voor het optimaliseren van de reactiesnelheid is toepasbaar voor vele verschillende micro-biologische en/of enzymatische processen. Belangrijke voordelen van de reactor zijn dat de condities waaronder de reactie plaats vindt, onafhankelijk van de grootte van de reactor kunnen worden geoptimaliseerd 20 en dat het energieverbruik tot een minimum kan worden beperkt. Het opschalen van een proces wordt vergemakkelijkt doordat het procesverloop in de reactor goed te beschrijven en daardoor te modelleren is.

De reactor is in het bijzonder geschikt voor de productie van stoffen die de rheologie van het medium sterk beïnvloeden 25 (bijvoorbeeld microbiële polysacchariden). Dit omdat de stroming goed gedefinieerd is en door variatie van de vloeistofstroomsnelheid het hydrodynamische regime constant gehouden kan worden.

8 4 Ö 3 4 9 7

Claims (7)

1. Werkwijze voor het uitvoeren van een micro-biologisch en enzymatisch proces, met het kenmerk, dat reactiecomponenten worden toegevoerd in een circulatiebuis zonder einde, dat deze componenten in die buis nagenoeg volgens een propstroom worden gecirculeerd en door 5 één of meer binnen de buis aangebrachte in-lijn-mengers worden geleid, dat op ten minste één plaats de concentratie van een reactiecomponent of een daarvan afgeleide waarde wordt gemeten en dat aan de hand van die meting de reactiesnelheid binnen kritische minimale en maximale grenzen wordt geregeld overeenkomstig de kinetiek van het proces.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het ken merk. dat de reactiesnelheid wordt geregeld met behulp van het regelen van de stroomsnelheid van de propstroom in de circulatiebuis.

3. Werkwijze volgens conclusie l,met het kenmerk, dat de reactiesnelheid wordt geregeld met behulp van het regelen 15 van de toevoer van reactiecomponenten in de circulatiebuis.

4·. Reactor voor het uitvoeren van micro-biologische of enzymatische processen, gekenmerkt door een circulatiebuis zonder einde in ten minste een gedeelte waarvan een in-lijn-menger is aangebracht, middelen voor de circulatie van in de buis toegevoerde 20 reactiecomponenten, ten minste één meetelement voor het meten van de concentratie van één of meer reactiecomponenten of een daarvan afgeleide waarde, regelmiddelen voor het regelen van de reactiesnelheid afhankelijk van de gemeten waarde.

5. Reactor volgens conclusie 4·, met het ken-25 m e r k, dat de reactor een circulatiepomp omvat en dat de regelmiddelen de pompsnelheid afhankelijk van de gemeten waarde kunnen regelen voor het regelen van de reactiesnelheid.

6. Reactor volgens conclusie 4· of 5, met het kenmerk, dat de reactor op ten minste één plaats van meetelementen 30 is voorzien voor het metén van de in hoofdzaak maximale en de in hoofdzaak minimale concentratie van een reactiecomponent of een daarvan afgeleide waarde.

7. Reactor volgens één van de conclusies 4· tot en met 6, met het kenmerk, dat de reactor een verticale stijgbuis, 35 een verticale daalhuis en twee horizontale verbindingsbuizen bevat, dat ten minste in de stijgbuis één of meer statische mengers zijn aangebracht, dat de circulatiepomp in de onderste horizontale buis is aangebracht, dat een substraattoevoerorgaan in het ondereinde van de stijgbuis uitmondt, 8403497 " 1 V -8- dat een substraatafvoerorgaan in het boveneinde van de daalhuis uitmondt, dat een meetorgaan voor het meten van de maximale substraatconcentratie of een daarvan afgeleide waarde is aangebracht in het boveneinde van de stijgbuis en een meetorgaan voor het meten van de minimale substraatcon-5 centratie of een daarvan afgeleide waarde is aangebracht in het ondereinde van de daalbuis. S 4 0 3 4 9 7