JPH03186344A - 反応を連続的に行う方法およびこれに用いる水平管状反応器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体媒体を下から供給される気体および／ま
たは空気と水平管状反応器を介して、好ましくは栓流と
して通して反応を連続的に行う方法、および上記方法を
実施するために用いる反応器の底部にその軸線に沿って
気体および／または空気供給オリフィスを有する水平管
状反応器に関する。

液体媒体についての管状反応器、または水平管状反応器
は知られており、種々の分野、例えば酪農工業、廃水処
理および生物学的反応技術に工業的に用いられている。

これらの反応器は連続操作に最適な、特に生物学的反応
に最適な反応器に構成されている。

これに関して、管状反応器において、もっとも好ましい
流れ形状は、いわゆる、栓流、すなわち、小球（ｂｕｌ
ｌｅｔ）が施条銃（ｒｉｆｌｅ）の円筒部を介して移動
するのに比べて、いかなる再混合（ｒｅｍｉｘｉｎｇ）
を起こさない流れであることが確かめられている。

この理想的な場合は、特に発光媒質を気体および空気と
供給する必要がある場合に、長い滞留時間および遅い流
れを生しさせるために、管として形成された反応器で生
物工学的実施を達成させる場合であり、このために流れ
パターンによる付加干渉を生しさせるようにする。栓流
に向ける試みは、例えばオーストリア（ＡＴ）特許明細
書第３２３，０８２および３４０．８３９号に記載され
ており、栓流を管の最低線上に取付けられた特別に形成
した気体吸収装置によって発生させている。これらのオ
ーストリア特許明細書においては、実質的に再混合しな
い長さ方向流れを達成する場合に、管対水力直径の比を
ある最小値以下にしないこと、および流速、通気装置（
ａｅｒａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔｓ）の寸法および配置、お
よび気体の添加量を意図する流れ形状を達成するように
規則的に変えるようにし、当然に気体の供給を再混合の
生成を最小にすることが記載されている。オーストリア
特許明細書第３２３，０８２号に記載されている効果を
達成する手段は反応器管の母線に沿って配置されたオリ
フィス　ノズルおよびジェット　ノズルである。

軸方向に離間するノズルを有する上記既知の装置の場合
には、ベスクリプド（ｒｅｓｃｒｉｂｅｄ）最小酸素付
加値により通気的に操作するプロセスにおいて要求され
る、気体供給の増加につれて増大し、このために意図さ
れた流れ特性が軸方向回転流れパターン（ａｘｉａｌ　
ｒｏｌｌｅｒ　ｆｌｏｗ　ｐａｔｔｅｒｎ）の形成によ
って低下することを確かめた。

「回転流れパターン」としては液体を充填した開放容器
の底部における単一空気供給ノズルを推察することがで
きる。気体の供給に影響するが、液体は気体によって上
部に上昇し、再びノズルに降下するように自由に循環さ
せる。更に、液体を充填した密閉水平円筒部における２
個の空気ノズル、および下部周縁部に沿って互いに軸方
向に離間するノズルでは、空気排出口を上部周縁部に設
けている。すなわち、（ａ）円筒部の左側壁（降下）と
その左側空気ノズル（上昇）との間；（ロ）２個の空気
ノズル間での上昇および降下；および（Ｃ）右側空気ノ
ズル（上昇）と右側壁（降下）との間の３つの軸方向回
転流れパターンの空気上昇が、円筒部における液体に生
ずる。

このパターンは下からの通気による従来技術の水平管状
反応器における極めて簡単な形である。

この流れ状態はプラグの輪郭とは異なる。なぜならば、
上述する軸方向回転流れパターンが個々の空気出口間の
軸方向距離によって管状反応器の軸方向の通気圏に、液
体の一定混合が生ずるためである。

この欠点を除去するために、本発明の方法では気体およ
び／または空気泡を上昇する、反応器に沿って軸方向に
延びる連続壁またはカーテンを液体媒体内に形成するよ
うにする。

このように、泡壁または泡カーテンは、液体媒体を軸方
向逆回転流れパターン（ｒａｄｉａｌ　ｃｏｕｎｔｅｒ
ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｒｏｌｌｅｒ　ｆｌｏｗ　ｐａｔｔ
ｅｒｎ）を示す２個の軸方向に延びるバルブに分割する
。いわゆる、軸方向に延びる「間仕切」を形成する。

本発明の方法を実施するのに用いる管状反応器は、気体
および／または空気送出オリフィスを、これから排出さ
れる気体および／または空気分散媒体が反応器に流れる
液体媒体に気泡を上昇させる連続壁を形成するように、
互いに重ね合わせておよび／または少しずつずらして配
置したことを特徴とする。

気体および／または空気送出オリフィスは好ましい平坦
な膜に都合よく形成する。ここに記載する膜は、例えば
プラスチック材料、焼結金属またはセラミックの浸入口
を有する物体、または細孔および／またはスロットを有
する薄い金属シートであり、例えば放電機械加工または
レーザー技術によって形成することができる。

上記膜は、好ましくは反応器管壁の１部を形成しないよ
うにし、この事が可能で（例えば溶接で）しかも１部ま
たは全体として替えられるならば、管またはホースを反
応器に挿入することができる。

この事は、これらを速やかに取替えでき、また滅菌条件
下で実施するプロセスを都合よくすることができる。管
またはホースの輪郭は丸形または長円形が好ましいが、
また例えば方形にすることができる。

気体および／または空気送出オリフィスは小直径、特に
＜１０μｍ、好ましくは３〜６μｍの範囲が好ましく、
このために例えば気泡の最大寸法１閣を得ることができ
る。

更に、本発明の管状反応器は、反応器管長さ対水力直径
の比を少なくとも１０：１になるように形は湿潤断面を
示し、およびＵはその関連する円周を示す）で示すこと
ができる。反応器のこの細い形は流れ速度の広い範囲に
わたって良好な栓流を形成するようにする。

本発明の反応器において理想的な栓流を形成しようとす
る他の好ましい手段は、互いに離間し、かつ管状反応器
軸にほぼ直角に延びる不活性壁からなり、不活性壁間の
間隔は反応器壁の内径にほぼ相当させるのが好ましい。

反応器管における自由通路直径を減少する小さい挿入壁
を配置することは、ボーデンシュタイン数を著しく高め
るようになり、この値は理想栓流に近づくような割合で
高める。ボーデンシュタイン数Ｂ、は次の式：（式中、
μは平均液相速度、Ｌは反応器管の長さおよびＤ□は軸
方向分散率を示す）として示される。

管状反応器が円形断面である場合には、不活性壁は管断
面の下部領域において管壁に隣接する円形セグメイトと
して形成するのが好ましく、このために半月形−ギャッ
プを各挿入壁と管状反応器壁との間に形成する。

特に、気体および／または空気供給を管の底部に挿入し
たホースまたは管を介して行う場合には、挿入壁の下部
領域にくさび形切欠きを都合よく設ける。

不活性壁は反応器管に摺動しうる支持体に都合よく取付
けることができ、このために反応器の異なる操作形式に
速やかに変えることができる（例えば微生物から形式さ
れる「ローン（ｌａｗｎ）　Ｊについての、または支持
体に固定する細胞および／または酵素についての支持体
としての挿入体を用いる）。

温度制御を必要とする反応を行う場合には、温度制御を
管状外部ジャケットによるそれ自体知られている手段で
、形式すべき反応器管に設けることができ、ジャケント
の内部空間は管の長手方向にわたって温度制御できるよ
うなセクションまたはチャンバーに分割するのが好まし
い。

ジャケットを反応器管の全長にわたって連続的に延在し
ないようにすること、および互いに軸方向に離間する多
数のジャケットを設けることができることは勿論のこと
である。

例えば絶対無菌状態を必要とする反応を行う場合には、
一体成形（ｏｎｅ−ｐｉｅｃｅ）反応器管にすることが
有利である。しかしながら、反応器管をフランジによっ
て連結できるセクションから形成し、モジュール　シス
テムによる必要な条件に適合する反応器にすることがで
きる。

更に、反応器管長さにわたって離間して配置する媒体お
よび／または制御スタブ（ｃｏｎｔｒｏｌ　５ｔｕｂｓ
）のための出口および／または入口スタブを設け、反応
の過程を制御する他の手段を設けることができる。この
事は、特に可能ならば、基質Ｍｉ戒（ｐＨ値、ｐｏ、　
、濃度のような）における勾配の形成に、および所望瞬
間に反応に影響を与える反応物または薬剤（促進剤、触
媒、遮蔽剤（ｂｌｏｃｋｅｒ）のような）の制御添加に
適用するようにする。

本発明の方法および装置は、主として自動触媒挙動によ
る生物学的触媒作用（ｂｉｏｃａｔａｌｙｚｅｄ）反応
、例えばチモモナス　モビリス（Ｚｙｍｏ＋５ｏｎａｓ
　ｍｏｂｉｌｉｓ）によりエタノールを生成するグルコ
ース発酵の連続作業、および生のおよび組換え体微生物
、酵素、植物および動物細胞、ｒＤＮＡ生戒物生成養な
どの使用を意図している。

微生物は基質に連続的に添加することができ、例えば機
械的および２相分離による後述するように除去するこ、
とができ、この場合生成した微生物のタンパク質はプロ
セスに戻すことができる。あるいは、また基質を通る管
状挿入体の形態の支持体に固定した微生物を用いること
ができる。

また、この事は支持体、基質に輸送（一方向または逆方
向輸送）する球状支持体に固定した酵素に適用でき、ま
た酵素は管状挿入体に固定することができる。

次に、本発明の方法および管状反応器を添付図面に基づ
いて説明する。

第１図は３個の加熱および／冷却ジャケラ）２ａ。

２ｂおよび２ｃによって外からの影響に適当な３個の反
応圏に分割した円形断面の水平管状反応器１を具えたバ
イオリアクター　システムを示している。

管状反応器１の初めと終り、および反応圏管において、
１個または複数個のタッピングまたは人口スタブ３は試
料採集、測定プローブの導入および他のプロセス制御手
段のために利用する。管状反応器１の上部において、気
体排出導管４を排出すべきプロセス　ガスを受けるよう
に支持した位置に設け、導管は気体排出導管５に連結し
、トラップ容器（気泡トラップのような）６を介して大
気に通ずるようにする。管状反応器ｌの底部において、
気体および／または空気供給管７を管状反応器１に最低
の管の母線に沿って挿入する。この例に示すように、気
体および／または空気供給管７は約５０％の全多孔度お
よび３〜６μｍの範囲の細孔径を有するポリエチレン製
ホースからなり、このホースは管状反応器１に気体を気
体入口導管８を介して反応器１の両端から導入する。こ
の場合、トラップ容器９を設け、約１ｍｍ直径の気泡を
管状反応器ｌに流れる液体媒体に１．１バールの管路圧
で形式するようにする。導入される気体の選択は進行す
るプロセスに影響され、選定気体としては、無気プロセ
ス（ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）の場合
には、例えば窒素および／または他の不活性気体であり
、および通気プロセス（ａｅｒｏｂｉｃ　ｐｒｏｃｅｓ
ｓｅｓ）の場合には酵素含有気体、特に空気である。

反応圏２ａおよび２ｂ間に、反応に作用する薬剤を管状
反応器１に計量する供給導管９を設け、この導管９は他
端に無関係に作動し、貯槽ｌＯを介して供給する。勿論
、反応に作用する１または２種以上の薬剤を他の位置で
、例えば管状反応器ｌの前端部で計量するようにできる
。

更に、管状反応器１にはフラッシュ導管１１を設け、こ
れにより管状反応器１の内部を、例えば滅菌のために、
蒸気、酸化エチレンなどによってフラッシュすることが
できる。

管状反応器ｌにおいて反応する液体基質を反応器１の前
端部に、基質供給導管１２により２個の貯槽１３および
１４から導入する。貯槽１３および１４は、例えば循環
するように口を設ける（ｔａｐｐｅｄ）。これらの貯槽
には加熱および／または冷却ジャケット、およびフラッ
シング気体についての入口および出口導管を設ける。

他の供給導管１６を介して、例えば微生物を粒状支持体
に固定した細胞塊（ｃｅｌｌ　１ｌｌａｓｓ）または酵
素として計量して基質供給導管１２に導入することがで
きる。第１図には、例えば撹拌反応器または空気上昇（
ａｉｒｌｉｆｔ）反応器として形成し、微生物の予備反
応器として作用する予備反応器１７を示しており、この
予備反応器１７には微生物を供給導管１８を介して導入
する。この反応器１７は微生物の予備増殖として作用し
、微生物を導管１６を介して基質供給導管１２におよび
管状反応器１に送給する。

また、予備反応器１７には気体をフラッシングするため
の例えば予備反応器１７において要求される条件（滅菌
、好気または嫌気条件）を生じさせる供給導管１９を設
ける。

第１図に示す反応システムをグルコースからエタノール
を生成する嫌気発酵に用いる場合には、基質をグルコー
ス溶液とし、管状反応器に導入する微生物をチモモナス
　モビリスの細胞培養物、好ましくはＡＴＣＣ１０９８
Ｂで寄託した菌株にする。生成した採集生成物を管状反
応器ｌから排出導管２０を介して排出し、分離装置ぐ限
外濾過〉２２の調整溜め２１に送り、ここで細胞塊を液
相から分離する。

液相は所望の発酵生成物を含んでおり、出口２３を介し
て排出し、豊富にされた細胞塊を管状反応器１の基質入
口領域に戻し導管２４を介して連続的に戻す。反応器入
口における細胞濃度がこの細胞塊循環によって所望値に
遠戚した場合には、導管１６を介して供給される細胞塊
の供給を止め、このために、出発相が終り、実際の生成
相が開始し、反応器出口から下流へ分離した全細胞塊を
再循環する場合にはこの相中に細胞濃度が更に増加する
。

これを防止するために、過剰の細胞塊を放出導管２５を
介してシステムから計量しながら排出するようにする。

第１図に示すシステムは、すべてのプロセスパラメータ
について正確に制御するように、この技術に属する適当
な装置で達成できる。プラントは困難なく滅菌できるよ
うに操作することができる。

第２および３図は管状反応器１の軸に対して直角に延び
、かつＵ−形支持体２７上にかかる反応器の直径にほぼ
相当する間隔で設ける挿入壁２６の配置状態を示してい
る。挿入壁２６を設けた支持体２７は摺動構造（ｓｌｉ
ｄｅ−ｉｎ　ｕｎｉｔ）に形威し、挿入壁２６を管状反
応器の底部に隣接するようにして管状反応器１に挿入す
る。挿入壁２６の輪郭は、管状反応器１の内径の約８５
％に相当する直径に切断した円板の輪郭にする。各挿入
壁２６には底部にくさび形切欠き２８を設けてこの領域
に配置した気体および／または空気供給管７についての
空所を残すようにする。

管状反応器ｌにおける基質レベルは挿入壁２６の上縁２
９の（僅かに〉下に維持し、液体の輸送を管状反応器の
内壁と挿入壁との間に残留する半月形−輪郭の間隙３０
の下方の側部区域において実質的に生ずるようにする。

第２および３図に示す例は、管状反応器の内径の約ｌ／
２〜約２／３（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ　ｈａｌｆ
　ｔｏ　ｏｎｅ　ｏｆａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ　ｔ
ｗｏ　ｔｈｉｒｄｓ）の基質レベルに適用するように向
けられている。

直立管状反応器はもっと均一な栓流輪郭を得ることがで
きるので有利であるが、出来るだけゆるやかな曲線を有
する管状反応器、例えば１つの曲線が逆の曲線に追従す
る環状（ｌｏｏｐｅｄ）管では幾分望ましい結果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の１例としての発酵プラントの各
工程を示す流れ図、および 第２図および第３図は第１図に示す方法の実施に用いる
板状挿入壁を挿入した管状反応器の内部を説明するため
の断面図である。 ｌ・・・管状反応器 ２ａ、　２ｂ、　２ｃ・・・加熱および／または冷却ジ
ャケット３・・・タッピングまたは入口スタブ ４．５．２０・・・排出導管 ６．９・・・トラップ容器（供給導管）７・・・気体お
よび／または空気供給管８・・・気体入口導管　　　　
１０．１３．１４・・・貯槽１１・・・フラッシュ導管
　　　１２・・・基質供給導管１６、１８．１９・・・
供給導管　　１７・・・予備反応器２１・・・調整溜め
　　　　　　２２・・・分離装置２３・・・出口　　　
　　　　　２４・・・戻し導管２５・・・放出導管　　
　　　　２６・・・挿入壁２７・・・支持体　　　　　
　　２８・・・くさび形−切欠き２９・・・挿入壁２６
の上縁 ３０・・・半月形−輪郭の間隙

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液体媒体を、好ましくは栓流として、下から供給さ
   れる気体および／または空気と水平管状反応器を介して
   送ることにより反応を連続的に行う方法において、前記
   管状反応器を介して軸方向に延びる気体および／または
   空気泡を上昇する連続壁またはカーテンを液体媒体に形
   成することを特徴とする反応を連続的に行う方法。 ２、反応器底部に軸方向に延在する気体および／または
   空気供給オリフィスを有する請求項１に記載する方法を
   実施するのに用いる水平管状反応器において、前記気体
   および／または空気供給オリフィスを、これから排出さ
   れる気体および／または空気が反応器に流れる液体媒体
   に気体および／または空気泡を上昇する連続壁またはカ
   ーテンを形成するように、互いに重ね合わせておよび／
   または少しずつずらして配置したことを特徴とする水平
   管状反応器。 ３、気体および／または空気供給オリフィスを好ましく
   は平坦な膜の状態に形成した請求項２記載の反応器。 ４、気体および／または空気供給オリフィスを反応器に
   挿入する管またはホースに形成した請求項２または３記
   載の反応器。 ５、気体および／または空気供給オリフィスは小直径に
   し、特に＜１０μｍ、好ましくは３〜６μｍの範囲にし
   た請求項２〜４のいずれか一つの項記載の反応器。 ６、気体および／または空気供給オリフィスをスリット
   として設けた請求項２〜４のいずれか一つの項記載の反
   応器。 ７、管状反応器の長さ対水力直径の比を少なくとも１０
   ：１にした請求項２〜６のいずれか一つの項記載の方法
   。 ８、互いに離間して配置し、かつ管状反応器軸にほぼ直
   角に延びる不活性壁は円形管状反応器断面において円形
   セクションの形を有し、かつ管状反応器断面の下部領域
   において管状反応器壁に隣接させ、半月形ギャップを管 状反応器壁と各挿入壁との間に形成するようにした請求
   項２〜７のいずれか一つの項記載の反応器。 ９、挿入壁には下部領域に好ましくはくさび形切欠きを
   設けた請求項８記載の反応器。 １０、挿入壁には管状反応器に摺動することのできる支
   持体を取付けた請求項８または９記載の反応器。 １１、管状反応器を管状ジャケットによるそれ自体知ら
   れている手段で構成し、ジャケットの内部空間を管状反
   応器の長手方向にわたって温度制御できるようなセクシ
   ョンに分割した請求項２〜１０のいずれか一つの項記載
   の反応器。 １２、管状反応器をフランジによって連結できるセクシ
   ョンから形成した請求項２〜１１のいずれか一つの項記
   載の反応器。 １３、媒体および／または制御スタブのための排出およ
   び／または供給スタブを反応器長さにわたって離間して
   設けた請求項２〜１１のいずれか一つの項記載の反応器
   。