LU103393B1

LU103393B1 - Herstellung chemischer Erzeugnisse durch heterogene enzymatische Katalyse

Info

Publication number: LU103393B1
Application number: LU103393A
Authority: LU
Inventors: Benjamin Vieting; Antoine Schillebeeckx; Wuthinan Pinrawd; Kittikhun Jirapatphongsakorn
Original assignee: Thyssenkrupp Ag; Thyssenkrupp Uhde Gmbh
Priority date: 2024-10-01
Filing date: 2024-10-01
Publication date: 2026-04-01

Abstract

Die Erfindung betrifft die Durchführung einer enzymatisch katalysierten Kondensationsreaktion in einem hydrodynamischen Schlaufenreaktor mit frei beweglichen, auf Trägerpartikeln fixierten Enzymen und mit einer Rückhaltevorrichtung für die Katalysatorpartikel. Der Schlaufenreaktor wird über einen Mischer mit einer Düse gespeist. Der Mischer mit der Düse übernimmt die Vermischung der flüssigen Reaktanden unmittelbar vor Eintritt in den Reaktor, ohne dass der Katalysator hohen Scherkräften ausgesetzt wird. Zugleich treibt der Strahl der Düse die freie Zirkulation der Katalysatorpartikel im Schlaufenreaktor an. Der Schlaufenreaktor reduziert die Katalysatorbeanspruchung sowie -denaturierung und ermöglicht hohe Umsatzraten, verglichen mit anderen Reaktorkonzepten. Durch die Anwendung eines hydrodynamischen Schlaufenreaktors mit Rückhaltung des Katalysators im Schlaufenreaktor werden 3-Phasen-Systeme ver- mieden. Fig. 1

Description

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LU103393

Herstellung chemischer Erzeugnisse durch heterogene enzymatische Katalyse

[0001] Die Erfindung betrifft die Durchführung einer enzymatisch katalysierten Kondensationsreaktion in einem hydrodynamischen Schlaufenreaktor mit frei beweglichen, auf Trägerpartikeln fixierten Enzy- men und mit einer Rückhaltevornchtung für die Katalysatorpartikel. Der Schlaufenreaktor wird über einen Mischer mit einer Düse gespeist. Der Mischer mit der Düse übernimmt die Vermischung der flüs- sigen Reaktanden unmittelbar vor Fintritt in den Reaktor, ohne dass der Katalysator hohen Scherkräften ausgesetzt wird. Zugleich treibt der Strahl der Düse die freie Zirkulation der Katalysatorpartikel im

Schlaufenreaktor an. Der Schlaufenreaktor reduziert die Katalysatorbeanspruchung sowie -denaturierung und ermöglicht hohe Umsatzraten, verglichen mit anderen Reaktorkonzepten. Durch die Anwendung ei- nes hydrodynamischen Schlaufenreaktors mit Rückhaltung des Katalysators im Schlaufenreaktor werden 3-Phasen-Systeme vermieden.

[0002] Die Synthese von Kondensationsprodukten wie Ester, Amide, Amine und Ether unter Abspaltung von Wasser als Nebenprodukt erfolgt üblicherweise bei hohen Temperaturen (>200°C) und ist daher ener- gieintensiv, fördert die Bildung von Nebenprodukten und verursacht vergleichsweise hohe CO,-Emissio- nen. Die Produktqualität ist für die meisten Produktanwendungen entscheidend.

[0003] Dabei werden herkömmliche Katalysatoren eingesetzt oder es werden die autokatalytischen Fi- genschaften des überschüssigen sauren Reaktanten in Mehrzweck-Batch-Reaktoren ausgenutzt, wie z.B.

Rührreaktoren mit oder ohne externe Flüssigkeitszirkulation oder Jet-Loop-Reaktoren. Die Produkte wer- den für verschiedene Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in den Bereichen Haushaltspflege, Kör- perpflege, Lebensmittelzusatzstoffe/Emulgatoren, pharmazeutische Hilfsstoffe, technische Zusatzstoffe oder Grundstoffe für Schmiermittel.

[0004] Enzymatisch katalysierte Reaktionen bieten eine alternative Syntheseroute. Die enzymatische

Synthese von Kondensationsprodukten kann bei sehr viel niedrigeren Temperaturen (unter 100°C) durch- geführt werden, was den Energieaufwand für die Reaktion erheblich verringert und die Qualität des Pro- dukts verbessern kann. Darüber hinaus ermöglicht die niedrige Reaktionstemperatur die Nutzung von

Abwärme mit einem ökonomischen Wert von Null (oder sogar negativ).

[0005] Enzymatische Katalysatoren sind seit langem bekannt und werden seit vielen Jahren im Labor- und Pilotmaßstab erforscht. Die meisten Enzymkatalysatoren für Kondensationsreaktionen, die in der In- dustrie und in der Literatur bekannt sind, wie z.B. Lipuraflex® von Novozymes, sind auf kleinen Träger- partikeln immobilisiert. Es gibt auch flüssige Enzyme, die jedoch weniger stabil und weniger effizient sind und daher derzeit nicht weit verbreitet sind.

[0006] M. Schlüter et al., Powder Technology 151 (2005) 68-76 betrifft eine Untersuchung zum Einfluss von lokalen Effekten in Dreiphasenströmungen auf die Leistungsaufnahme in Jet-Loop-Reaktoren.

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[0007] H. Warmeling et al, Chemical EngineeringScience149(2016)229-248 ist eine Zusammenfassung LU103393 über Jet-Schlaufenreaktoren, welche sich als eine sichere und vielseitige Reaktoranordnung zur Intensi- vierung katalytischer Reaktionen eignen.

[0008] EP 0 787 803 A1 betrifft Verfahren zur Durchführung von enzymatischen Festbettreaktionen durch Inkontaktbringen eines Substrats mit einem auf einem Träger immobilisierten Enzym, das in einem

Reaktor verpackt ist, während die optimale Temperatur des Enzyms beibehalten wird, wobei das Verfah- ren die Durchführung der Reaktion unter adiabatischen Bedingungen und das gleichzeitige Mischen eines

Teils der Reaktionsflüssigkeit mit einer Substratlôsung und das Zirkulieren der resultierenden Mischung zum Reaktor durch einen Wärmetauscher umfasst, wodurch das Innere des Reaktors in einem möglichst homogenen Zustand gehalten wird.

[0009] EP 2 080 806 A2 betrifft Verfahren zur heterogenkatalysierten Herstellung von Carbonsäurede- rivaten, wobei ein Umlaufreaktor mit einem Reaktionsbehälter eingesetzt wird, in dem ein heterogene

Katalysator in der Reaktionsmischung frei verteilt ist und ein zusätzlicher Gaseintrag für die Durchmi- schung im Reaktionsbehälter sorgt.

[0010] CN 114 657 062 A betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zur Biodiesel-Entsäuerung unter

Verwendung von Lipase-Katalyse. Der Reaktor umfasst einen immobilisierten Lipase-Schlaufenreaktor, einen Vorratsbehälter für kurzkettigen Alkohol und eine Umwälzpumpe, wobei der immobilisierte Li- pase-Schlaufenreaktor mit einem Verteiler, einem Reaktionshohlraum und einem Mischhohlraum verse- hen ist. In dem Reaktionshohlraum ist ein Führungszylinder angeordnet, wobei der obere Teil des Reak- tionshohlraums sequentiell mit einer Kondensatorgruppe und einer Vakuumeinheit verbunden ist. Eine

Pumpe pumpt den flüssigen kurzkettigen Alkohol im Vorratstank durch ein Rohr in den Mischhohlraum, so dass die Zuführungsgeschwindigkeit genau gesteuert werden kann, die Zuführungsmenge stabil ist.

Das Problem eines instabil und unkontrollierbaren Luftzustroms wird gelöst, indem der kurzkettige Al- kohol in Gasform zugeführt wird. Eine Umwälzpumpe pumpt die Speiseflüssigkeit im Reaktionshohl- raum zum Mischhohlraum, so dass eine Umwälzleistung bereitgestellt wird.

[0011] Immobilisierte Enzymkatalysatoren sind prinzipiell sehr effiziente Katalysatoren für Kondensa- tionsreaktionen, unterliegen jedoch verschiedenen Beschränkungen, die bisher eine breite Kommerziali- sierung verhindert haben. Eine eingehende Analyse der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat die fol- genden technischen Probleme bei der Verwendung von Enzymkatalysatoren identifiziert:

[0012] (1). Immobilisierte Katalysatoren sind teuer und müssen in mehreren Chargen wiederverwendet werden können, um wirtschaftlich attraktiv zu sein. Daher ist die Gesamtproduktivität des Katalysators [kg Produkt / (Stunde x kg Katalysator)] der Hauptkostentreiber und muss erheblich verbessert werden, damit enzymatische Kondensationsreaktionen in Bezug auf die Betriebskosten (OPEX) mit herkömmli- chen Kondensationsreaktionen konkurrenzfähig werden.

[0013] (2). Immobilisierte Katalysatoren reagieren empfindlich auf Scherkräfte und können nicht in Ge- räten mit hohen Scherkräften wie Rührwerken, Pumpen und Strahlmischern verwendet werden. Das be-

240550P00LU ’ deutet, dass sie in der Regel nicht als Ersatz für herkömmliche Katalysatoren in bestehenden Reaktoren LU103393 eingesetzt werden können. Daher gab es Versuche, den Enzymkatalysator in einem separaten Bett im

Flüssigkeitskreislauf einzuschlieBen. Dies führt jedoch zu zusätzlichen Problemen:

[0014] (3). Wird das Enzymbett im Flüssigkeitskreislauf platziert, ist eine hohe Flüssigkeitsumlaufge- schwindigkeit erforderlich, um angemessene Reaktionszeiten und eine angemessene Gesamtproduktivität des Katalysators zu erreichen, da die Reaktion nur im Bett stattfindet.

[0015] (4). Die Enzyme sind auf kleinen Trägerpartikeln immobilisiert, die sich unter Druck eng zusam- menlagern. Hohe Druckabfälle können zu einer Beschädigung des Katalysators, einer Kanalisierung der

Flüssigkeit und einer schlechten Flüssigkeitsverteilung führen. Daher müssen Festbetten mit relativ nied- rigen Flissigkeitsgeschwindigkeiten arbeiten, was entweder zu niedrigen Flüssigkeitsumlaufraten, un- praktisch großen Bettdurchmessern oder teuren Mehrrôhrenbettkonstruktionen führt. Daher hat es auch

Versuche gegeben, ein Wirbelbett fiir Enzyme zu verwenden.

[0016] (5). Der Dichteunterschied zwischen den immobilisierten Fnzymkatalysatorteilchen und der Re- aktionsflüssigkeit ist gering. Bei hohen Flüssigkeitsumwälzungsraten wird der Katalysator tendenziell nach oben getragen, da die nach oben gerichteten viskosen Widerstandskräfte am Katalysator die negati- ven Auftriebskrifte (Absetzkrifte) übersteigen. Um eine stabile Fluidisierung mit herkömmlichen Wir- belschichtkonzepten zu erreichen, bei denen die Katalysatorteilchen in Suspension gehalten werden, wä- ren geringere Fliissigkeitsumlaufgeschwindigkeiten oder Betten mit großem Durchmesser erforderlich, d. h. es gelten die gleichen Probleme wie oben beschrieben. Die Anwendung eines zusätzlichen Gasstroms unterstützt die nach oben gerichtete Widerstandskraft. Daher kann ein herkômmliches Wirbelbett oder ein Gasliftreaktor nur mit einer geringeren Flüssigkeitsumwälzung verwendet werden. Dies kann sich negativ auf die Gesamtproduktivität des Katalysators auswirken.

[0017] (6). Ein weiteres Problem bei der Schaffung eines Dreiphasensystems (gasfôrmig-fest-flüssig) ist die erhöhte Komplexität bei der Modellierung und Vorhersage eines solchen Systems. Dies erhöht die

Risiken der Hochskalierung.

[0018] (7). Ein weiteres Problem bei der Einführung eines Inertgases (z.B. Stickstoff) und der Schaffung eines Dreiphasensystems (Gas-Feststoff-Flüssigkeit) besteht darin, dass der Nachlauf der Inertgasblase die Dispersion der festen Phase sowie den Stoffaustausch zwischen fester und flüssiger Phase negativ beeinflussen kann, z.B. kann der Nachlauf der Blase zusätzliche Turbulenzen verursachen, die zu einer

Fehlverteilung der festen Phase führen, und die Blase kann sich an die feste Phase anlagem, in die Poren der festen Phase eindringen und die feste Phase sogar vollständig einkapseln. Dies kann sich negativ auf die Gesamtproduktivität des Katalysators sowie auf die Endausbeute des Produkts auswirken.

[0019] (8). Ein weiteres Problem bei der Einführung eines Inertgases (z.B. Stickstoff) und der Schaffung eines Dreiphasensystems (Gas-Feststoff-Flüssigkeit) besteht darin, dass die Gasphase zusätzliche Scher- krifte am Katalysator erzeugen kann. Dies kann sich negativ auf die Gesamtproduktivität des Katalysators auswirken.

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[0020] (9). Ein weiteres Problem herkömmlicher Wirbelschichtkonzepte besteht darin, dass sie môgli- LU103393 cherweise keine gleichmäßige und definierte Durchmischung (intensive Dispersion) der Katalysatorphase erzeugen, was bedeutet, dass die Katalysatorteilchen nicht gleichmäßig an der Reaktion teilnehmen. Dies kann sich negativ auf die Gesamtproduktivität des Katalysators auswirken.

[0021] (10). Ein weiteres Problem von Gas-Lift-Reaktoren, bei denen die Wasserabtrennung unmittelbar im Enzymbett erfolgt, ist, dass im Enzymbett ein Vakuum angelegt werden muss, um das Wasser zu entfernen. Das Vakuum sowie der Strippeffekt des Strippgases können leichtere Reaktanden, die sich bereits im Enzymbett befinden, teilweise verdampfen lassen, die dann nicht an der Flüssig-Flüssig-Reak- tion teilnehmen können. Dies kann sich negativ auf die Gesamtproduktivitit des Katalysators sowie auf die Ausbeute des Endprodukts auswirken. Außerdem kann das Enzym die Reaktanden und Produkte ka- talytisch oxidieren, was bedeutet, dass regelmäßige Vakuumdichtheitsprüfungen erforderlich sind, um bekannte und unbekannte Nebenreaktionen zu vermeiden, die die Produktqualität verschlechtern können.

[0022] (11). Ein weiteres Problem von Gas-Lift-Reaktoren des Typs, wie er aus CN 114 657 062 A bekannt ist, besteht darin, dass die Reaktanden durch eine Verteilerplatte mit mehreren Öffnungen in die

Wirbelschicht gelangen. Blenden haben niedrige Abflusskoeffizienten, d. h. sie leiden unter unwiderruf- lichen Energieverlusten und können daher nur einen Bruchteil der zugeführten Energie in den Antrieb der internen Zirkulation im Reaktor übertragen. Darüber hinaus wird der Verteiler nicht in das Steigrohr ein- geführt und der Durchmesser des Verteilers wird mit bis zu 150 % des Durchmessers des Steigrohrs an- gegeben, was bedeutet, dass die eintretende Flüssigkeit und das Gas das Steigrohr teilweise umgehen und dadurch die interne Zirkulation und die Effizienz der Konstruktion weiter verringem.

[0023] (12). Ein weiteres Problem ist die Empfindlichkeit des Enzyms gegenüber hohen Temperaturen.

Die Reaktionstemperatur muss typischerweise unter 100°C liegen, damit das Enzym nicht denaturiert.

Bei solch niedrigen Temperaturen ist die Wasserentfernung eine Herausforderung und dennoch enorm wichtig, weil das Enzym auch die Rückreaktion (Hydrolyse) katalysiert und weil Wasser in hohen Kon- zentrationen für die Lebensdauer des Enzyms schädlich sein kann. Daher ist es wichtig, die Wasserkon- zentration während der gesamten Reaktionszeit und insbesondere gegen Ende der Reaktion niedrig zu halten (ca. weniger als 100 ppm).

[0024] a) Die Wasserentfernung in einem nachgeschalteten Rührreaktor durch konventionelles Flashen der Reaktanden in den Kopfraum unter Vakuum erreicht jedoch keine hohe Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche für den Übergang des Wassers aus der Flüssigphase in die Gasphase, was zu einer langsamen oder un- vollständigen Wasserentfernung führen kann. Eine unzureichende Wasserentfernung kann sich negativ auf die Gesamtproduktivität des Katalysators sowie auf die Endausbeute des Produkts auswirken.

[0025] b) Die Wasserentfernung in derselben Reaktoranlage führt zu Interessenkonflikten in Bezug auf die Betriebstemperatur und den Betriebsdruck. Während die Temperatur für die Reaktion niedrig sein sollte (z.B. unter 100°C), um das Enzym nicht zu denaturieren, und der Druck zugleich ausreichend hoch (z.B. über 1 bar (a)) sein sollte, um beide Reaktanden in der Flüssigphase zu halten, sollte die Temperatur

240550P00LU ° für die Wasserentfernung hoch sein (z.B. über 100°C) und der Druck niedrig (z.B. unter 1 bar (a)), um LU103393 niedrige Wasserkonzentrationen zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

[0026] (13). Ein weiteres Problem ist, dass die Reaktanden aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur im Enzymbett teilweise oder vollständig nicht mischbar sein können. Dies bedeutet, dass zwei nicht mischbare flüssige Phasen an der Oberfläche und in den Poren einer dritten festen Phase (immobilisierter

Enzymkatalysator) zusammentreffen müssen, damit die Reaktion stattfinden kann. Das Mischen von zwei nicht mischbaren Phasen zu einer feinen Dispersion erfordert hohe Scherkräfte, die das Enzym nicht ver- trägt. Dies kann sich negativ auf die Gesamtproduktivität des Katalysators sowie auf die endgültige Aus- beute des Produkts auswirken.

[0027] (14). Fin weiteres Problem ist, dass die Enzyme auch empfindlich auf hydrophile Reaktanden (z.B. verschiedene Amine und Alkohole) reagieren. Dies bedeutet, dass es wichtig ist, eine niedrige Kon- zentration des zweiten hydrophilen Reaktanden aufrechtzuerhalten. Dies bedeutet, dass eine typische

Batch-Reaktion, bei der die Reaktanden zu Beginn beschickt werden und dann durch das Enzymbett zir- kulieren die Denaturierung des Enzymkatalysators beschleunigen kann. Dies kann sich negativ auf die

Gesamtproduktivitit des Katalysators auswirken.

[0028] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen energie- und enzym-schonenden enzymatisch kataly- sierten Kondensationsprozess sowie eine Anlage zur Durchführung eines solchen Prozesses bereitzustel- len, wobei eine möglichst hohe Katalysatorproduktivität erreicht wird. Die vorstehend genannten Pro- bleme (1) bis (14) sollten zumindest vermindert oder sogar vollständig gelöst werden.

[0029] Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

[0030] Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anlage zur Umsetzung von mindestens zwei Reak- tanden in einer Kondensationsreaktion zu mindestens einem Reaktionsprodukt und einem Nebenprodukt in einer flüssigen Phase unter heterogener enzymatischer Katalyse, wobei die Anlage folgende Elemente umfasst: - einen hydrodynamischen Schlaufenreaktor, welcher konfiguriert ist zur Aufnahme eines an Partikeln immobilisierten Enzyms, wobei die Partikel frei beweglich in der flüssigen Phase suspendiert vorlie- gen; - einen Mischer, welcher konfiguriert ist zum Vermischen der Reaktanden außerhalb des Schlaufenre- aktors; wobei der Mischer eine Düse umfasst, welche konfiguriert ist zum Einspeisen eines Flüssig- keitsstrahls umfassend die miteinander vermischten Reaktanden in die flüssige Phase, so dass der ein- gespeiste Flüssigkeitsstrahl eine freie Zirkulation der Partikel in der flüssigen Phase bewirkt; und - eine Rückhaltevorrichtung, welche konfiguriert ist zum Zurückhalten der Partikel im Schlaufenreaktor beim Ausschleusen einer flüssigen Phase umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt aus dem

Schlaufenreaktor.

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[0031] Die erfindungsgemäße Anlage dient der Umsetzung von mindestens zwei Reaktanden, bevorzugt LU103393 von genau zwei Reaktanden, welche in einer Kondensationsreaktion miteinander reagieren. Bei der Kon- densationsreaktion wird mindestens ein Reaktionsprodukt gebildet, bevorzugt im Wesentlichen genau ein

Reaktionsprodukt, sowie mindestens ein Nebenprodukt, bevorzugt im Wesentlichen genau ein Nebenpro- dukt.

[0032] Beispiele für erfindungsgemäße Reaktanden sind Carbonsäuren und Alkohole, welche in einer

Kondensationsreaktion zu Estern (Reaktionsprodukt) unter Abspaltung von Wasser (Nebenprodukt) rea- gieren. Andere Beispiele von Reaktionsprodukten sind Amide, Amine und Ether. Fachleuten sind derar- tige Umsetzungen bekannt. Die für die jeweilige Umsetzung benötigten Reaktanden sind häufig kommer- ziell erhältlich und die bei den Umsetzungen abgespaltenen Nebenprodukte können neben Wasser auch andere niedermolekulare Verbindungen sein, z.B. kurzkettige Alkohole oder Chlorwasserstoff.

[0033] In bevorzugten Ausfithrungsformen sind die Reaktanden miteinander mischbar.

[0034] In anderen bevorzugten Ausführungsformen sind die Reaktanden nicht miteinander mischbar.

[0035] Die Umsetzung erfolgt in einer flüssigen Phase. Wenn die Reaktanden und das Produkt in Rein- form unter den Reaktionsbedingungen flüssig sind, ist es bevorzugt, dass die Umsetzung ohne Verwen- dung eines zusätzlichen Lôsemittels durchgeführt wird. Soweit die Reaktanden oder das Produkt unter den Reaktionsbedingungen nicht flüssig sind, umfasst die flüssige Phase jedoch bevorzugt ein Lösemittel.

Das Lösemittel kann eine einzige Substanz sein oder ein Gemisch mehrerer Substanzen.

[0036] Je nach Art der chemischen Umsetzung, d.h. nach Art der Reaktanden und des eingesetzten En- zyms kann die flüssige Phase ggf. weitere Zusatzstoffe enthalten, insbesondere Cofaktoren, Puffer, Salze, etc. Geeignete Zusatzstoffe sind Fachleuten bekannt und kommerziell verfügbar.

[0037] Je nach Art der chemischen Umsetzung, d.h. nach Art der Reaktanden und des ggf. eingesetzten

Lösemittels, kann die flüssige Phase zwei flüssige Teilphasen umfassen. Dies ist insbesondere dann der

Fall, wenn die Reaktanden nicht miteinander mischbar sind, auch nicht in Gegenwart von etwaig vorhan- — denem Lösemittel.

[0038] Die erfindungsgemäße Umsetzung erfolgt unter heterogener enzymatischer Katalyse. Dazu liegt neben der flüssigen Phase zusätzlich eine feste Phase vor, welche partikulär ausgebildet und in der flüs- sigen Phase suspendiert ist. Die feste Phase umfasst oder besteht im Wesentlichen aus Partikeln, an denen mindestens ein Enzym immobilisiert ist.

[0039] Geeignete Partikel (feste Träger) sowie Methoden zur Immobilisierung von Enzymen an solchen

Trägern sind Fachleuten bekannt. Bevorzugt basieren die Partikel auf Polymeren, z.B. PMMA oder Po- lystyrol, oder anorganischen Materialien, bevorzugt Silica. Viele an Partikeln immobilisierte Enzyme sind kommerziell erhältlich.

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[0040] Die Art des eingesetzten Enzyms hängt von der Art der enzymatisch katalysierten Kondensati- LU103393 onsreaktion ab. Beispielsweise können Esterasen, Lipasen oder Amidasen als Enzyme zum Einsatz kom- men. Geeignete Enzyme sind Fachleuten bekannt und kommerziell verfügbar.

[0041] Die erfindungsgemäße Umsetzung erfolgt in einem Schlaufenreaktor. Schlaufenreaktoren sind

Fachleuten bekannt. Typischerweise umfasst ein Schlaufenreaktor einen Rohrreaktor und eine Stoffrück- führung. Über Größe des Reaktorrohres und Anteil des rückgeführten Stoffstroms können Reaktionsvo- lumen und Verweilzeit getrennt voneinander eingestellt werden. Typischerweise sind bei einem Schlau- fenreaktor eine aufwärts gerichtete Strömung (Aufstromsäule) und eine abwärts gerichtete Strömung (Ab- stromsäule) räumlich voneinander getrennt.

[0042] Der erfindungsgemäße Schlaufenreaktor ist hydrodynamisch, d.h. die Umwälzung des Reaktions- mediums erfolgt auf Basis eines Treibstrahls in einer flüssigen Phase. Das an den Partikeln immobilisierte

Enzym ist in der zirkulierenden Flüssigkeit suspendiert. Hydrodynamische Schlaufenreaktoren sind Fach- leuten bekannt. Durch die Umwälzung erfolgt eine schonende Verwirbelung der Partikel, wodurch das an deren Oberfläche immobilisierte Enzym seine katalytische Aktivität entfalten kann, wenn es mit Reak- tanden in Kontakt kommt.

[0043] Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Schlaufenreaktor ein hydrodynamischer Feststoffsuspensi- ons-Schlaufenreaktor.

[0044] Besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße Schlaufenreaktor mit einer Venturi-Düse als Mi- scher ausgestattet, durch die eine besonders effektive Durchmischung der Reaktanden unmittelbar vor

Eintntt in den Reaktor erfolgt. Diese Düse hat zudem den Vorteil, dass sie die feste Phase besonders gut in der flüssigen Phase suspendiert und durch einen Differentialdruck zwischen Reaktor und Düsenkopf die Rezirkulation der Suspension ermöglicht.

[0045] Im Hinblick auf die vorstehend genannten Probleme (1) bis (11) herkömmlicher Reaktionsfüh- rungen wird erfindungsgemäß ein hydrodynamischer Feststoffsuspensionsstrahl-Schlaufenreaktor mit in- terner Zwangszirkulation eingesetzt, der ein Steigrohr sowie ein Fallrohr umfasst. Die Katalysatorteilchen werden zusammen mit der internen Flüssigkeitszirkulationsströmung, die durch den Impuls des Flüssig- keitsstrahls angetrieben wird, durch das Steigrohr nach oben und durch das Fallrohr nach unten gezogen.

Diese Konstruktion benötigt weder ein Gas für die Aufwärtsbewegung noch die Schwerkraft für die Ab- wärtsbewegung, um den Katalysator zu fluidisieren. Der erfindungsgemäße Schlaufenreaktor kann sogar zur Fluidisierung des Katalysators verwendet werden, wenn die Dichte der Flüssigkeit höher ist als die des Katalysators (z.B. bei Glycerin).

[0046] Diese Lösung (1) erleichtert die Wiederverwendung des Enzyms für mehrere Chargen, (2) übt eine geringe Scherkraft auf das Enzym aus, (3-5) funktioniert mit hohen Chargenumschlagsraten (z.B. bis zu 60 1/h), (6-8) erfordert keine zusätzliche dritte Gasphase, (9) erzeugt eine gleichmäßige Dispersion des Katalysators in einem Gleichstrom von Reaktanden und Katalysator, (10) arbeitet mit Überdruck, (11) und arbeitet ohne nennenswerte Energieverluste.

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[0047] Bevorzugt arbeitet die erfindungsgemäße Anlage, insbesondere der erfindungsgemäße Schlau- LU103393 fenreaktor, mit hohen Flüssigkeits-Rezirkulationsraten, wobei die an sich konkurrierenden und schwer miteinander vereinbaren Aufgaben (a) Mischen der Reaktanden, (b) chemische Umsetzung und (c) Ent- fernung des Nebenprodukts oder der Nebenprodukte räumlich getrennt, d.h. in unterschiedlichen An- lagenteilen erfolgt. Das Mischen der Reaktanden erfolgt im Mischer, die chemische Umsetzung im

Schlaufenreaktor und die Entfernung des Nebenprodukts oder der Nebenprodukte erfolgt nach dem Aus- schleusen der flüssigen Phase enthaltend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt aus dem Schlaufenreaktor.

[0048] Aufdiese Weise ist es möglich, dass jede dieser Aufgaben in einem idealen Anlagenteil und unter idealen Prozessbedingungen erfüllt werden kann, d. h. (a) ein Flüssig-Flüssig-System mit hoher Scherung und hohem Druck für die Vermischung der Reaktanden, (b) ein Flüssig-Fest-System mit niedriger Sche- rung, niedriger Temperatur und hohem Druck für die Reaktion und (c) ein Gas-Flüssig-System mit hoher

Scherung, hoher Temperatur und niedrigem Druck für die Entfernung von Nebenprodukt. Dieser Aufbau verbessert die Gesamtproduktivität des Katalysators erheblich und macht die enzymatisch katalysierte

Umsetzung, z.B. Veresterung, in großem Maßstab wettbewerbsfähig mit der herkömmlichen Umsetzung.

[0049] Die Reaktionsbedingungen für die erfindungsgemäße Umsetzung sind nicht besonders einge- schränkt und richten sich insbesondere nach der Art der Reaktanden, der Art des eingesetzten Enzyms, der Art des Lösemittels, etc.

[0050] Bevorzugt erfolgt die Umsetzung bei Temperaturen im Bereich von 30°C bis 100°C, bevorzugter im Bereich von 50°C bis 90°C.

[0051] Bevorzugt erfolgt die Umsetzung bei erhöhtem Druck, insbesondere bei einem Druck größer als 1 bar (a). Besonders bevorzugt wird der Reaktionsdruck abhängig von den verwendeten Reaktanden so hoch gewählt, dass die Reaktanden bei der Reaktionstemperatur in flüssiger Form vorliegen.

[0052] In bevorzugten Ausführungsformen wird in den erfindungsgemäßen Schlaufenreaktor kein Gas eingespeist.

[0053] Die erfindungsgemäße Anlage umfasst einen Mischer, in dem die Reaktanden miteinander ver- mischt werden, bevor sie in den Schlaufenreaktor eingespeist werden. Erfindungsgemäß erfolgt somit die

Vermischung der Reaktanden miteinander außerhalb des Schlaufenreaktors und die so erhaltene Mi- schung wird anschließend in den Schlaufenreaktor eingespeist.

[0054] Bevorzugt ist der Mischer ein Venturi-Strahlmischer.

[0055] Es ist bevorzugt, dass die Reaktanden ohne Lösemittel miteinander vermischt werden, wenn es sich dabei in Reinform unter den Reaktionsbedingungen um Flüssigkeiten handelt. Falls zumindest ein

Reaktand oder das Produkt unter Reaktionsbedingungen fest ist, können die Reaktanden jedoch auch in einem flüssigen Lösemittel gemischt werden.

[0056] Die Reihenfolge der Vermischung der Reaktanden miteinander und mit Lösemittel ist nicht be- sonders eingeschränkt. In bevorzugten Ausführungsformen werden die Reaktanden jeweils getrennt und

240550P00LU ’ unabhängig voneinander bereits als Lösungen in oder Mischungen mit Lösemittel bereitgestellt und dann LU103393 im Mischer miteinander vereint. Es kann dann ggf. noch zusätzliches Lösemittel hinzugefügt werden.

[0057] Der Mischer erzeugt einen Flüssigkeitsstrahl, welcher in den Schlaufenreaktor eingeleitet wird.

Dazu wird die im Mischer erzeugte Flüssigkeit mit den Reaktanden bevorzugt von einer Pumpe gefördert und anschließend über eine Düse, bevorzugt eine Venturi-Düse, ein Flüssigkeitsstrahl erzeugt, welcher in den Schlaufenreaktor eingeleitet wird. Der Flüssigkeitsstrahl bewirkt durch seinen Impuls dann eine Be- wegung der flüssigen Phase im Schlaufenreaktor. Diese Bewegung kann beispielsweise eine laminare oder auch eine turbulente Strömung sein. Durch diese Strömung erfolgt eine Zirkulation der suspendierten

Partikel in der flüssigen Phase. Da die Partikel typischerweise nicht miteinander verkleben, erfolgt eine freie Zirkulation.

[0058] In bevorzugten Ausführungsformen sind die Reaktanden miteinander mischbar und der Flüssig- keitsstrahl besteht aus einer einzigen flüssigen Phase.

[0059] In anderen bevorzugten Ausführungsformen sind die Reaktanden nicht miteinander mischbar, ggf. auch nicht in Gegenwart von Lösemittel, und der Flüssigkeitsstrahl umfasst zwei flüssige Teilphasen.

Bevorzugt wird dann durch den Mischer eine Emulsion erzeugt und diese Emulsion als Flüssigkeitsstrahl in den Schlaufenreaktor eingespeist.

[0060] In bevorzugten Ausführungsformen ist der in die flüssige Phase eingespeiste Flüssigkeitsstrahl nach oben gerichtet, bevorzugt insbesondere dann, wenn die Dichte der Partikel größer als die Dichte der flüssigen Phase ist.

[0061] Zur Lösung der vorstehend genannten Probleme (13) und (14) werden in bevorzugten Ausfüh- rungsformen die nicht miteinander mischbaren Reaktanden über einen bestimmten Zeitraum zu Beginn der Umsetzung oder sogar während der gesamten Umsetzung über die Düse, bevorzugt am Boden des

Schlaufenreaktors, in die flüssige Phase eingespeist. Auf diese Weise werden die nicht mischbaren Reak- tanden zu einer feinen Flüssig-Flüssig-Dispersion vermischt. Zusätzlich wird die freie Zirkulation der

Partikel durch den Impuls des Flüssigkeitsstrahls angetrieben.

[0062] In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist der in die flüssige Phase eingespeiste Flüssig- keitsstrahl nach unten gerichtet, bevorzugt insbesondere dann, wenn die Dichte der Partikel kleiner als die Dichte der flüssigen Phase ist.

[0063] Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass herkömmliche Reaktoren mit externem

Flüssigkeitskreislauf, wie z.B. Gasinjektions-Strahlreaktoren, wie sie beispielsweise für Hydrierungen,

Alkoxylierungen, Veresterungen, Amidierungen, Aminierungen usw. eingesetzt werden, mit dem erfin- dungsgemäßen hydrodynamischen Schlaufenreaktor nachgerüstet werden können, ohne dass größere bau- liche Veränderungen erforderlich sind. Der erfindungsgemäße hydrodynamische Schlaufenreaktor wird dabei in den externen Flüssigkeitskreislauf des bestehenden Reaktors eingebunden. Nach dem Umbau findet die eigentliche Kondensationsreaktion in dem hydrodynamischen Schlaufenreaktor statt, während

240550P00LU der bestehende Reaktor als Entspannungsgefäß für die Abscheidung des Prozesswassers weiter genutzt LU103393 werden kann. Dies setzt eine niedrige Investitionsschwelle für die Einführung eines neuen und äußerst nachhaltigen Produktionsprozesses.

[0064] Mit fortschreitender Umsetzung der Reaktanden unter heterogener enzymatischer Katalyse rei- chem sich in der flüssigen Phase das gewünschte Reaktionsprodukt an, welches bevorzugt in der flüssigen

Phase gelöst ist bzw. im Gemisch mit den übrigen Bestandteilen der flüssigen Phase vorliegt.

[0065] Es ist auch möglich, dass die flüssige Phase zweiphasig ist, bevorzugt eine Emulsion, wobei so- wohl Wasser-in-Öl-Emulsionen als auch Öl-in-Wasser-Emulsionen möglich sind.

[0066] Um die flüssige Phase zusammen mit Reaktionsprodukt und Nebenprodukt aus dem Schlaufen- reaktor auszuschleusen, ohne dass gleichzeitig auch Partikel ausgeschleust werden, umfasst der erfin- dungsgemäße Schlaufenreaktor eine Rückhaltevorrichtung.

[0067] Die Rückhaltevorrichtung kann beispielsweise als Filter, Sieb oder Gitter ausgebildet sein, wobei die flüssigkeitsdurchlässigen Öffnungen kleiner als die Partikel sind.

[0068] Die Rückhaltevorrichtung dient bevorzugt nicht nur der Rückhaltung der Partikel im Schlaufen- reaktor, sondern zusätzlich auch dem Ausschleusen von in der flüssigen Phase enthaltenem Reaktions- produkt und Wasser als Nebenprodukt aus dem Schlaufenreaktor. Dazu steht die Rückhaltevorrichtung bevorzugt mit einem Flüssigkeitsauslass in Wirkverbindung.

[0069] In bevorzugten Ausführungsformen sind Flüssigkeitsauslass und Rückhaltevorrichtung am obe- ren Ende des Schlaufenreaktors angeordnet, bevorzugt als z.B. kreisförmiger Filter mit zentrischem Aus- — lassstutzen (Figur 3A).

[0070] In anderen bevorzugten Ausführungsformen sind Flüssigkeitsauslass und Rückhaltevorrichtung am Boden des Schlaufenreaktors angeordnet, bevorzugt als z.B. kreisformiger Ringfilter mit exzentri- schem Auslassstutzen (Figur 3B).

[0071] In weiteren bevorzugten Ausfithrungsformen sind Flüssigkeitsauslass und Rückhaltevorrichtung in einem Fallrohr des Schlaufenreaktors angeordnet, bevorzugt als z.B. zylindrischer Filter mit einem oder mehreren Auslassstutzen (Figur 3C). Der Vorteil emes zylindrischen Filters im ringfôrmigen Fall- rohr ist eine größere verfügbare Filtrationsfläche und eine Querstromfiltration. Beides verringert das Ri- siko einer Verstopfung des Filters, was insbesondere bei kleinen Katalysatorpartikeln von Vorteil ist und die Wartungsintervalle vergrößert.

[0072] Bevorzugt umfasst die Anlage zusätzlich eine Abtrennvorrichtung, welche konfiguriert ist zum

Abtrennen von Nebenprodukt aus der ausgeschleusten flüssigen Phase.

[0073] Um das Problem (12) zu lösen, kann die erfindungsgemäße Anlage die Abtrennvorrichtung als physikalisch getrenntes Element zur Entfemung von Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, enthalten. Die

Entfemung von Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, erfolgt, nachdem die flüssige Phase enthaltend Reak-

240550P00LU tionsprodukt und Nebenprodukt aus dem Schlaufenreaktor ausgeschleust und die Partikel dabei von der LU103393

Riickhaltevorrichtung im Schlaufenreaktor zurückgehalten wurden. Wenn die so abgetrennte ausge- schleuste flüssige Phase enthaltend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt anschließend erwärmt und ge- schert wird, liegt in der ausgeschleusten flüssigen Phase kein Enzym mehr in suspendierter Form vor und kann daher auch nicht durch Erwärmung und Scherung denaturiert werden.

[0074] Bevorzugt ist der Schlaufenreaktor zur Umsetzung der Reaktanden bei einem Reaktionsdruck (von beispielsweise größer 1 bar (a)) konfiguriert, wobei die Abtrennvorrichtung zur Abtrennung von

Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, bei einem Abtrenndruck (von beispielsweise kleiner 1 bar (a)) konfi- guriert ist, und wobei der Abtrenndruck geringer ist als der Reaktionsdruck.

[0075] Bevorzugt umfasst die Abtrennvornchtung ein EntspannungsgefäB und ist zum Verdampfen des

Nebenprodukts, bevorzugt Wasser, Absaugen sowie Kondensieren der Gasphase konfiguriert. In bevor- zugten Ausfithrungsformen umfasst die Abtrennvorrichtung eine in ein Entspannungsgefäf mündende

Sprühvorrichtung, wobei die Sprithvorrichtung vorzugsweise als ein Sprührohr, ein Sprühring oder eine

Venturidüse ausgebildet ist. Die Sprithvorrichtung ist bevorzugt durch eine hohe Gas-Flüssigkeits-Grenz- fläche gekennzeichnet, um eine hohe Massenübertragungsrate des Nebenprodukts, bevorzugt Wassers, aus der ausgeschleusten flüssigen Phase in die Gasphase zu erreichen und dadurch niedrige Konzentra- tionen an Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, während der gesamten Reaktion und insbesondere gegen

Ende der Reaktion aufrechtzuerhalten.

[0076] Bevorzugt umfasst die Abtrennvorrichtung eine Vorrichtung zur Einspeisung von einem Inertgas.

[0077] Bevorzugt dient das Inertgas zum Strippen des Nebenprodukts, bevorzugt Wasser. Bevorzugt um- fasst die Anlage eine Kondensationsvorrichtung, um das beim Strippen zusammen mit dem Inertgas aus- getriebene Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, anschließend zu kondensieren und vom Inertgas abzutren- nen.

[0078] Bevorzugt umfasst die Anlage eine Rückführleitung, bevorzugt zu der Vorrichtung zur Einspei- sung von Inertgas, um das so zurückgewonnene Inertgas wiederzuverwenden, bevorzugt in einem ge- schlossenen System. Ein Vorteil dieses Konzepts ist, dass die gesamte Anlage umfassend den hydrody- namischen Schlaufenreaktor mit der darin befindlichen Feststoffsuspension sowie das Entspannungsgefäß der Abtrennvorrichtung in einem geschlossenen System unter Inertgaszirkulation (z.B. N-,, Ar, etc.) ohne

Emissionen betrieben werden kann. Dies ist möglich, weil der Mischer zur Vermischung der Flüssigphase mit dem Inertgas, bevorzugt der Venturi-Strahlmischer, als Kompressor für den Inertgaskreislauf wirkt.

Die Energieversorgung erfolgt bevorzugt über eine Umwälzpumpe.

[0079] Bevorzugt ist die Heizvorrichtung zum Erwärmen von ausgeschleuster flüssiger Phase umfassend

Reaktionsprodukt und Nebenprodukt konfiguriert.

[0080] Bevorzugt sind zwischen dem Schlaufenreaktor und der Abtrennvorrichtung ein Wärmetauscher, sowie eine Heizvorrichtung angeordnet.

240550P00LU

[0081] Bevorzugt umfasst der Wärmetauscher einen Zulauf/Ablauf Austauscher und/oder einen Trimm- LU103393 kühler, um eine höhere Temperatur (bevorzugt über 100°C) in der Abtrennvorrichtung für die Entfernung von Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, und eine niedrigere Temperatur (bevorzugt unter 100°C) im

Schlaufenreaktor mit den suspendierten Partikeln für die enzymatisch katalysierte Umsetzung einzustel- len, ohne den energetischen Vorteil der enzymatisch katalysierten Umsetzung zu beeinträchtigen.

[0082] In bevorzugten Ausführungsformen ist die erfindungsgemäße Anlage als Kreislaufsystem ausge- bildet. Der Gehalt an Nebenprodukt wird in der ausgeschleusten flüssigen Phase enthaltend Reaktions- produkt und Nebenprodukt in einer Abtrennvorrichtung vermindert. Die restliche flüssige Phase enthal- tend Reaktionsprodukt wird dann bevorzugt zum Schlaufenreaktor zurückgeführt.

[0083] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung der flüssigen Phase stromabwärts des Schlaufenreaktors ein

Wärmetauscher angeordnet, bevorzugt ein Zulauf/Ablauf Austauscher, welcher dazu konfiguriert ist, die flüssige Phase vorzuwärmen.

[0084] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung der flüssigen Phase stromabwärts des Wärmetauschers eine

Heizvorrichtung angeordnet, welche dazu konfiguriert ist, die flüssige Phase weiter aufzuwärmen.

[0085] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung der flüssigen Phase stromabwärts der Heizvorrichtung eine

Abtrennvorrichtung angeordnet, welche dazu konfiguriert ist, Nebenprodukt abzutrennen, bevorzugt un- ter Einsatz von Inertgas (Strippen).

[0086] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung der flüssigen Phase stromabwärts der Abtrennvorrichtung eine Kreislaufpumpe angeordnet.

[0087] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung der flüssigen Phase stromabwärts der Kreislaufpumpe der

Wärmetauscher angeordnet, bevorzugt der Zulauf/Ablauf Austauscher, welcher dazu konfiguriert ist, die flüssige Phase abzukühlen und seine Wärme an die flüssige Phase, die aus dem Schlaufenreaktor ausge- schleust wird, abzugeben.

[0088] Bevorzugt ist in Strömungsrichtung der flüssigen Phase stromabwärts des Wärmetauschers ein

Kühler angeordnet, bevorzugt ein Trimmkühler, welcher dazu konfiguriert ist, die flüssige Phase weiter abzukühlen.

[0089] Bevorzugt ist in Stromungsrichtung der flüssigen Phase stromabwärts des Kühlers der Mischer angeordnet, der dazu konfiguriert ist, die rückgeführte flüssige Phase erneut in den Schlaufenreaktor ein- zuspeisen.

[0090] In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Katalysator ein beliebiger flui- disierbarer Katalysator auf einem Träger oder ohne Träger, insbesondere ein nicht-enzymatischer Kata- lysator, z.B. ein Metallkatalysator oder ein Harzkatalysator (resin catalyst).

[0091] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft somit eine vorstehend beschriebene Anlage zur Um- setzung von mindestens zwei Reaktanden in einer Kondensationsreaktion zu mindestens einem Reakti-

240550P00LU onsprodukt und einem Nebenprodukt in einer flüssigen Phase, wobei die Umsetzung unter heterogener LU103393 nicht-enzymatischer Katalyse erfolgt und wobei die Anlage folgende Elemente umfasst: - einen hydrodynamischen Schlaufenreaktor, welcher konfiguriert ist zur Aufnahme von Katalysator- partikeln, wobei die Partikel frei beweglich ın der flüssigen Phase suspendiert vorliegen; - einen Mischer, welcher konfiguriert ist zum Vermischen der Reaktanden außerhalb des Schlaufenre- aktors; wobei der Mischer eine Düse umfasst, welche konfiguriert ist zum Einspeisen eines Flüssig- keitsstrahls umfassend die miteinander vermischten Reaktanden in die flüssige Phase, so dass der ein- gespeiste Flüssigkeitsstrahl eine freie Zirkulation der Partikel in der flüssigen Phase bewirkt; und - eine Rückhaltevorrichtung, welche konfiguriert ist zum Zurückhalten der Partikel im Schlaufenreaktor beim Ausschleusen einer flüssigen Phase umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt aus dem

Schlaufenreaktor.

[0092] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von mindestens zwei

Reaktanden in einer Kondensationsreaktion zu mindestens einem Reaktionsprodukt und Nebenprodukt in einer flüssigen Phase unter heterogener enzymatischer Katalyse, bevorzugt unter Einsatz der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Anlage. Alle vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsfor- men der erfindungsgemäßen Anlage gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Um- gekehrt gelten auch alle nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsge- mäßen Verfahrens entsprechend auch für die erfindungsgemäße Anlage.

[0093] Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: (a) Bereitstellen eines hydrodynamischen Schlaufenreaktors, welcher ein an Partikeln immobilisiertes

Enzym enthält, wobei die Partikel frei beweglich in der flüssigen Phase suspendiert vorliegen; (b) Vermischen der Reaktanden außerhalb des Schlaufenreaktors und Einspeisen eines Flüssigkeitss- trahls umfassend die miteinander vermischten Reaktanden in die flüssige Phase über eine Düse, wo- bei der eingespeiste Flüssigkeitsstrahl eine freie Zirkulation der Partikel in der flüssigen Phase be- wirkt; und (c) Ausschleusen einer flüssigen Phase umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt aus dem

Schlaufenreaktor, wobei die Partikel im Schlaufenreaktor zurückbleiben.

[0094] Bevorzugt erfolgt das Vermischen der Reaktanden in Schritt (b) unmittelbar bevor die miteinan- der vermischten Reaktanden in den Schlaufenreaktor eingespeist werden.

[0095] Bevorzugt ist das mindestens eine Reaktionsprodukt ausgewählt aus Estern, Amiden, Aminen und Ethern.

[0096] Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den zusätzlichen Schritt (d) Abtrennen von Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, aus des ausgeschleusten flüssigen Phase, bevor- zugt unter Einsatz der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung.

240550P00LU

[0097] Bevorzugt erfolgt die Umsetzung der Reaktanden bei einem Reaktionsdruck, wobei die Abtren- LU103393 nung von Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, bei einem Abtrenndruck erfolgt, und wobei der Abtrenndruck geringer ist als der Reaktionsdruck.

[0098] Bevorzugt erfolgt Schritt (d) mit Hilfe einer in ein Entspannungsgefäß mündenden Sprühvorrich- tung, wobei die Sprühvorrichtung vorzugsweise als ein Sprührohr, Sprühring oder als eine Venturidüse ausgebildet ist.

[0099] Bevorzugt wird in Schritt (d) ein Inertgas eingespeist, bevorzugt zur Grenzflächenvergrößerung.

[0100] Bevorzugt wird die Temperatur der ausgeschleusten flüssigen Phase umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt nach dem Ausschleusen in Schritt (c) und vor dem Abtrennen in Schritt (d) verändert.

[0101] Bevorzugt wird die ausgeschleuste flüssige Phase erwärmt.

[0102] In bevorzugten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren als Batch-Prozess durchgeführt.

[0103] In anderen bevorzugten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren semi-konti- nuierlich durchgeführt.

[0104] In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren kontinuier- lich durchgeführt.

[0105] Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage.

Eine flüssige Phase (1) ist im Reaktionsraum eines hydrodynamischen Schlaufenreaktors (2) angeordnet.

In der flüssigen Phase (1) sind Partikel (3) suspendiert, auf denen Enzym immobilisiert ist. Die Partikel (3) zirkulieren frei, was durch die Pfeile angedeutet wird. Über einen Mischer (4), welcher beispielsweise als Venturi-Mischer ausgebildet sein kann, werden Reaktanden miteinander vermischt und der so erzeugte

Flüssigkeitsstrahl (6) wird über eine Düse (5), bevorzugt eine Venturi-Düse, in den Reaktionsraum des

Schlaufenreaktors (2) eingespeist. Der Impuls des Flüssigkeitsstrahls (6) bewirkt die freie Zirkulation der suspendierten Partikel (3) in der flüssigen Phase (1). Alternativ kann der Mischer (4) beispielsweise auch als T-Stück mit anschließendem Konus ausgebildet sein.

[0106] Da einer der Reaktanden entweder hydrophil ist (und deshalb schädlich für das Enzym ist), oder unter den Bedingungen in der Abtrennvorrichtung flüchtig ist, oder mit dem ersten Reaktanden nicht mischbar, oder aus anderen Gründen in einer niedrigen Konzentration vorliegen sollte, oder langsam do- siert werden sollte, ist es vorgesehen diesen zweiten Reaktanden zumindest teilweise (semi-)kontinuier- lich über die Zuführung (17) in den Mischer (4) einzuleiten. Auch eine Aufteilung dieses Reaktanden auf

Teilströme zur Einleitung in den Mischer 4 und in die Abtrennvorrichtung 9 (über eine Vorrichtung zur

Einspeisung von Reaktand 14) ist möglich.

[0107] Am oberen Ende des Reaktionsraums des Schlaufenreaktors (2) ist eine Rückhaltevorrichtung (7) angeordnet, über welche flüssige Phase (8) umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt ausge-

240550P00LU schleust wird, wobei die Partikel (3) von der Rückhaltevorrichtung (7) im Reaktionsraum des Schlaufen- LU103393 reaktors (2) zurückgehalten werden.

[0108] Die ausgeschleuste flüssige Phase (8) wird bevorzugt über einen Zulauf/Ablauf Austauscher (11a) geleitet, worin sie Wärme aufnimmt aus einem Rückführstrom (Vorwärmung). Anschließend wird die vorsewärmte ausgeschleuste flüssige Phase (8) in einer Heizvorrichtung (12) erwärmt. Danach wird die erwärmte ausgeschleuste flüssige Phase (8) in einem weiteren Mischer (16), bevorzugt einem Venturi-

Düsen-Mischer, vermischt mit rückgeführtem Inertgas und ggf. frischem Inertgas, welches über Vorrich- tung (10) eingespeist wird. Die so erzeugte Mischung wird in eine Abtrennvorrichtung (9) eingeleitet.

[0109] In der Abtrennvorrichtung (9) wird Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, zusammen mit Inertgas ausgeschleust und in einer Kondensationsvorrichtung (15) wird das Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, auskondensiert und auf diese Weise von dem Inertgas abgetrennt. Das Inertgas wird zu dem weiteren

Mischer (16) zurückgeführt. Die Abtrennvorrichtung (9) weist eine Vorrichtung zur Einspeisung eines

Reaktanden (14) auf, über die der erste Reaktand vorgelegt wird.

[0110] Die erwärmte flüssige Phase, von der in der Abtrennvorrichtung (9), Nebenprodukt, bevorzugt

Wasser, abgetrennt wurde, wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einer Kreislaufpumpe (13) angesogen und als Rückführstrom zum Zulauf/Ablauf Austauscher (11a) zurückgeführt, in welchem sie

Wärme an ausgeschleuste flüssige Phase (8) abgibt, um diese vorzuwärmen. Anschließend wird der Rück- führstrom bevorzugt in einem Trimmkühler (11b) weiter abgekühlt, ehe er zum Mischer (4) zurückgeführt wird.

[0111] Figur 2 zeigt schematisch eine Variante der bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsge- mäßen Anlage gemäß Figur 1. Dabei werden Inertgas über Vorrichtung (10) und zweiter Reaktand über

Vorrichtung (14) in die flüssige Phase in der Abtrennvorrichtung (9) eingespeist. Die in der Heizvorrich- tung (12) erwärmte flüssige Phase (8) wird über eine in das Entspannungsgefäß der Abtrennvorrichtung (9) mündende Sprühvorrichtung, die als Sprührohr bzw. Sprühring ausgebildet ist, der Abtrennvorrich- tung (9) zugeführt. Der weitere Mischer (16) gemäß Figur 1 entfällt.

[0112] Figur 3 zeigt schematisch bevorzugte Ausführungsformen für die Anordnung der Rückhaltevor- richtung (7) im Schlaufenreaktor (2). In der bevorzugten Ausführungsform gemäß Figur 3A sind Flüssig- keitsauslass und Rückhaltevorrichtung (7) am oberen Ende des Schlaufenreaktors (2) angeordnet, bevor- zugt als z.B. kreisförmiger Filter mit zentrischem Auslassstutzen. In der bevorzugten Ausführungsform gemäß Figur 3B sind Flüssigkeitsauslass und Rückhaltevorrichtung (7) am Boden des Schlaufenreaktors (2) angeordnet, bevorzugt als z.B. kreisförmiger Ringfilter mit exzentrischem Auslassstutzen. In der be- vorzugten Ausführungsform gemäß Figur 3C sind Flüssigkeitsauslass und Rückhaltevorrichtung (7) in einem Fallrohr des Schlaufenreaktors (2) angeordnet, bevorzugt als z.B. zylindrischer Filter mit einem oder mehreren Auslassstutzen.

[0113] Bezugszeichenliste: 1 flüssige Phase 2 Schlaufenreaktor

240550P00LU 3 Partikel 11a Zulauf/Ablauf Austauscher LU103393 4 Mischer 11b Trimmkühler

Düse 12 Heizvorrichtung 6 Flüssigkeitsstrahl 13 Umwälzpumpe 7 Rückhaltevorrichtung 14 Vorrichtung zur Einspeisung des ersten Re- 8 ausgeschleuste flüssige Phase aktanden 9 Abtrennvorrichtung 15 Kondensationsvorrichtung

Vorrichtung zur Einspeisung von Inertgas 16 weiterer Mischer 11 Wärmetauscher 17 Zuführung für den zweiten Reaktand

Claims

240550P00LU Patentansprüche: LU103393

1. Eine Anlage zur Umsetzung von mindestens zwei Reaktanden in einer Kondensationsreaktion zu mindestens einem Reaktionsprodukt und einem Nebenprodukt in einer flüssigen Phase (1) unter heterogener enzymatischer Katalyse, wobei die Anlage folgende Elemente umfasst: - einen hydrodynamischen Schlaufenreaktor (2), welcher konfiguriert ist zur Aufnahme eines an Partikeln (3) immobilisierten Enzyms, wobei die Partikel (3) frei beweglich in der flüssigen Phase (1) suspendiert vorliegen; - einen Mischer (4), welcher konfiguriert ist zum Vermischen der Reaktanden außerhalb des Schlaufenreaktors (2); wobei der Mischer (4) eine Düse (5) umfasst, welche konfiguriert ist zum Einspeisen eines Flüssigkeitsstrahls (6) umfassend die miteinander vermischten Reaktanden in die flüssige Phase (1), so dass der eingespeiste Flüssigkeitsstrahl (6) eine freie Zirkulation der Partikel (3) in der flüssigen Phase (1) bewirkt; und - eine Rückhaltevorrichtung (7), welche konfiguriert ist zum Zurückhalten der Partikel (3) im Schlaufenreaktor (2) beim Ausschleusen einer flüssigen Phase (8) umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt aus dem Schlaufenreaktor (2).

2. Die Anlage nach Anspruch 1, wobei der in die flüssige Phase (1) eingespeiste Flüssigkeitsstrahl (6) nach oben gerichtet ist; bevorzugt wobei die Dichte der Partikel (3) größer als die Dichte der flüs- sigen Phase (1) ist.

3. Die Anlage nach Anspruch 1, wobei der in die flüssige Phase (1) eingespeiste Flüssigkeitsstrahl (6) nach unten gerichtet ist; bevorzugt wobei die Dichte der Partikel (3) kleiner als die Dichte der flüssigen Phase (1) ist.

4. Die Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche zusätzlich eine Abtrennvorrichtung (9) umfasst, welche konfiguriert ist zum Abtrennen von Nebenprodukt aus der ausgeschleusten flüssigen Phase (8).

5. Die Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schlaufenreaktor (2) zur Umset- zung der Reaktanden bei einem Reaktionsdruck konfiguriert ist, wobei die Abtrennvorrichtung (9) zur Abtrennung von Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, bei einem Abtrenndruck konfiguriert ist, und wobei der Abtrenndruck geringer ist als der Reaktionsdruck.

©. Die Anlage nach Anspruch 5, wobei die Abtrennvorrichtung (9) ein Entspannungsgefäß umfasst und zum Verdampfen des Nebenprodukts, bevorzugt Wassers, Absaugen sowie Kondensieren der Gasphase konfiguriert ist.

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7. Die Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Abtrennvorrichtung (9) eine in ein Ent- spannungsgefäß mündende Sprühvorrichtung umfasst, wobei die Sprühvorrichtung vorzugsweise als ein Sprührohr, ein Sprühring oder eine Venturidüse ausgebildet ist.

8. Die Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Abtrennvorrichtung (9) eine Vorrichtung (10) zur Einspeisung von einem Inertgas umfasst.

9. Die Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei zwischen dem Schlaufenreaktor (2) und der Abtrennvorrichtung (9) ein Wärmetauscher (11) sowie eine Heizvorrichtung (12) angeordnet sind.

10. Die Anlage nach Anspruch 9, wobei die Heizvorrichtung (12) konfiguriert ist zum Erwärmen von ausgeschleuster flüssiger Phase (8) umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt.

11. Die Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Düse (5) eine Venturi-Düse ist.

12. Ein Verfahren zur Umsetzung von mindestens zwei Reaktanden in einer Kondensationsreaktion zu mindestens einem Reaktionsprodukt und Nebenprodukt in einer flüssigen Phase (1) unter hetero- gener enzymatischer Katalyse, bevorzugt unter Einsatz einer Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines hydrodynamischen Schlaufenreaktors (2), welcher ein an Partikeln (3) im- mobilisiertes Enzym enthält, wobei die Partikel (3) frei beweglich in der flüssigen Phase (1) suspendiert vorliegen; (b) Vermischen der Reaktanden außerhalb des Schlaufenreaktors (2) und Einspeisen eines Flüs- sigkeitsstrahls (6) umfassend die miteinander vermischten Reaktanden in die flüssige Phase (1) über eine Düse (5), wobei der eingespeiste Flüssigkeitsstrahl (6) eine freie Zirkulation der Partikel (3) in der flüssigen Phase (1) bewirkt; und (c) Ausschleusen einer flüssigen Phase (8) umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt aus dem Schlaufenreaktor (2), wobei die Partikel (3) im Schlaufenreaktor (2) zurückbleiben.

13. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Vermischen der Reaktanden in Schritt (b) erfolgt unmittelbar bevor die miteinander vermischten Reaktanden in den Schlaufenreaktor (2) eingespeist werden.

14. Das Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das mindestens eine Reaktionsprodukt ausgewählt ist aus Estern, Amiden, Aminen und Ethern.

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15. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, umfassend den zusätzlichen Schritt LU103393 (d) Abtrennen von Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, aus der ausgeschleusten flüssigen Phase (8).

16. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Umsetzung der Reaktanden bei einem Reaktionsdruck erfolgt, wobei die Abtrennung von Nebenprodukt, bevorzugt Wasser, bei einem Abtrenndruck er- folgt, und wobei der Abtrenndruck geringer ist als der Reaktionsdruck.

17. Das Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei Schritt (d) mit Hilfe einer in ein Entspannungs- gefäß mündenden Sprühvorrichtung erfolgt, wobei die Sprühvorrichtung vorzugsweise als ein Sprührohr, Sprühring oder eine Venturidüse ausgebildet ist.

18. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei in Schritt (d) ein Inertgas eingespeist wird, bevorzugt zur GrenzflächenvergrôBerung.

19. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Temperatur der ausgeschleusten flüssigen Phase (8) umfassend Reaktionsprodukt und Nebenprodukt nach dem Ausschleusen in Schritt (c) und vor dem Abtrennen in Schritt (d) verändert wird.

20. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei die ausgeschleuste flüssige Phase (8) erwärmt wird.