Szilárd fázisú biokatalizátorokkal mőködı reaktorok

Biokatalitikus reaktor alatt olyan alkalmasan kiképzett, szabályozott mőködéső berendezést értünk, amelyben enzimekkel, sejtekkel vagy sejtalkotórészekkel katalizált reakciókat, reakciósorozatokat hajtanak végre.

A szilárd-fázisú biokatalizátorral mőködı bioreaktorok fı típusai a következık [CHIBATA és mtsai, 1987; KENNEDY ésWHITE, 1985]:

mechanikusan kevert tankreaktor [GROBOILLOT és mtsai, 1994];

folyamatos átfolyású, mechanikusan kevert tankreaktor;

állóágyas reaktor;

fluidizált ágyas reaktor [GODIA ésSOLA, 1995];

recirkulációs reaktor (hurokreaktor);

ultraszőrı membrán reaktor;

membránon rögzített biokatalizátorral mőködı reaktor (enzim-membrán bioreaktor);

A megfelelıen megválasztott bioreaktor az egyik kulcseleme bármely eljárásnak, amelyhez rögzített biokatalizátort használnak. Nincsenek azonban egyszerő szabályok arra nézve, hogy egy konkrét eljáráshoz milyen reaktortípust válasszunk. A gyakorlatban elemezni kell egy reaktortípus elınyeit és hátrányait az adott folyamat esetében. Néhány figyelembe veendı szempont:

a rögzített biokatalizátor kinetikája;

a külsı és belsı anyagtranszport hatásai;

a tengelyirányú eloszlási (visszakeveredési) hatások;

a hıátviteli hatások;

a rögzített biokatalizátor mőködési stabilitása.

Habár az enzim immobilizálása egyfajta többletköltséget jelent az eljárás kivitelezése során, mindenképpen érdemes mérlegelni a biokatalizátor többszöri felhasználhatóságát és összehasonlítani azt az oldott állapotú alkalmazás során fellépı veszteséggel. Elsısorban a

Rögzített sejtekkel mőködı oszlopreaktort nagy áramlási sebességek mellett viszonylag nehéz mőködtetni a szubsztrát-termék(ek)-rögzítıanyag között fellépı diffúziós gátlás miatt. Gyakorlati szempontból az immobilizált enzimmel mőködı oszlop elsıséget élvez a rögzített sejtes oszloppal szemben, hiszen a rögzítés módja általában egyszerőbb, valamint az elérhetı térfogati produktivitás nagyobb. Hátrányként megemlítendı azonban, hogy a biokatalizátor mőködési stabilitása az elsı esetben kisebb. A rögzített sejtek alkalmazása során külön nehezítı tényzıként fellép a sejten belüli transzportfolyamatok hatása.

A bioreaktorok hatékonyságát az egységnyi idı alatt egységnyi reaktortérfogatban átalakuló szubsztrát mennyiségével jellemezhetjük.

Katalizátor

Kevert tankreaktor

Fluidizált ágyas reaktor

Termék

Töltetes oszlop Membrán modul Spirál membrán modul Termék

8. ábra: Néhány példa a rögzített biokatalizátorral mőködı bioreaktorok típusaira

Habár az enzim immobilizálása egyfajta többletköltséget jelent az eljárás kivitelezése során, mindenképpen érdemes mérlegelni a biokatalizátor többszöri felhasználhatóságát és összehasonlítani azt az oldott állapotú alkalmazás során fellépı veszteséggel. Elsısorban a drágább, fıként intracelluláris enzimek esetében jelentıs lehet a különbség.

Rögzített sejtekkel mőködı oszlopreaktort nagy áramlási sebességek mellett viszonylag nehéz mőködtetni a szubsztrát-termék(ek)-rögzítıanyag között fellépı diffúziós gátlás miatt. Gyakorlati szempontból az immobilizált enzimmel mőködı oszlop elsıséget élvez a rögzített sejtes oszloppal szemben, hiszen a rögzítés módja általában egyszerőbb, valamint az elérhetı térfogati produktivitás nagyobb. Hátrányként megemlítendı azonban, hogy a biokatalizátor mőködési stabilitása az elsı esetben kisebb.

A bioreaktorok hatékonyságát az egységnyi idı alatt egységnyi reaktortérfogatban átalakuló szubsztrát mennyiségével jellemezhetjük. A bioreaktorból kilépı termékáram összetételének nagy hatása van a feldolgozási költségekre, ezért ezt lényeges számításba venni a bioreaktor típusának és a betáplált anyag koncentrációjának megválasztásánál.

A szilárd hordozón vagy annak belsejében rögzített biokatalizátorokat tartalmazó reaktoroknál a reakciósebesség meghatározásakor figyelembe kell venni, hogy a szubsztrátkoncentráció a hordozófelületet körülvevı határrétegben kisebb, mint a reaktor fı tömegében [VAN'T RIET ésTRAMPER, 1991]. Továbbá az olyan szilárd-fázisú biokatalizátort tartalmazó reaktoroknál, amelyeknél a biokatalizátor zömében a hordozószemcse belsejében helyezkedik el, igen jelentıs lehet az ún. belsı diffúziós ellenállás. A külsı diffúziós gátlást jól kevert reaktorokban gyakran figyelmen kívül hagyják, a belsı viszont az esetek nagy többségében nem hanyagolható el.

2.6.1. Szakaszos mőködéső mechanikusan kevert tankreaktor

A legegyszerőbb és legolcsóbb reaktortípus a kevert tankreaktor, amely reaktortérbıl és mechanikus keverıbıl áll. Általában akkor használják, amikor a szubsztrátoldat erısen viszkózus és a biokatalizátor aktivitása kicsi, viszonylag kis anyagmennyiségek elıállítására alkalmas, az átlagos reakciósebesség kicsi. A konverziót a tartózkodási idı hossza határozza meg.

Hátránya, hogy a kevertetés következtében a katalizátor mechanikailag károsodhat, kophat, tördelıdhet, ezért csak kemény, mechanikai hatásokkal szemben ellenálló hordozó használata ajánlott [ARMENTIA és WEBB, 1992]. A tökéletes kevertség következtében a kevert tankreaktor bármely pontján gyakorlatilag azonos körülmények (pH, hımérséklet, koncentráció) uralkodnak.

A kis szubsztrátkoncentráció és a kis fajlagos aktivitás miatt a reaktortípus alkalmazása elsısorban a szubsztrát által gátolt folyamatoknál elınyös [RAPOSO és mtsai, 2003]. További elınye, hogy viszonylag egyszerően, kis holtidıvel megoldható a mőködési paraméterek szabályozása. Ipari léptékő alkalmazásánál hátrány a viszonylag nagy fajlagos energiabeviteli igény.

A kevert tankreaktor leggyakrabban henger alakú. A tartály magassága rendszerint megegyezik az átmérıvel, adott esetben meghaladhatja az átmérı kétszeresét. A keverı a tartály alsó részén helyezkedik el, rendszerint a fenéktıl a keverı átmérıjével azonos távolságra. Ha a keverı magasabban kerül beépítésre, akkor a folyadék cirkulációjában zavart okozhat. Levegıztetés esetén különösen nagy figyelmet kell fordítani a keverı kiválasztására. Ha a katalizátorszemcsék egyáltalán nem érzékenyek a fellépı nyíróerıkre [BLACK és mtsai, 1984], legelterjedtebben a turbinalapátos keverıt használják, de egyéb keverıtípusok is használatosak (pl. propeller-, horgony vagy lapkeverık, amelyek jobban kímélik a szemcséket. A tartályt terelılemezekkel is ellátják, hogy elkerüljék tartalmának forgásba jövetelét. Oxigénigényes folyamatoknál a keverı alá levegıelosztót szerelnek. A legfontosabb jellemzıje a szakaszos reaktornak az a tény, hogy nincs befelé és kifelé irányuló anyagáramlás. Ez azt jelenti, hogy a teljes termékmennyiség felhalmozódik.

2.6.2. Folyamatos átáramlású kevert tankreaktor

Ebben a reaktortípusban a termék elvétele és friss szubsztrát rátáplálása folyamatosan történik. A kevert tankreaktort megfelelı szőrıvel [KRUSE és SCHÜGERL, 1996] felszerelve visszatartható a biokatalizátor, ugyanakkor biztosítható a folyamatos üzemeltetés. Így a szakaszos tankreaktornál hatékonyabb, de némileg bonyolultabb reaktortípushoz jutunk. A hatékony keverés követelménye hasonló, mint az elızı reaktortípusnál, azzal a további megszorítással, hogy el kell kerülni a szubsztrátoldat gyors

átfolyását a reaktoron. Ez a legjobban úgy oldható meg, hogy a két nyílást a lehetı legtávolabbra kell elhelyezni. Minél hosszabb a tartózkodási idı, annál nagyobb a szubsztrát konverziója termékké.

A leggyakoribb üzemeltetési feltételek között a tartályban lévı oldat gazdag a termékben és szegény a szubsztrátban. Ezért a folyamatos átfolyású, kevert tankreaktor nem megfelelı azokban az esetekben, ahol a termék toxikus, vagy gátló hatású, de nagyon jól használható, amikor a szubsztrát hátrányosan hat a kinetikára, vagy a stabilitásra [CARVALHO és mtsai, 2004].

Ezekben a reaktorokban az összenyomható, vagy finom eloszlású hordozószemcsék (pl. poliuretán, cellulóz származékok) is használhatók [CHEN ésMCGILL, 1992] eltömıdési veszély nélkül. Rögzített sejteknél jól kevert állapot szükséges annak érdekében, hogy elérhetı legyen az egyenletes szubsztrát ellátás, a nagy keverési sebesség azonban a rögzített biokatalizátor kopási károsodását eredményezi a fellépı nagy nyíróerık miatt [VLAEV és VALEVA, 1992]. Mindemellett a folyamatos átfolyású, kevert tankreaktor a legjobb megoldás az olyan rögzített sejtes rendszereknél, amelyeknél intenzív keverésre és oxigénátvitelre egyaránt szükség van.

2.6.3. Állóágyas oszlopreaktor

A drága szilárd fázisú biokatalizátorokkal mőködı biotechnológiai folyamatok esetében elterjedten használt megoldás a folyamatos üzemő oszlopreaktorok alkalmazása.

Az ilyen típusú berendezések üzemeltetési költségei viszonylag alacsonyak és jó kitermeléssel nagy tisztaságú termék elıállítását teszik lehetıvé. Ugyanakkor az oszlopreaktorok beruházási költségei nagyok, fontos elınyük viszont az egyszerő méretnövelési lehetıség [PEREZ és mtsai, 2004].

Az állóágyas oszlopreaktor egy csı alakú berendezés, amelyben a szubsztrát-, illetve a tápoldat a rögzített biokatalizátor részecskék álló halmazán halad keresztül, és a termék folyamatosan távozik a reaktor túlsó végén. A kevert tankreaktoroktól eltérıen, a részecskék a töltött ágyban nem mozognak, hanem a folyadék halad át a tölteten. Így elkerülhetı a gyöngyök kopási károsodása és növelhetı a biokatalizátor-sőrőség a

reaktorban, ugyanakkor nagyobb jelentısége van a hordozó minıségének és a hidrodinamikai viszonyok megválasztásának [KESHAVARZ és mtsai, 1996].

Az ún. külsı diffúziós gátlás az állóágyas oszlopreaktorban jellemzıen nagyobb, mint a kevert tankreaktorban, ez tehát csökkentheti a reakciósebességet. Nagy szubsztrátkoncentrációnál a konverzióban nem figyelhetı meg különbség, de a kis értékeknél az utóbbi reaktornál kisebb produktivitást kaptak a külsı diffúziós gátlás miatt.

2.6.4. Fluidizációs reaktor

A fluidizációs (fluidizált ágyas vagy fluidágyas) reaktorok egyesítik az állóágyas oszlopreaktor és a kevert tankreaktor elınyös tulajdonságait [GODIA és SOLA, 1995]. A szilárd-fázisú biokatalizátor tölteten felfelé áramoltatott folyadék (szubsztrátoldat), illetve gáz, esetenként mindkettı [SCHÜGERL, 1997] hatására a szemcsék halmaza kiterjed, miközben a növekszik a nyomásesés a szemcseágyon. Amikor ez a nyomásesés egyenlı az egységnyi ágy-keresztmetszetre esı tömeggel, a részecskék lebegı állapotba kerülnek, és az ágy fluidizál, felvéve egy közönséges folyadék dinamikáját. A részecskék között csak kismértékő érintkezés van, ezért a kopás kicsi. A fluidágyas reaktor nagyobb termelékenységet biztosíthat a folyamatos átfolyású, kevert tankreaktornál is, mert az elıbbinél a folyadék mozgása inkább megközelíti a dugószerő áramlást.

A fluidizációs reaktor elınye a folyamatos átfolyású, kevert tankreaktorral szemben, hogy egy szeparátor, ill. ülepítı egység csatlakoztatásával technikailag egyszerő még a nagyon finom katalizátor részecskék visszatartása is, és a kihordott szemcsék folyamatosan visszajuttathatók a reaktorba [KIM és mtsai, 2001].

A legfıbb hátránya a reaktortípusnak, hogy a stabil fluidizációra alkalmas folyadéksebesség tartománya általában korlátozott, és ennek következményeként a behatárolt az szubsztrát és a katalizátor érintkezési idıtartama az ágyon való egyszeri áthaladás során. Az érintkezési idı növelhetı a reaktor recirkulációs üzemeltetésével, összhangba hozva azt a folyamatos termékelvétel lehetıségével. Ilyen körülmények között a rendszer hasonlóan mőködik, mint egy kevert tankreaktor. A fluidizációs bioreaktorok további hátránya a viszonylag nagy axiális visszakeveredés, valamint az áramlási

instabilitás. Emellett az állóágyas reaktortípushoz viszonyítva alacsonyabb katalizátorsőrőség érhetı el és gyakoribbak a mőködtetési és méretnövelési problémák.