APPARATUS FOR THE SEPARATION OF PRODUCTS FROM A PRODUCT-SUBSTRATE MIXTURE

Abstract: 1. Apparatus for the separation of products from a product-substrate mixture of a bioreactor, using a pervaporation diaphragm through which the product to be separated is extracted, characterized in that ahead of said pervaporation diaphragme (5) a porous diaphragme (4) is disposed which cooperates with said pervaporation diaphragm (5) to form a cavity (8) through which the substrate passes, and which is so designed that it retains micro-organisms and/or proteins but allows the product, and not the components of the nutrient solution permeating through said pervaporation diaphragm (5), to enter said cavity (8).

Description: Vorrichtung zur Abtrennung von Produkten aus einem Produkt-Substrat-Gemisch Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abtrennung von Produkten aus einem Produkt-Substrat-Gemisch eines Bioreaktors gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Hierbei wird unter Bioreaktor allgemein ein Reaktor, beispielsweise ein Fermenter verstanden, in dem unter Einsatz von Mikroorganismen, Enzymen etc. ein Produkt, z.B. ein Lösungsmittel, Ethanol, Buthanol oder ein Wirkstoff hergestellt wird. Bei Bioreaktoren stellt sich allgemein das Problem, das entstehende Produkt aus dem Reaktionsgefäss, das das aus Zellsuspension, Nährlösung und Produkt bestehende Gemisch enthält1 möglichst kontinuierlich zu entfernen. In der ED-PS ##I33, der EU-OS 86 539 sowie der DE-OS 30 05 605 sind de#h##: Vorrichtungen der im Oberbegriff des Patentanspruchs') angegebenen Gattung beschrieben, bei denen das entstehende Produkt über Membrane entnommen wird, die nach dem sogenannten Ultrafiltrationsprinzip arbeiten. Hierbei werden Porenmeibrane unter Aufbringung einer Druckdifferenz dazu benutzt, Substanzen mit vergleichsweise niedrige. Molekulargewicht von Substanzen mit hohem Molekulargewicht zu trennen. Häufig unterscheidet sich das in einem Bioreaktor entstehende Produkt, das entnommen werden soll, bezüglich seines Molekulargewichts so wenig von der Nährlösung, dass eine Trennung ¯mittels Ultrafiltration nicht möglich ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abtrennung von Produkten aus einem Produkt-Substrat-Gemisch eines Bioreaktors anzugeben, die eine weitgehend kontinuierliche Produktentfernung auch bei weitgehend gleichen Molekulargewichten des Produkts und Bestandteilen der Nährlösung erlaubt. Diese Aufgabe ¯wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ausgehend von einer gattungsgemässen Vorrichtung diese durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils weitergebildet wird. Er findungsgemäss Zat nämlich erkannt worden, dass es möglich ist, auch bei weitgehend gleichem Molekulargewicht des Produkts und von B¯es¯tandteilen der Nährlösung das Produkt kontinuierlich abzutrennen, wenn man eine Pervaporationsmembran verwendet. Derartige Pervaporationsmembrane sind zwar all gemein bekannt. Hierzu wird z.B. auf das Buch von Dytnerskij "Membranprozesse zur Trennung flüssiger Gemische", 1977, S. 134 bis 137 verwiesen. Die Verwendung von Pervaporationsmembranen zur Abtrennung von Produkten aus Bioreaktoren ist aber bislang noch nicht in Betracht gezogen worden. Die erfindungsgemäss verwendeten Pervaporationsmembranen sind in der Regel homogene Polymermembranen, in denen sich die einzelnen im Bioreaktor vorhandenen Komponenten unterschiedlich gut lösen. Das Material der Pervaporationsmembran wird dabei so gewählt, dass sich das abzutrennende Produkt in der Pervaporationsmembran gut löst, während sich die nicht abzutrennenden Bestandteile der Nährlösung wesentlich schlechter lösen. Sorgt man dafür, dass der Dampfdruck des abzutrennenden Produkts im Produktraum geringer ist als im Reaktorraum, erhält man einen Produktstrom vom Reaktorraum durch die Pervaporationmembran in den Produktraum. Die unterschiedlichen Dampfdrücke des Produkts im Reaktor- und im Produktraum können dabei dadurch erzeugt werden, dass man eine Temperaturdifferenz zwischen Reaktorraum und Produktraum aufrecht erhält, oder das Produkt kontinuierlich aus dem Produktraum beispielsweise durch Abpumpen entfernt. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 folgende angegeben. Ein generelles Problem beim Einsatz von Membranen in der Biotechnologie ist das Aufwachsen von Mikroorganismen und/ oder Proteinen auf den Trennmembranen. Deshalb wird erfindungsgemäss vor der Pervaporationsmembran, die das Produkt von Bestandteilen der Lösung mit ähnlichem Molekulargewicht abtrennt, eine z.B. als Ultrafiltrationsmembran ausgebildete Porenmembran angeordnet, die weder Mikroorganismen noch Proteine in den zwischen Porenmembran und Pervaporationsmembran gebildeten Zwischenraum eintreten lässt. Die Trenngrenze der Poren.eibran liegt dabei typischerweise bei Molekulargewichten zwischen 1000 und 1Q 000. Damit wird das Aufwachsen von Mikroorganismen undtoder Proteinen auf der nicht einfach zu reinigenden Pervaporationsmembran mit Sicherheit vermieden. Sollen nur Mikroörganismen abgehalten werden, ist es aber auch möglich, als Porenmembran eine Filtrationsmembran zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit, das Aufwachsen von Mikroorganismen auf der Pervaporationsmembran zu verhindern, ist im Anspruch 7 gekennzeichnet: Die ran ist als Tauchrohr eines Hydrozyklons (Zentrifugalabscheiders) ausgebildet. Ein derartiger llydrozyklon hat bekanntlich die Eigenschaft, die schwereren Teilchen einer Suspension, also die Mikroorganismen und die Proteine in die periphere Zone zu drängen, während die Kernzone, in der sich die Membran befindet, nahezu partikelfrei ist. Ein derartiger Hydrozyklon kann auch in Verbindung wit der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 vorgesehen werden In diesem Falle verhindert bzw. verringert er das Zusetzen der Poren der Ultra filtrationsiembran durch Mikroorganismen oder Proteine. Die der Pervaporationsmembran vorgeschaltete" Porenmembran hat in jedem Falle jedoch den Vorteil, dass sie sich leicht von Mikroorganismen und/oder Proteinen reinigen lässt, die sich auf ihr niedergeschlagen haben. Diese Reinigung kann in besonders einfacher Weise gemäss Anspruch 3 beispielsweise dadurch erfolgen, dass in bestimmten Zeitabständen die Strömungsrichtung zwischen Zwischenraum und Reaktorraum umgekehrt wird. Durch diese Umkehr der Strömungsrichtung werden Mikroorganismen und/oder Proteine, die sich in den Poren der Ultrafiltrationsmembran festgesetzt haben, ent fern. Die Zeitabstände, in denen die Porenmembran gereinigt werden muss, hängen dabei von der Beschaffenheit der Biosuspension, der Trenngrenze der Porenmembran und davon ab, ob sich die Porenmembran im Zentrum eines Hydrozyklons befindet, oder ob nicht. Eine weitere bevorzugte Möglichkeit, die Porenmembran von an ihr anhaftenden Mikroorganismen und/oder Proteinen zu reinigen, ist, neue Nährlösung über den Zwischenraum in den Bioreaktor mit einer Strömungsrichtung einzuleiten, die der normalen Strömungsrichtung vom Reaktorraum in den Zwischenraum entgegengesetzt ist. Diese Möglichkeit hat darüberhinaus den weiteren Vorteil, dass eventuelle Verunreinigungen der Nährlösung in dem Zwischenraum zurückgehalten werden. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei- spiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung näher beschrieben. Die Figur zeigt ein Abscheidegefäss 2 eines Hydrozyklons, das einen Einlass 1 und einen Auslass 3 aufweist. Der Einlass 1 und der Auslass 3 sind mit einem nichtdargestellten Bioreaktor, einem Fermenter etc. verbunden. Im Zentrum des Abscheidege fässes 2 des Hydrozyklons befinden sich anstelle des sonst verwendeten Tauchrohrs eine zylinderförmige Porenmembran 4, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Ultrafiltrationsmembran ist, und eine ebenfalls zylinderförmige Pervaporationsmembran 5. Die Porenmembran 4 und die Pervaporationsmembran 5 schliessen einen Zwischenraum 8 ein, der einen Auslass 6 aufweist. Im Inneren der Pervaporationsmembran 5 befindet sich ein Produktraum 9 mit einem Auslass 7, aus dem das abzutrennende (dampfförmige) Produkt beispielsweise durch Abpumpen entnommen wird. Im folgenden wird die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung beschrieben werden. Die Biosuspension, d.h. das Gemisch aus Produkt, Nährlösung, Korpuskel {Mikroorganismen) und Proteinen tritt über den Einlass 1 tangential mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit in das Abscheidegefäss 2 des Hydrozyklons ein. Durch geeignete, nur schematisch dargestellte stromlenkende Mass- nahmen wird in den. Abscheidegefäss 2 eine schraubenförmige Strömung erzeugt. Hierdurch werden die schwereren Mikro Organismen radial nach aussen gedrängt und verlassen das Ab scheidegefäss 2 an dessen unterem konischen Ende über den Auslass 3 in konzentrierter Form, von wo aus sie den (nicht dargestellten) Bioreaktor zurückgeführt werden. Das weitgehend zellfreie Medium, d.h. das Gemisch aus Nährlösung und Produkt kommt im Zentrum des Hydrozyklons mit der Porenmeibran 4 in Kontakt, durchsetzt zum Teil diese und kommt anschliessend mit der Pervaporationsmembran 5 in Kontakt. Entsprechend der jeweiligen Löslichkeit lösen sich die einzelnen Bestandteile des zellfreien Mediums in der Pervaporationsmembran 5. Das Material der Pervaporationsmembran 5 ist dabei so gewählt, dass sich das abzutrennende Produkt in ihr wesentlich besser als die restlichen Bestandteile des Fluids löst. Will man beispielsweise Ethanol als Produkt abtrennen, so kann als Material für die Pervaporationsmembran 5 Silikonkautschuk verwendet werden. Die Löslichkeiten von Ethanol und beispielsweise Wasser in Silikonkautschuk verhalten sich wie 100 : 1, so. dass sich beispielsweise bei einer Konzentration von Ethanol im Reaktorraum bzw. im Abscheidegefäss 2 von 6 Gew.% eine Anreicherung von Ethanol im Produktraum 9 von ca. 60 Gew.% ergibt. Das im Produktraum 9 stark angereicherte Produkt wird über den Auslass 7 abgeführt, so dass ständig zwischen Produktraum 9 und Reaktoraum 2 bzw. Zwischenraum 8 ein Partialdruckdifferenz aufrechterhalten wird, die die treibende Kraft für den Permeationsvorgang durch die Pervaporationsmembran 5 darstellt. Das im Zwischenraum 8 verbliebene zellfreie und produktarme Medium wird über den Auslass 6 abgeführt und kann beispielsweise in den Bioreaktor zurückgeführt werden. In bestimmten Zeitabständen, die von der Porengrösse der Membran 4, der verwendeten Biosuspension etc. abhängen, kann die Strömungsrichtung der zellfreien, produktarmen Lösung umgekehrt werden, so dass das Medium die Porenmembran 4 in entgegengesetzter Richtung passiert. Auf diese Weise werden an der Membran anhaftende Mikroorganismen, Proteine etc. abgespült und über den Auslass 3 in den eigentlichen Reaktorraum des Bioreaktors zurückgeführt. Eine weitere Möglichkeit, die Porenmembran 4 zu reinigen, besteht darin, über den Auslass 6 für die produktarme Lösung auch die von Zeit zu Zeit nachzufüllende Nährlösung zuzuführen. Auch in diesem Falle ergibt sich eine Umkehr der Strömungsrichtung durch die Porenmembran 4, so dass die Mikroorganismen von der Membran abgespült werden und durch den Auslass 3 des Abscheidegefässes 2 des Zyklons wieder in den eigentlichen Bioreaktor zurückgeführt werden. Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden, bei dem nicht nur eine Pervaporationmembran zum Abtrennen des Produkts, sondern zusätzlich auch eine Porenmembran und ein Hydrozyklon verwendet werden. Die Porenmembran hat dabei die Aufgabe, Mikroorganismen, Proteine etc. von der Pervaporationsmembran abzuhalten, während durch den Hydrozyklon die Konzentration von Mikroorganismen, Proteinen etc. an der Porenmembran herabgesetzt werden soll, so dass die Zeitabstände, nach denen eine Reinigung der Porenmeibran erforderlich ist, stark verlängert werden. (Unter Umständen ist auch überhaupt keine Reinigung der Porenmembran erforderlich.) Es versteht sich jedoch von selbst, dass io Rahmen des erfindungsgemässen Grundgedankens, zur Abtrennung von Reaktionsprodukten eine Pervaporations membran zu-verwenden, nicht nur diese bevorzugte Kombination der Merkmale des Ausführungsbeispiels, sondern auch Ausführungsformen liegen, bei denen nur ein Teil der Merkmale realisiert ist. Auch ist es möglich, die Partialdruckdifferenz zwischen Pro duktraum 9 und Zwischenraum 8 nicht durch Abpumpen des Produkts aus dem Produktraum 9, sondern beispielsweise durch eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Räumen aufrechtzuerhalten. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist ferner nicht nur zum Abtrennen von Bestandteilen aus flüssigen Suspensionen, sondern auch zum Abtrennen von Produkten aus gasförmigen Gemischen geeignet. Natürlich ist in einem solchen Falle der Hydrozykldn durch einen Aerozyklon zu ersetzen. Das entstehende Produkt kann nicht nur im gasförmigen Zustand aus dem Produktraum 9 abgepumpt werden, sondern es ist z.B. auch möglich, es im Produktraum mittels einer Kühlfalle zu kondensieren, um es dann im flüssigen Zustand abzuziehen. Darüberhinaus ist es sogar möglich, in den Fällen, in denen sich Produkt und Nährlösung im Molekulargewicht wesentlich unterscheiden, bei- der in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel auf die Pervaporationsmembran zu verzichten, und lediglich eine Porenmembran 4 zu verwenden, die als Ultrafiltrations#mbran it geeigneter Trenngrenze ausgebildet ist. Ansonsten arbeitet die Vorrichtung in gleicher Weise, wobei das Produkt beim Auslass 6 das Abscheidegefäss 2 verlässt. Die bei dem Ausführungsbeispiel als Ultrafiltrationsmembran ausgebildete Porenmembran 4 kann - je nach Einsatzfall - auch eine Filtrationsmembran sein, die dann nur Mikroorganismen am Eindringen in den Zwischenraum 8 hindert.

Claims: Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Abtrennung von Produkten aus einem Produkt-2ubstrat-Gexisch, zum Beispiel aus Bioreaktoren, mit einer Membran, durch die das abzutrennende Produkt strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Pervaporationsmembran (5) ist, die derart angeordnet ist, dass sie einen Produktraum (9) abteilt, in dem ein niedriger Partialdruck des abzutrennenden Produkts als im Reaktorraum (2) aufrecht erhalten wird. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porenmembran (4) vorgesehen ist, die mit der Pervaporationsmembran einen durchströmten Zwischenraum (8) bildet und Mikroorganismen und/oder Proteine abhält, jedoch das Produkt und die nicht durch die Pervaporationsmembran (5) permeirenden Komponenten der Nährlösung in den Zwischenraum (8) eintreten lässt. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung der Porenmembran (4) von festen Partikeln, Zellen und sonstigen Rückständen die Strömungsrichtung der produktarmen Nährstofflösung durch die Porenmeibran umkehrbar ist. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung frischen Substrats über den Zwischenraum (8) und durch die Porenmembran (4) mit umgekehrter Strömungsrichtung erfolgt. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pervaporationsmembran (5) als einseitig geschlossener Zylinder ausgebildet ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch'gekennzeichnet, dass die Porenmembran (4) ein die Pervaporationsmembran (5) umgebender Zylinder ist. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pervaporationsmembran (5) bzw. die die Porenmembran (4) und die Pervaporationsmembran als Tauchrohre in ein Abscheidegefäss (2) eines Hydrozyklons eingesetzt sind.

Inventors: CHMIEL, HORST, PROF. DR.-ING.
Applicants: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.
Application year: 1985
Main classification: C12M1
IPC codes: B01D61, C12M1, C12N1