Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated by reference in their entirety).

Die vorliegende Erfindung betrifft Reaktoren mit mehreren voneinander durch Membranen unterteilten Strömungsbreichen, deren Verwendung und Verfahren zur katalytischen Umsetzung von Substraten.

Stand der Technik:

Im Zuge der Bioökonomie finden enzymatische Biosynthesen zunehmend industrielle Bedeutung. Wichtige Anwendungen finden sich in den Bereichen der Lebensmittelindustrie, der Synthese von Feinchemikalien und in der pharmazeutischen Industrie. Meistens werden die Reaktionen in einem klassischen Batch-Reaktor in einer zyklischen Verfahrensweise durchgeführt. Bei dieser klassischen Verfahrensweise geht das Enzym in der Regel am Ende der Reaktion verloren. Um dies zu vermeiden wurde bereits vor ca. 50 Jahren das Grundkonzept des Enzymmembranreaktors (EMR) entwickelt. Ein EMR besteht aus einer Kopplung eines Membrantrennverfahrens mit einer enzymatischen Reaktion. Die selektive Membran dient dazu, den Biokatalysator von den Reaktionsprodukten zu trennen. Das Hauptziel des EMR besteht darin, die vollständige Abtrennung des Enzyms zu gewährleisten, um die volle Aktivität im Reaktionsvolumen zu erhalten. Je nach Ausführung können die Enzymmoleküle auf der Retentatseite frei zirkulieren oder auf der Membranoberfläche oder innerhalb ihrer porösen Struktur immobilisiert sein.

Im Falle eines EMR mit freien, gelösten Enzymen wird der Biokatalysator von einer Ultrafiltrationsmembran zurückgehalten, während das Produkt diese Membran passieren kann. Wird der EMR als Dead-End-Filtration betrieben, reichert sich das Enzym schnell über der Membranoberfläche an, was zu Konzentrationspolarisation und potentiellem Fouling führt. Außerdem führt die entsprechende Verarmung des Enzyms im Bulkvolumen des Reaktors zu verringerten Umsatzraten und Ausbeuten/space-time-yield STY. Der Cross-Flow-Betrieb der EMRs und das Recycling der Reaktionslösung in einer Schleife reduziert die Konzentrationspolarisation, jedoch ist das Konzept nur bedingt für die Realisierung von kontinuierlichen Fluss-Enzymkaskaden geeignet, insbesondere wenn die beteiligten Substrate und Produkte von vergleichbarer Größe sind. Im Falle eines EMR mit in der Membranmatrix immobilisiertem Enzym kommt es zu keiner Konzentrationspolarisation, jedoch ist die Kontaktzeit zwischen dem die Membran passierenden Substrat und dem immobilisierten Enzym bei kontinuierlichen Single-Pass-Systemen sehr kurz, was die erreichbaren Durchsätze und Ausbeuten reduziert. Daher werden in den meisten wissenschaftlichen und industriellen EMR- Anwendungen Systeme des ersten Typs mit freien Enzymen verwendet. Meistens wird eine Kombination aus kontinuierlich gerührten Tankreaktoren (CSTR) und kommerziellen Membranfiltrationseinheiten verwendet, jedoch ist eine solche Kombination weit entfernt von einer optimalen EMR-Einheit mit integrierter Produktaufreinigung und/oder Pufferwechsel.

Ein Dokument des Standes der Technik, betreffend eine Form von EMR, bei der Substrat, Produkt sowie gelöstes Enzym zirkulieren, ist die WO 2021/186148 Al. Aus der US 2015/0118118 Al sind Reaktoren bekannt, bei denen genau zwei Bereiche voneinander per Membran getrennt sind. Ferner könnten noch die US 4,786,597, die WO 2006/034100 Al, die WO 2004/022480 A2, die US 7,537,738 B2 oder die US 5,449,848 als Stand der Technik genannt werden.

Es existieren ausgehend vom bekannten Stand der Technik noch weitere Verbesserungspotentiale, insbesondere ermöglicht der bisherige Stand der Technik nicht in zufriedenstellender Art und Weise die Durchführung komplexer, insbesondere mehrstufiger Reaktionen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher im Hinblick auf den Stand der Technik verbesserte Reaktoren für katalytische Umsetzungen zur Verfügung zu stellen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik umgangen werden und besonders gute Ergebnisse erzielt werden können.

Weitere Aufgabenstellungen ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung.

Gelöst werden diese und andere Aufgaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.

Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff «umfassen» jeweils als besonders bevorzugte Ausgestaltung auch «bestehend aus» ein; das heißt eine entsprechende Liste kann neben den explizit genannten Elementen auch weitere Elemente enthalten (= umfassen), oder sie kann genau diese Elemente enthalten (=bestehen aus) (wobei unwesentliche Elemente wie Schrauben, Markierungen etc. nicht berücksichtig sind).

Bei relativen Angaben wie oben, unten, links, rechts oder Ähnlichem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bezugssystem von einem aufrecht auf dem Erdboden vor dem diskutierten Objekt stehenden Beobachter ausgegangen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „und/oder" dass beide in dem Zusammenhang genannten Elemente jeweils einzeln als auch die Kombination der in dem Zusammenhang genannten Elemente umfasst ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle Mengenangaben, sofern nicht anders angegeben, als Gewichtsangaben zu verstehen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Umgebungstemperatur" eine Temperatur von 20°C. Temperaturangaben sind, soweit nicht anders angegeben, in Grad Celsius (°C).

Sofern nichts anderes angegeben wird, werden die angeführten Reaktionen bzw. Verfahrensschritte bei Atmosphärendruck, d.h. bei etwa 1013 kPa durchgeführt.

Zunächst ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Reaktor umfassend, oder in Varianten bestehend aus, zumindest drei, oder in Varianten auch mehr als drei, zum Beispiel vier, fünf, sechs, sieben oder noch mehr, konzentrisch umeinander oder in Lagen übereinander angeordnete Strömungsbereiche, die jeweils voneinander durch Membranen, bevorzugt semipermeable Membranen, getrennt sind.

Dabei ist es in Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn der Reaktor genau drei Bereiche aufweist.

Weiterhin ist es in Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn die Bereiche schichtartig übereinander angeordnet sind.

Semipermeable Membranen sind Membranen deren Poren nur für einen Teil der in den Bereiche fließenden Stoffe durchlässig sind, also nur Moleküle unterhalb einer bestimmten Molmasse bzw. Kolloide oder Partikel unterhalb einer bestimmten Größe durchgelassen werden. Im Falle von Nanofiltrationsmembranen spielen zudem die elektrische Ladung der Moleküle sowie deren hydrophiler bzw. hydrophober Charakter eine Rolle für den Rückhalt durch die Membranen. Im einfachsten Fall bedeutet dies, dass die jeweilige Membran das Lösungsmittel, aber nicht den gelösten Stoff durchlässt. Dieses Prinzip ist dem Fachmann wohlbekannt. Insofern ist die Auswahl entsprechender Membranen durch den Fachmann, gegebenenfalls in Abhängigkeit von den gewünschten in dem erfindungsgemäßen Reaktor durchfzuführenden Reaktionen für den Fachmann klar und bedarf keiner weiteren Erläuterung.

Beispiele für geeignete Membranen sind u.a. Nanofiltrationsmembranen bestehend aus Polyamid-Dünnfilmkompositen mit einer Molekulargewichtausschlussgröße (molecular weight cut off - MWCO) von z.B. 150, 300 oder 700 Dalton (Da). Weitere übliche Nanofiltrationsmembranen bestehen z.B. aus Polypiperazinamid oder Celluloseacetat, ebenfalls mit MWCO-Werten zwischen 150 und 1000 Dalton. Geeignete Ultrafiltrationsmembranen umfassen u.a. solche aus Polyamid Dünnfilmkompositen, Polyethersulfonen oder Polyacrylonitril mit MWCO Werten von 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da bis hin zu 50000 Da oder mehr.

In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden die eingesetzten Membranen daher ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus

Nanofiltrationsmembranen bestehend aus Polyamid-Dünnfilmkompositen mit einer Molekulargewichtausschlussgröße von 150, 300 oder 700 Dalton, Nanofiltrationsmembranen aus Polypiperazinamid mit MWCO-Werten zwischen 150 und 1000 Dalton,

Nanofiltrationsmembranen aus Celluloseacetat mit MWCO-Werten zwischen 150 und 1000 Dalton,

Ultrafiltrationsmembranen aus Polyamid-Dünnfilmkompositen mit MWCO Werten von 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da bis hin zu 50000 Da, oder Ultrafiltrationsmembranen aus Polyamid-Dünnfilmkompositen mit MWCO Werten von mehr als 50000 Da,

Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfonen mit MWCO Werten von 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da bis hin zu 50000 Da, oder Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfonen mit MWCO Werten von mehr als 50000 Da, und

Ultrafiltrationsmembranen aus Polyacrylonitril mit MWCO Werten von 1000 Da, 2000 Da, 3000 Da, 5000 Da bis hin zu 50000 Da, oder Ultrafiltrationsmembranen aus Polyacrylonitril mit MWCO Werten von mehr als 50000 Da.

Die jeweiligen Membranen können dabei gleich oder verschieden sein. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Membranen zwischen dem ersten Bereich und den beiden angrenzenden Bereichen gleich sind. In manchen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Membranen zwischen dem ersten Bereich und den beiden angrenzenden Bereichen unterschiedlich sind, insbesondere dann, wenn keine Umkehrung der Durchströmungsrichtung der Membran im laufenden Betrieb vorgesehen ist.

Die erste Membran dient in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der kontrollierten Zufuhr einer Austauschlösung in den ersten (mittleren) Bereich (Strömungskanal), in dem sich der immobilisierte Katalysator (das immobilisierte Enzym) befindet und in dem die katalytische Umsetzung (Reaktion des Substrats zum Produkt) stattfindet. Die zweite Membran dient in diesen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der simultanen, kontrollierten Abfuhr von Lösungsmittel aus dem ersten (mittleren) Bereich (Strömungskanal). Gleichzeitig hält die Membran das Produkt zurück. Auch bei einer intermittierenden Wechselung der Zuführung vom zweiten in den dritten Bereich (oder umgekehrt) trifft dies zu, nur dass dann lediglich die Strömungsrichtung quer zu der Strömungsrichtung durch den ersten Bereich umgekehrt wird und die beiden Membranen ihre Rolle tauschen.

Der erfindungsgemäße Reaktor weist darüber hinaus mindestens zwei Fluidzuführvorrichtungen und mindestens zwei Fluidabführvorrichtungen auf, wobei eine Fluidzuführvorrichtung und eine Fluidabführvorrichtung mit dem ersten, in den bevorzugten Ausführungsformen mit drei Bereichen zwischen den anderen Bereichen liegenden, Bereich verbunden sind und die weiteren Fluidzuführvorrichtungen und Fluidabführvorrichtungen mit den anderen Bereichen verbunden sind.

Es ist zu beachten, dass die jeweiligen Fluidzuführungsvorrichtung oder Fluidabführungsvorrichtungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus mehreren einzelnen Kanälen/Röhren etc. bestehen können. Weiterhin kann jede dieser Vorrichtungen Regel- und/oder Drosselklappen aufweisen. Dadurch lassen sich die zu- beziehungsweise abgeführten Fluidmengen (zusätzlich zu Regelung über Druck etc.) noch genauer regeln und gegebenenfalls Vermischungen einzelner Komponenten vereinfachen.

Es ist im Rahmen der vorliegende Erfindung ebenfalls in manchen bevorzugten Varianten möglich, dass jeder Bereich mehr als eine Fluidzuführungsvorrichtung beziehungsweise Fluidabführungsvorrichtung aufweist.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist der erfindungsgemäße Reaktor mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, und mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich auf.

Weiterhin ist der erfindungsgemäße Reaktor so konfiguriert, dass die Strömungsrichtung in einem (dem) ersten, zwischen (den) zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich im Gleichstrom mit oder entgegengesetzt der Strömungsrichtung in den beiden anderen Bereichen ist.

Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus, dass im zwischen den zwei anderen Bereichen angeordneten ersten Bereich des erfindungsgemäßen Reaktors immobilisierte Katalysatorteilchen angeordnet sind.

Die zu- und abgeführten Fluide sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt Flüssigkeiten, das heißt Stoffe oder Stoffgemische, die bei den jeweiligen Betriebsbedingungen des Reaktors, zum Beispiel einer Betriebstemperatur zwischen 5°C und 80°C und Atmosphärendruck, flüssig sind.

Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch prinzipiell auch möglich, (bei Atmosphärendruck oder höherem oder niedrigerem Druck oder höheren oder niedrigeren Temperaturen) gasförmige Fluide einzusetzen.

Insbesondere bevorzugt sind die zu- und angeführten Fluide im Rahmen der vorliegenden Erfindung wässrige Lösungen.

Wie dargestellt weist der erfindungsgemäße Reaktor mindestens zwei Zu- und Abführvorrichtungen für Fluide auf.

In einigen Varianten der vorliegenden Erfindung, bei dem der erfindungsgemäße Reaktor drei Bereiche aufweist, ist es bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße Reaktor mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, und mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich aufweist. Dadurch lässt sich insbesondere bei Gegenstromführung, also wenn die Strömungsrichtung in dem ersten, zwischen den anderen Bereichen liegenden Bereich entgegengesetzt zu der der beiden äußeren Bereiche ist, eine besonders gute Durchmischung, der durch die Membranen durchtretenden Stoffe, erreichen.

In anderen Varianten der vorliegenden Erfindung, bei dem der erfindungsgemäße Reaktor drei Bereiche aufweist, ist es bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße Reaktor eine Fluidzuführvorrichtung und eine Fluidabführvorrichtung für den ersten, zwischen den anderen Bereichen liegenden Bereich, aufweist und eine Fluidzuführvorrichtung für den oberen Bereich (aber keine Fluidabführvorrichtung) und eine Fluidabführvorrichtung für den unteren Bereich (aber keine Fluidzuführvorrichtung) aufweist. Entsprechend ist es in noch anderen Varianten der vorliegenden Erfindung, bei dem der erfindungsgemäße Reaktor drei Bereiche aufweist, bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße Reaktor eine Fluidzuführvorrichtung und eine Fluidabführvorrichtung für den ersten, zwischen den anderen Bereichen liegenden Bereich, aufweist und eine Fluidzuführvorrichtung für den unteren Bereich (aber keine Fluidabführvorrichtung) und eine Fluidabführvorrichtung für den oberen Bereich (aber keine Fluidzuführvorrichtung) aufweist. Diese Varianten eignen sich insbesondere für eine gleichmäßige Durchströmung, denn dabei wird eine konstante Durchströmungsrichtung der Membranen während des Betriebs aufrechterhalten. Die membrangängigen Stoffe treten dann in den oberen bzw. unteren Bereich ein, treten durch die erste Membran in den ersten Bereich, und später durch die andere Membran in den unteren bzw. oberen Bereich, von wo sie aus dem Reaktor ausgetragen werden. Alternativ ist es zur Verwirklichung dieser beiden Varianten möglich, einen erfindungsgemäßen Reaktor zu nutzen, der mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, und mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich aufweist; dann würde nur jeweils eine Zuführungsvorrichtung bzw. Abführungsvorrichtung nicht genutzt und entsprechend verschlossen.

Analog können selbstverständlich auch bei mehr als drei Bereichen entweder alle Bereiche Fluidzuführvorrichtungen und Fluidabführvorrichtungen aufweisen, oder nur manche. Wesentlich ist lediglich, dass das Fluid oder die Fluide in einem ersten, zwischen zwei anderen Bereichen liegenden Bereich mit durch die Membranen tretende Stoffe von mindestens einem anderen Bereich vermischt werden können (durch eindiffundieren und/oder ausdiffundieren beziehungsweise insbesondere konvektives Mittransportieren mit dem durch die Membran durchtretenden Lösungsmittel).

Mit dem erfindungsgemäßen Reaktor wird im Betrieb, also wenn durch den ersten Bereich und die angrenzenden Bereiche Fluide geleitet werden, erreicht, dass in den ersten Bereich aufgrund von Druckdifferenzen aus einem angrenzenden Bereich durch eine Membran ein Volumenstrom einer Lösung eintritt und gleichzeitig aus dem ersten Bereich in einen weiteren angrenzenden Bereich durch eine weitere Membran ein Volumenstrom austritt. Hierdurch ist eine Modifikation der Lösung im ersten Bereich möglich, unabhängig von der Hauptströmungsrichtung, die durch die Fluidzuführvorrichtung und Fluidabführvorrichtung des ersten Bereichs definiert wird.

Obwohl es in Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, wenn die Strömungsrichtung im ersten Bereich entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung in den angrenzenden Bereichen ist, ist dies im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt zwingend und in anderen (nicht ganz so bevorzugten) Varianten der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, wenn die Strömungsrichtungen gleich sind. Denn es gibt Fälle, in denen die Strömungsrichtung egal ist oder in denen ein Gleichstrom günstiger ist, beispielsweise, wenn gleichzeitig auf einen Wechsel der Durchströmungsrichtung der Membranen verzichtet wird.

Dass die Katalysatorteilchen immobilisiert sind, bedeutet, dass diese im ersten Bereich nicht frei beweglich sind. Zur Immobilisierung gibt es verschiedene Möglichkeiten, die dem Fachmann bekannt sind. Zum Beispiel müssen die Katalysatorteilchen nicht zwangsweise auf einem Gerüst angeordnet sein, sondern können auch auf Trägerteilchen fixiert sein und dann in Form einer Schüttung oder Suspension in dem ersten Bereich angeordnet werden.

In Varianten der vorliegenden Erfindung sind die Katalysatoren auf Trägermaterialien bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fasern, Partikeln, insbesondere mikropartikulären Partikel, Gitterstrukturen, oder Kombinationen davon, immobilisiert. Mikropartikuläre Partikel, die auch als Mikropartikel bezeichnet werden können, bedeutet dabei bevorzugt, dass die Partikel eine Größe im Mikrometerbereich aufweisen, insbesondere im Bereich von 0,5 pm bis 500 pm, bevorzugt 2 pm bis 300 pm.

Mit dem Begriff „Gitterstrukturen" sind Strukturen gemein, die gitterartig oder siebartig aufgebaut sind. Die jeweiligen Stege der Gitter bzw. Siebe sind in ihren Dimensionen nicht beschränkt, außer, dass die resultierende Gitter- oder Siebstruktur nicht zu groß für eine Anordnung in dem ersten Bereich sein darf und dass, nach immobilisierung der Katalysatorteilchen darauf noch ausreichend freies Volumen für die Fluidströmung verbleiben muss. Insofern kann der Fachmann die einsetzbaren Gitterstrukturen einfach auf Basis seines allgemeinen Fachwissens auswählen.

Zwar können für die Immobilisierung prinzipiell alle bekannten Techniken genutzt werden, jedoch sind die folgenden Möglichkeiten zur Immobilisierung im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt: kovalente Immobilisierung auf Trägerpartikeln durch chemische Bindung, zum Beispiel (bevorzugt) über l-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC) oder Glutaraldehyd (GA);

Immobilisierung über getagte Enzyme und entsprechende Liganden auf den Trägerpartikeln, zum Beispiel (bevorzugt) His-getagte Enzyme und Partikel mit Imminodiessigsäure-Liganden oder Enzyme und Partikel, die über die sogenannte spytag/spycatcher Technologie während der Immobilisierung eine kovalente Bindung eingehen;

Immobilisierung durch adsorptive Bindung an Trägerpartikel;

Einschlussimmobilisierung in Partikeln wie zum Beispiel (bevorzugt) Hydrogelpartikel; partikuläre Enzymimmobilisate, die sich durch Quervernetzung der Enzyme synthetisieren lassen, z.B. Cross-linked enzyme aggregates (CLEAs).

Als Trägerpartikel für die ersten drei genannten Varianten eignen sich dabei im Prinzip alle fachbekannten Trägerpartikel, insbesonders können sie dabei sowohl poröser als auch unporöser Natur sein. Ihr chemischer Charakter kann polymerbasiert, mineralisch oder eine Kombination daraus sein.

Die Trägerpartikel werden in einigen bevorzugten Varianten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Trägern aus Agarose, Dextran, Chitosan, Gelatine, Alginat, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Poylmethylmethacrylat, Polystyrol, Silca, Eisenoxiden, Aluminiumoxiden, metallorganischen Käfigverbindungen oder Mischungen davon.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind die immobilisierten Katalysatoren Biokatalysatoren, insbesondere Enzyme.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können im Prinzip alle beliebigen Enzyme Anwendung finden. In manchen bevorzugten Ausführungsformen werden die Enzyme ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen, Translokasen und Mischungen davon.

Entsprechend sind die erfindungsgemäßen Reaktoren insbesondere bevorzugt Enzymmembranreaktoren; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist der zwischen den zwei anderen Bereichen angeordnete erste Bereich an seinen Fluidzuführvorrichtungen und Fluidabführvorrichtungen Rückhalteeinrichtungen, bevorzugt Fritten, für die Katalysatorteilchen auf.

In weiter bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung können diese Rückhalteeinrichtungen öffenbar oder austauschbar sein. Dadurch lassen sich dann beispielsweise Katalysatorschüttungen einfach entfernen und ersetzen, zum Beispiel durch neue aber gleiche oder neue aber andere oder auch regenerierte Katalysatorschüttungen.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind überdies die jeweiligen Fluidzuführvorrichtungen und die jeweiligen Fluidabführvorrichtungen konfiguriert, jeweils unabhängig voneinander geschaltet und geregelt zu werden. Dies ermöglicht eine besonders gute Kontrolle über die Strömungen. Zum Beispiel kann dadurch vermieden werden, dass bei zu geringem Zufluss in einen oberen Bereich dessen Zufluss-abgewandtes Ende „leerläuft", oder es kann erreicht werden, dass durch ausreichend hohen Zuführdruck in einen unteren Bereich eine gute Durchströmung bis in den oberen Bereich erfolgt, oder aber es können noch andere Effekte erreicht werden. Genauso lassen sich kombinierte Effekte erreichen. In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung ist es möglich in den verschiedenen Bereichen, jeweils unabhängig von anderen Bereichen, strömungsbeeinflussende Einbauten anzuordnen, wie beispielsweise Prallbleche oder Stützgitter. Dies kann beispielsweise die Durchmischung von Fluidkomponenten nochmal verbessern bzw. regeln.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Enzymmembranreaktor umfassend, oder bestehend aus, a) drei in Lagen übereinander angeordneten Strömungsbereichen, die jeweils voneinander durch semipermeable Membranen getrennt sind, b) mindestens eine Fluidzuführvorrichtung pro Bereich, c) mindestens eine Fluidabführvorrichtung pro Bereich, wobei der Reaktor so konfiguriert ist, dass die Strömungsrichtung in dem ersten, zwischen den zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich entgegengesetzt der Strömungsrichtung in den beiden anderen Bereichen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im zwischen den zwei anderen Bereichen angeordneten ersten Bereich als immobilisierte Katalysatorteilchen auf Trägermaterialien, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fasern, Partikel, insbesondere mikropartikuläre Partikeln, Gitterstrukturen oder Mischungen davon, immobilisierte Enzyme angeordnet sind.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind die Fluidzuführvorrichtungen und die Fluidabführvorrichtungen an den jeweiligen Enden der Bereiche des Reaktors angebracht.

In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden die erfindungsgemäßen Reaktoren oder deren Komponenten mittels 3D-Druck hergestellt. In Varianten wird das Reaktorgehäuse und/oder der Träger zur Immobilisierung der katalysatorteilchen mittels 3D-Druck hergestellt und entsprechende nicht per 3D- Druck hergestellte semipermable Membranen in das Gehäuse eingesetzt.

In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weisen die erfindungsgemäßen Reaktoren noch jeweils eine oder mehrere weitere Zuführvorrichtungen zu allen oder einzelnen, bevorzugt allen, an den ersten Bereich angrenzenden Bereichen auf. Über diese weiteren Zuführungen können dann ebenfalls Fluide zugeführt werden. Diese Fluide können jeweils unabhängig voneinander, die gleichen Fluide, wie die in den anderen erwähnten Zuführungen, sein oder andere.

Deren Zuführung erfolgt kann ebenfalls jeweils unabhängig von den anderen Zuführungen erfolgen.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind diese zusätzlichen Zuführungen, von der Abführung des ersten Bereichs gesehen, stromaufwärts angeordnet. In Varianten der vorliegenden Erfindung ist der Reaktor so ausgestaltet, dass stromabwärts, in der Strömungsrichtung des ersten Bereichs gesehen, von den zusätzlichen Zuführungen ein Bereich vorgesehen ist, der frei von immobiliertem Katalystor ist. Dazu können entsprechende Rückhaltevorrichtungen für den immobilisierten Katalysator in dem ersten Bereich vorgesehen sein.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind alle Zuführungen zu den erfindungsgemäßen Reaktoren so konfiguriert, dass sie jeweils unabhängig von den anderen Zuführungen, sowie unabhängig von den Abführungen, geschaltet (benutzt) werden können.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei erfindungsgemäße Reaktoren hintereinandergeschaltet. Dadurch lassen sich die durchgeführten Reaktionen zum Beispiel nochmals effektiver gestalten.

In weiter bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung können dabei zwischen jeweils zwei erfindungsgemäßen Reaktoren übliche Apparaturen, wie bevorzugt Fluid- Waschvorrichtungen, Fluid-Abscheider, Wärmetauscher oder ähnliches angeordnet sein.

Die Zuführvorrichtungen zu den jweiligen Reaktoren können gleich sein oder unterschiedlich und gleiche oder unterschiedliche Fluide zuführen. Auf diese Art und Weise ist es ebenfalls möglich mit mehreren hinteeinandergeschalteten erfindungsgemäßen Reaktoren Stufenreaktionen in einfacher Art und Weise getrennt nach Stufen durchzuführen, was eine erhebliche Erhöhung der Kontrollierbarkeit mit sich bringt.

Auf diese Art und Weise sind Kaskaden erfindungsgemäßer Reaktoren möglich. In anderen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei erfindungsgemäße Reaktoren parallelgeschaltet. Dadurch lässt sich zum Beispiel der Durchsatz nochmals effektiver gestalten/erhöhen.

Auch hierbei können in weiter bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung zwischen jeweils zwei erfindungsgemäßen Reaktoren übliche Apparaturen, wie bevorzugt Fluid-Waschvorrichtungen, Fluid-Abscheider, Wärmetauscher oder ähnliches angeordnet sein. Und auch hierbei können die Zuführvorrichtungen zu den jweiligen Reaktoren gleich sein oder unterschiedlich und gleiche oder unterschiedliche Fluide zurühren. Auf diese Art und Weise ist es enfalls möglich mit mehreren hintereinandergeschalteten erfindungsgemäßen Reaktoren Stufenreaktionen in einfacher Art und Weise getrennt nach Stufen durchzuführen, was eine erhebliche Erhöhung der Kontrollierbarkeit mit sich bringt.

Selbstverständlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, Reihen- und Parallelschaltungen von erfindungsgemäßen Reaktoren zu kombinieren.

Es ist ebenfalls selbstverständlich möglich, erfindungsgemäße Reaktoren mit nicht erfindungsgemäßen Reaktoren zu verschalten, auch dann, wenn dabei mehrere erfindungsgemäße Reaktoren in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.

Insofern ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich Reaktorfelder zu erstellen, mit denen qualitativ und quantitativ hohe Umsätze erreicht werden können.

Reihenschaltungen und/oder Parallelschaltungen von erfindungsgemäßen Reaktoren, sowie Kombinationen von erfindungsgemäßen Reaktoren mit nicht erfindungsgemäßen Reaktoren sind ebenfalls Gegenstände der vorliegenden Erfindung. Diese Kombinationen werden gelegentlich auch als erfindungsgemäße Reaktorsysteme bezeichnet.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein automatisiertes Reaktorsystem umfassend mindestens zwei erfindungsgemäße Reaktoren und mindestens eine Steuer- und Kontrollvorrichtung; das automatisierte Reaktorsystem der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich also durch die Steuer- und Kontrollvorrichtung(en) von den anderen erfindungsgemäßen Reaktorsystemen, bei denen die Kontrolle (und Steuerung) manuell erfolgt.

Analog zu den erfindungsgemäßen Reaktorsystemen können hierbei die genannten Reihenschaltungen, Parallelschaltungen und/oder Kombinationen mit nichterfindungsgemäßen Reaktoren zum Einsatz kommen. Die verschiedenen genannten Kombinationen von mehreren erfindungsgemäßen Reaktoren, gegebenenfalls mit nicht-erfindungsgemäßen Reaktoren, erfindungsgemäßen Reaktorsysteme und erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsysteme eignen sich insbesondere als beziehungsweise für Enzymkaskaden mit kontinuierlichem Pufferwechsel zwischen einzelnen Reaktoren.

Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Reaktorsysteme und erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsysteme ist, dass Pufferwechsel simultan zur Reaktion entlang des Strömungspfads im mittleren (ersten) Bereich direkt im Reaktor erfolgen können.

Indem zwei, oder mehr, erfindungsgemäß Reaktoren hintereinandergeschaltet werden, die mit unterscheidlichen Katalysatoren gefüllt sind, können besonders vorteilhafte Effektkombinationen erreicht werden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur katalytischen Umsetzung eines Substrats, wobei als erstes Fluid eine Substratlösung in einen Reaktor in und durch einen ersten zwischen zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich, unabhängig von Fluidzufuhren in die anderen Bereiche, bevorzugt gleichmäßig und kontinuierlich, geleitet wird, als zweites und drittes Fluid abwechselnd in die anderen Bereiche, mit gleicher oder entgegengesetzter Strömungsrichtung zu dem ersten Fluid, jeweils eine Lösung eingeleitet wird, die auf dem gleichen Lösungsmittel basiert, wie die Substratlösung oder mit diesem Lösungsmittel mischbar ist.

Bei diesem Verfahren ist es wesentlich, dass in dem ersten Bereich ein immobilisierter Katalysator angeordnet ist und der erste Bereich von den anderen Bereichen über Membranen, bevorzugt semipermeable Membranen getrennt ist, und dass die Membranen konfiguriert sind, für das Substrat, das Hauptprodukt und den Katalysator undurchlässig zu sein.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass Hilfsstoffe sowie unerwünschte Nebenprodukte durch die Membranen treten können. Die Bezeichnung zweites und drittes Fluid bezieht sich dabei darauf, dass diese Fluide in einen zweiten und dritten Bereich geführt werden. Das zweite und das dritte Fluid können gleich oder verschieden sein.

Denn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es in einer Variante möglich, die Strömungsrichtung durch die Membran zyklisch umzuschalten und dabei einen zweiten und dritten Zulauf zu den an den ersten Bereich angrenzenden Bereichen zu nutzen. Dabei kann über ein Ventil (zum Beispiel ein Multiport- beziehungsweise Mehrwegeventil) das gleiche (zweite) Fluid entweder auf den einen oder anderen Zulauf geschaltet werden, so dass in einem Reaktor bei dieser Variante kein drittes Fluid genutzt wird.

In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „mit diesem Lösungsmittel mischbar", dass die Lösung mindestens im Verhältnis 1:2 mit dem Lösungsmittel im ersten Bereich mischbar ist, ohne dass eine Phasentrennung oder eine Ausfällung erfolgt.

In einigen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung erfolgt die Fluid- Zuführung in den ersten Bereich im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung in den beiden angrenzenden Bereichen.

Die oben bezüglich der Reaktoren gemachten Ausführungen gelten sinngemäß auch hier für das erfindungsgemäße Verfahren.

In einigen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Umsetzung (der jeweiligen Reaktanten) in einem erfindungsgemäßen Reaktor, einem erfindungsgemäßen Reaktorsystem oder einem erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsystem durchgeführt.

Die genauen Bedingungen, die in den jeweiligen Reaktoren eingestellt und/oder eingehalten werden (müssen), insbesondere Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeiten sind abhängig von der jeweils gewünschten Umsetzung, also insbesondere den Edukten, Katalysatoren und eventuellen Hilfsstoffen wie Cofaktoren, Cokatalysatoren und Ähnlichem. Dies wird von dem Fachmann jeweils in Abhängigkeit von der geplanten Umsetzung ausgewählt beziehungsweise eingestellt werden.

In einigen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Katalysator in dem ersten zwischen zwei anderen Bereichen angeordneten Bereich immobilisierte Enzyme eingesetzt.

In einigen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind das zweite und dritte zugeführte Fluid das Gleiche oder das Selbe und reines Lösungsmittel, oder enthalten eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus gleichem oder anderem Lösungsmittel wie das Lösungsmittel in dem ersten Bereich, Hilfsstoffen, Puffern, Cokatalysatoren, Cofaktoren, weiteren Reaktanten, anderen Reaktanten und Mischungen davon.

In einigen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens läuft in dem ersten Bereich eine gepufferte enzymatische Reaktion ab, über die Zuführungen der anderen Bereiche wird Pufferlösung, bevorzugt enthaltend weitere Stoffe, nachgeliefert und durch die Abführungen der anderen Bereiche gegebenenfalls verarmte Pufferlösung abgeführt. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn dabei im laufenden Betrieb alle Bereiche mit Fluid gefüllt sind.

In einigen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung erfolgt die Fluidzuführung alternierend in (die) zwei an den ersten Bereich angrenzenden Bereiche (die (beiden) angrenzenden Bereiche werden also abwechselnd mit Fluid versorgt bzw. nicht versorgt). Die alternierende Zuführung kann dabei durch Umschalten der Versorgung mit vorgegebenem Zeitmaß, zum Beispiel alle 30 Sekunden oder alle 5 Minuten, erfolgen, oder durch Messwerte, zum Beispiele sinkenden oder steigenden pH-Wert, getriggert werden oder auch manuell vorgenommen werden.

In bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird demgemäß parallel zur einer in dem ersten Bereich ablaufenden enzymatischen Reaktion ein Lösungsaustasch über die semipermeablen Membranen vorgenommen. In weiteren bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird allen oder einzelnen, bevorzugt allen, an den ersten Bereich angrenzenden Bereichen zusätzlich an jeweils einer weiteren Stelle ein Hilfsstrom zugeführt. Dieser jeweilige zusätzliche Hilfsstrom kann gleich oder verschieden zu den anderen Hilfsströmen sein.

Durch diese zusätzliche Zuführung ist es zum Beispiel möglich, (in Strömungsrichtung des Stromes im ersten Bereich gesehen) stromabwärts noch weitere Verdünnung beziehungsweise Aufreinigung zu erreichen.

In einigen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung können über diese weiteren Zuführvorrichtungen zum Beispiel Austauschpuffer mit einem Hilfsstoff für die Reaktion im mittleren Bereich (dem ersten Bereich) zugeführt werden, während über die an den Enden des erfindungsgemäßen Reaktors angeordneten Zuführungen zum Beispiel Austauschpuffer oder auch nur Lösungsmittel für die Produktreinigung und Formulierung im Bereich des Produktablaufs (der Produktabführung) zugeführt werden. Es kann stromabwärts der weiteren Zuführungen (gesehen in Strömungsrichtung des ersten Bereichs) im mittleren (ersten) Bereich des erfindungsgemäßen Reaktors ein Abschnitt vorgesehen sein, in dem kein immobilisierter Katalysator vorliegt, bevorzugt kein Katalysator, insbesondere dann, wenn diese Konstellation/Verfahrensführung dazu gedacht ist, das Produkt in diesem Abschnitt zu reinigen. Zu diesem Zweck kann in dem ersten Bereich, insbesondere auf Höhe der zusätzlichen Zuführvorrichtungen eine Rückhaltevorrichtung für den (immobilisierten) Katalysator eingesetzt werden.

Nicht zuletzt Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind darüber hinaus Verwendungen der erfindungsgemäß Reaktoren, der erfindungsgemäßen Reaktorsysteme der erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsysteme.

Diese Verwendungen betreffen bevorzugt die Verwendung für biokatalytische Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Produkten, die neben dem Hauptsubstrat weitere Reaktanten benötigen, oder Produkten, die über eine Enzymkaskade mit störenden Nebenprodukten erzeugt werden.

Denn durch die vorliegende Erfindung ist es möglich gezielt weitere Reaktanten zuzuführen, die dann durch die semipermeable Membran in den Reaktionsbereich treten oder genauso gut Nebenprodukte zu entfernen, die aus dem Reaktionsbereich durch die semipermeablen Membranen abtransportiert werden. Es ist zu beachten, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwar in Bezug auf Stoffe und deren Durchtritt durch die semipermeablen Membranen gelegentlich von Diffusion/diffundieren gesprochen wird, jedoch schließt dies den durch Strömung induzierten Stofffluss (konvektiven Stofffluss) ein, der im Übrigen in der Regel den Hauptteil der durch die Membranen tretenden Stoffmenge an Hilfsstoffen oder Nebenprodukten verursacht.

Einige bevorzugte Varianten der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung zur Herstellung von Feinchemikalien, bevorzugt Caprolacton durch Oxidation von Cyclohexanon.

Weitere bevorzugte Varianten der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung zur Herstellung von Oligosacchariden, insbesondere enzymatischen Herstellung von Oligosacchariden, Glykanen, Glykokonjugaten, therapeutischen Glykoproteinen oder Hyaluronsäuren.

Noch andere bevorzugte Varianten der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung für enzymatische Reaktionen, die H2O2 nutzen, insbesondere Hydroxylierungen, Epoxidierungen, Halogenierungen oder Baeyer-Villiger Oxidierungen.

Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, ein oder mehrere Reaktoren, insbesondere Enzymmembranreaktoren, sequentiell miteinander zu verschalten und mithin die kontinuierliche Durchführung komplexer, mehrstufiger enzymatischer Kaskaden und damit eine optimale Synthese neuer, anspruchsvoller Produkte.

Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich ein EMR-System zu erhalten, das bei kontinuierlicher Durchströmung die Teilfunktionen der Enzymimmobilisierung sowie der integrierten Produktaufreinigung in optimaler Weise erfüllt.

Die mit der vorliegenden Erfindung erreichbaren Vorteile werden in manchen Varianten dadurch erzielt, dass

(i) die Enzymimmobilisierung in/an/auf in dem Enzymmembranreaktor (EMR) pumpbaren, partikulären oder faserförmigen Trägermaterialien erfolgt, und

(ii) durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Membranmoduls mit zwei parallelen Membranen. Die vorliegende Erfindung erlaubt demgemäß in einigen Varianten durch diese Anordnung die simultane, kontinuierliche Zufuhr von Reaktantenströmen sowie, entkoppelt davon, von Hilfsströmen für die Produktaufreinigung und/oder die über die Länge des Reaktors graduelle Veränderung der Reaktionsbedingungen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass eine zusätzliche Aufreinigung, Aufkonzentrierung oder Umpufferung des Produkts von enzymatischen Reaktionen erfolgen kann.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, insbesondere beim Betrieb von Reaktorkaskaden, ist, dass der Pufferaustausch, der für einen optimalen Betrieb von einem nachgeschalteten Reaktor in einer Reaktorkaskade benötigt wird, bereits im Ablaufbereich eines vorgeschalteten Reaktors durch zugeführten Hilfsstoff erzielt werden kann. D.h. das Zwischenprodukt, das aus dem vorgeschalteten Reaktor abläuft, kann über entsprechende Zuführungen von Hilfsstoffen so eingestellt werden, dass es bereits im optimalen Puffer(-bereich) für die Reaktion im nächsten Reaktor vorliegt und direkt in diesen Reaktor eingeleitet werden kann.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass über eine Spüllösung, die einem zweiten oder dritten Bereich zugeführt wird, dem (Reaktions-)System noch für die Reaktion notwendige Cofaktoren (weitere Edukte für die Reaktion, wie zum Beispiel Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid) zugeführt werden können und zusätzlich eine Abfuhr von Komponenten aus dem jeweils dritten oder zweiten Bereich abgeführt werden kann.

Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist ferner, dass drei Strömungsbereiche genutzt werden. Dadurch ist es möglich, in dem ersten die Reaktanten zuzuführen und durch immobilisierten Katalysator zu Produkt umzusetzen. Aus einen zweiten Bereich können zum Beispiel durch die Membran Komponenten einer Spüllösung in den Reaktionsbereich gelangen, um hier zum Beispiel Hilfsstoffe zu liefern oder eine Änderung des Reaktionsmediums zu bewirken. Über einen dritten Bereich können dann zum Beispiel durch die Membran getretene unerwünschte Stoffe abgeführt werden; zum Beispiel kann ein Bereich (der zweite) für die Zufuhr eines Hilfsstoffes zuständig sein und ein anderer Bereich (der dritte) für die Abfuhr des verbrauchten Hilfsstoffes oder von Kontaminaten. Dies war mit den Reaktoren des Standes der Technik nicht möglich. Im Unterschied zum Stand der Technik, wo nur zwei Strömungskanäle bzw. -bereiche genutzt werden, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung drei verschiedene Strömungsbereiche zur Verfügung gestellt. Hierdurch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung neben der Produktbildung im ersten Bereich eine simultane, kontrollierte Zu- und Abfuhr einer Austauschlösung zur dosierten Bereitstellung benötigter zusätzlicher Reaktanten oder zur Umwandlung der Reaktionslösung, um für die notwendigen Folgereaktionen einer Reaktionskaskade optimale Bedingungen zu erzielen, ermöglicht, was gemäß Stand der Technik nicht möglich war.

Mit anderen Worten lässt sich eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auch wie folgt beschreiben:

Der erfindungsgemäße Reaktor, der auch als erfindungsgemäßes Reaktormodul oder einfach als erfindungsgemäßes Modul bezeichnet werden kann, umfasst zwei Seitenteile und einen Mittelteil, die alle eine Kanalstruktur besitzen, durch die Lösungen strömen können; die Seitenteile und das Mittelteil sind dabei die oben definierten Bereiche, wobei das Mittelteil der erste Bereich ist. Zwischen den Seitenteilen und dem Mittelteil ist jeweils eine Membran angeordnet, d.h. das erfindungsgemäße Modul weist zwei parallel angeordnete Membranen auf, die den mittleren Kanal (ersten Bereich) nach oben und unten begrenzen. In diesem mittleren Kanal befinden sich die Trägermaterialien mit den immobilisierten Katalysatoren, insbesondere Enzymen. Zudem tritt in den Bereich dieses mittleren Kanals am einen Ende die Zulauflösung mit dem gelösten Substrat (Edukt) ein und am anderen Ende des mittleren Kanals tritt die, gegebenenfalls aufgereinigte, Produktlösung aus. Während des Durchströmens des mittleren Kanals (des ersten Bereichs) werden die zugeführten Substratmoleküle durch die immobilisierten Katalysatoren, insbesondere Enzyme, kontinuierlich in das gewünschte Produkt umgewandelt. Gleichzeitig wird der Puffer (die Pufferlösung) des mittleren Kanals durch neuen Puffer (neue Pufferlösung) ersetzt, der ebenfalls kontinuierlich durch eine den mittleren Kanal begrenzende Membran zugeführt wird, wobei dieser Puffer aus der Fluidzufürung in einen der angrenzenden Bereiche (in eines der Seitenteile) stammt. Der auszutauschende, ursprüngliche Puffer des mittleren Kanalbereichs wird simultan über die zweite begrenzende Membran abgeführt (in den dritten Bereich bzw. das andere Seitenteil). Hierdurch kommt es im mittleren Kanal neben der Produktbildung zu einem integrierten, graduellen Austausch des Lösungspuffers. Durch den graduellen Pufferaustausch können in bevorzugten Varianten kontinuierlich Hilfsstoffe zugeführt werden, die zum Beispiel bei einer direkten Zugabe in den zulaufenden Substratstrom aufgrund der lokalen hohen Konzentration für den Katalysator, insbesondere ein Enzym, schädlich wären (z.B. Wasserstoffperoxid im Zusammenhang mit dem Einsatz von Peroxygenasen). Eine weitere, wichtige Möglichkeit des graduellen Pufferaustausch im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Entfernung unerwünschter Nebenprodukte der Reaktion (falls diese vorkommen), wodurch es ermöglicht wird, dass das Zielprodukt den erfindungsgemäßen Reaktor bereits in aufgereinigter Form in einem für die Lagerung oder eine Folgereaktion optimalen Austauschpuffer verlässt.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind der eingestellte (kontinuierliche) Substratstrom in dem ersten Bereich (dem mittleren Kanal) und der Volumenstrom des durch die Membranen dringenden Austauschpuffers vollkommen unabhängig voneinander und frei wählbar; zudem kann der über die zweite Membran austretende Volumenstrom größer sein als der durch die erste Membran eintretende Volumenstrom an neuem Puffer, wodurch es neben einem Austausch der Pufferlösung noch zu einer Aufkonzentrierung des gebildeten Produkts im ersten Bereich (dem mittleren Kanal) kommt, was oftmals vorteilhaft sein kann.

Es ist ein sehr großer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass mit Einsatzes eines Gegenstromprinzips im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Pufferaustauschverfahren sehr gute Effizienzen erreicht, d.h. die benötigten Mengen an neuem Puffer liegen für einen mehr als 99%-igen Austausch nur im Bereich des 2 bis 5-fachen des Volumenstroms des mittleren Kanals (des ersten Bereichs). Das Gegenstromprinzip wird dadurch erreicht, dass der Austauschpuffer an dem Ende des erfindungsgemäßen Reaktors (Modulende) eintritt, an dem die Lösung aus dem mittleren Kanal (dem ersten Bereich) austritt. Hierdurch steht in dieser Variante der vorliegenden Erfindung das Ende des mittleren Strömungskanals mit dem Zulauf des reinen Austauschpuffers in Kontakt, wodurch z.B. letzte Reste des unerwünschten Nebenprodukts ausgespült werden können.

Ein weiteres sehr vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Reaktors (erfindungsgemäßen Membranmoduls) und seiner Betriebsweise, also des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist die Option des Einsatzes einer alternierenden Durchströmungsrichtung der Membranen während des kontinuierlichen Betriebs. Aufgrund der orthogonalen Durchströmung des mittleren Kanals durch den eintretenden Austauschpuffer kann es zu einer Akkumulation von Teilchen (beispielsweise von nicht vollständig fixierten Enzymträgern oder Agggregationen von Stoffen) an einer Seite des Kanals kommen. Um diese Akkumulation zu begrenzen und eine gute Verteilung der Teilchen innerhalb des gesamten mittleren Kanals zu erreichen, kann das System zyklisch die Durchströmunsgrichtung der Membran umschalten, ohne dabei den Pumpstrom des mittleren Kanals unterbrechen zu müssen. Die Umschaltung kann zum Beispiel mithilfe von Multiportventilen erfolgen, wodurch der Zufluss, zum Beispiel von Austauschpuffer, entweder in den oberen oder den unteren Modulteil (die an der ersten Bereich angrenzenden Bereiche) erfolgen kann.

Das erfindungsgemäße Reaktorsystem bzw. erfindungsgemäße automatisierte Reaktorsystem verfügt in bevorzugten Ausführungsformen über Vorrichtungen, um den Substratstrom in den mittleren Strömungsbereich (den ersten Bereich), den aus diesem Bereich austretenden Produktstrom sowie den Volumenstrom des Austauschpuffers (der in mindestens einen angrenzenden Bereich geleitet würde) unabhängig voneinander zu kontrollieren. Optional kann die Durchströmungsrichtung (zum Beispiele statt von oben nach unten umgeschaltet zu von unten nach oben) durch die beiden Membranen und damit deren jeweilige Rolle (siehe oben) während des Verfahrens beziehungsweise während des Betriebs umgeschaltet werden. Dadurch wird die dauerhafte Ausbildung einer Konzentrationspolarisations- oder Foulingschicht durch an der Membranoberfläche akkumulierte Stoffe, wie insbesondere Produkt und/oder Enzymträgerpartikel, verhindert.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Katalysatoren, insbesondere Enzyme, nicht in oder an den Membranen (semipermeable Membranen) fixiert sind (wie im Falle der Bi- oder Trilayer Membranen des Stands der Technik).

In besonders bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, also der erfindungsgemäßen Reaktoren, der erfindungsgemäßen Reaktorsysteme, der erfindungsgemäßen automatisierten Reaktorsysteme, der erfindungsgemäßen Verfahren, sind die Katalysatoren, insbesondere Enzyme, nicht an oder in den Membranen, insbesondere semipermeablen Membranen, immobilisiert.

Es ist zu beachten, dass dies nicht bedeutet, dass die Membranen bewegliche Katalysatorteilchen (Enzymteilchen), insbesondere, wenn diese geträgert sind, nicht aufhalten könnten - denn solche Teilchen können sich bei anhaltender Strömung vor/an der jeweiligen Membran ansammeln - sondern dass die Katalysatorteilchen nicht mit der Membran ver- beziehungsweise an die Membran gebunden sind, so dass die Teilchen bei Wegfällen der Strömung oder Strömungsrichtungsumkehr sich wieder von der jeweiligen Membran lösen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Katalysatorteilchen, insbesondere Enzyme, vielmehr im ersten Bereich (bei drei übereinander angeordneten Schichten also dem mittleren Bereich/Kanal) immobilisiert.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind sie an (Mikro-)partikulären Trägern, auch Mikropartikel genannt, immobilisiert, die als Suspension in einem separaten Schritt in den erfindungsgemäßen Reaktor gepumpt werden - dazu weist der erfindungsgemäße Reaktor dann bevorzugt Rückhaltevorrichtungen an seinen Enden auf, die die immobilisierten Teilchen im Inneren des ersten Bereichs zurückhalten. Diese Variante ermöglicht einen schnellen und unkomplizierten Austausch der Katalysatorteilchen/Enzymträger wenn die Katalysatoren/Enzyme im Laufe der Betriebszeit zunehmend inaktiv werden. Hierzu muss dass Modul nicht zerlegt und es müssen keine Membranen ausgetauscht werden. In dem ersten Bereich können zusätzlich noch weitere Strukturen angeordnet sein, wie Gitter- oder Siebstrukturen, die die geträgerten Katalysatorteilchen noch zusätzlich immobilisieren.

Die Möglichkeit eines graduellen Austauschs der Lösung, in der eine katalytische, insbesondere enzymatische, Reaktion bzw. Reaktionskaskade stattfindet (also durch Zuführen von Lösung/Lösungsmittel in die an den ersten Bereich angrenzenden Bereiche und mithin dann durch die Membranen auch in den ersten Bereich), hat verschiedene Vorteile:

(i) Reaktionen die neben dem Substrat weitere Hilfsstoffe, wie z.B. Cofactoren oder Wasserstoffperoxid, benötigen, kann dieser Hilfsstoff kontinuierlich in genau der benötigten Konzentration zugeführt werden. Dies ist insbesondere bei in höheren Konzentrationen toxischen oder ein Enzym inhibierenden Substanzen wichtig. Auch im Falle von schwer löslichen Hilfsstoffen ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen, vom Substratstrom unabhängigen, Zufuhr von Vorteil. Da gleichzeitig eine äquivalente Menge an von Hilfsstoff abgereicherter Lösung aus dem mittleren Kanalbereich (dem ersten Bereich) abgeführt wird, führt die kontinuierliche Zuführung der Austauschlösung mit dem Hilfsstoff nicht zu einer Verdünnung des Produktstroms.

(ii) Neben der Zufuhr von Hilfsstoffen kann durch die Zufuhr von Austauschlösung im Bereich des Produktablaufs und die simultane Abfuhr der ursprünglichen Lösung aus dem mittleren Kanal (dem ersten Bereich) in einen angrenzenden Bereich, das Produkt von Verunreinigungen gereinigt und in eine gewünschte Lösung für die Lagerung oder Folgereaktionen überführt werden.

(iii) Die unabhängige Regelung der Volumenströme in den einzelnen Bereichen beziehungsweise für die einzelnen Bereiche ermöglicht es, aus dem mittleren Kanal (dem ersten Bereich) mehr Lösung ab- als zuzuführen. Hierdurch ist neben dem Lösungsaustausch eine zusätzliche Aufkonzentrierung (des Produktstroms) möglich. Zum Beispiel: man pumpt 1 ml/min in den mittleren Kanal (ersten Bereich) und 1 ml/min an neuer Pufferlösung dringt über die erste Membran zusätzlich in den mittleren Kanal. Gleichzeitig zieht man 1,5 ml/min über die zweite Membran ab. Diese 1,5 ml/min enthalten dann in diesem Beispiel 1 ml/min verbrauchte Pufferlösung sowie 0,5 ml/min des ursprünglich über die Substratlösung zulaufenden Lösungsmittels. Das gebildete Produkt wird aber durch die Membran zurückgehalten. Aufgrund der Massenbilanz verringert sich der Volumenstrom des ablaufenden Produkts auf 0,5 ml/min (1 + 1-1, 5). Aus einem Substratstrom mit z.B. 1 mol/L Zulaufkonzentration wird bei einem vollständigen 1: 1 Umsatz zu Produkt gemäß diesem Beispiel ein Produktstrom mit einer Konzentration von 2 mol/L, da sich das aus dem mittleren Kanal ablaufende Lösungsmittelvolumen halbiert hat.

Zum Beispiel kann das erfindungsgemäße Reaktormodul in Varianten aus drei Teilen, darunter zwei Seitenteilen, durch die zum Beispiel ein Diafiltrationspuffer oder Permeat fließt, und einen Mittelteil, der den Einlass des Feeds und den Auslass des Retentats enthält, bestehen. Jedes der Teile kann hierbei einen flachen Strömungskanal (= Bereich) mit einem Querschnitt, der optional mit einem (3D- gedruckten) Gitter gefüllt ist, das die Membran stützt und die Strömung leitet, aufweisen.

Abhängig von der jeweiligen Anwendung können die erfindungsgemäßen Reaktoren verschiedene Dimensionen aufweisen; die vorliegende Erfindung ist somit nicht auf bestimmte Größen der Reaktoren beschränkt.

Die vorliegende Erfindung kann Verwendung beziehungsweise Anwendung finden für sämtliche Produkte, die biokatalytisch erzeugt werden. Insbesondere Produkte, die neben dem Hauptsubstrat weitere Reaktanden benötigen, sowie Produkte die über Enzymkaskaden mit störenden Nebenprodukten erzeugt werden. Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen/Anlagen stehen in fachüblicher und bekannter Art und Weise miteinander in Wirkverbindung.

Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, z.B. - aber nicht ausschließlich - diejenigen der verschiedenen abhängigen Ansprüche oder einzelner in den Figuren beschriebenen Ausgestaltungen, können in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden, sofern solche Kombinationen sich nicht widersprechen.

Die im Folgenden mit Bezugnahme auf die Figuren näher erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen dar, viele der im Folgenden in einzelnen Figuren dargestellten Merkmale bzw. Ausführungsformen sind mit in anderen Figuren oder der übrigen Beschreibung dargestellten Merkmalen und Ausführungsformen kombinierbar, insbesondere wo die Merkmale entsprechend beschrieben sind. Die Figuren sind überdies nicht limitierend auszulegen und nicht maßstabsgetreu. Weiterhin enthalten die Figuren nicht alle Merkmale, die übliche Vorrichtungen/Anlagen aufweisen, sondern sind auf die für die vorliegende Erfindung und ihr Verständnis wesentlichen Merkmale reduziert, beispielsweise sind Schrauben, Schläuche, Halterungen etc. nicht oder nicht im Detail dargestellt.

Gleiche Bezugszeichen/-ziffern bedeuten dabei gleiche oder gleichwirkende Vorrichtungsteile.

Figur 1 zeigt illustrativ einen erfindungsgemäßen Membranreaktor R. In dieser Figur ist eine erfindungsgemäße Variante dargestellt, bei der drei Fluidkanäle beziehungsweise Bereiche 2, 2a, 3 übereinander angeordnet sind. Zwischen diesen sind jeweils (semipermeable) Membranen 1, la angeordnet. Im mittleren Bereich 3 ist der immobilisierte Katalysator, bevorzugt Enzym, angeordnet. Ferner sind Flussrichtungen für die einzelnen Ströme angezeigt (die nicht in allen Varianten der Erfindung in der angezeigten Richtung erfolgen müssen). In dieser Figur wird von links ein Substrat- oder Substratmischungsstrom S zugeführt, fließt nach rechts durch den Bereich 3 und verlässt den Reaktor rechts als Abführung des Produkts P-; hierbei, wie auch bei den anderen Strömen in den Figuren, bedeutet das Pluszeichen jeweils eine Zuführung und das Minuszeichen jeweils die Abführung. In den oberen Bereich 2 wird von rechts ein erster Hilfsstrom B, der zum Beispiel eine Pufferlösung sein kann, zugeführt; dies wird durch den Pfeil mit durchgezogener Linie illustriert. Der Hilfsstrom B, beziehungsweise Teile davon, fließt durch die semipermeable Membran 1 in den mittleren Bereich 3 und dann durch die zweite semipermeable Membran la in den unteren Bereich 2a, von wo der Hilfsstrom nach links aus dem Reaktor austritt B-. mit durchgezogenen Linien dargestellten Pfeile illustrieren hier, dass dies die geschalteten (benutzten) Zu- und Abführungen sind. Die mit gestrichelten Linien dargestellten Pfeile bedeuten alternative Zu- beziehungsweise Abführungen. Diese können im Wechsel mit den anderen (mit den durchzogenen Linien) geschaltet (benutzt) werden. Das bedeutet, dass über die beiden Bereiche 2 und 2a zu unterschiedlichen Zeiten Hilfsströme zugeführt werden können. Die jeweils zugeführten Ströme können dabei gleich oder verschieden sein. Es ist also möglich, entweder während des gesamten Betriebs eine Schaltstellung und damit eine Strömungsrichtung durch die Membranen beizubehalten, oder diese während des Betriebs, insbesondere zyklisch, zu wechseln.

Figur 2 zeigt einen Reaktor R gemäß Figur 1, allerdings ist hierbei der Strömungsweg SW eines Hilfsstroms B' stark schematisiert illustriert, wie er entsteht, wenn die Schaltstellung für die Zuführungen während des Betriebs zyklisch gewechselt wird. Wie man gut erkennt fließt der Hilfsstoff B' zunächst nach links in den Bereich 2a. gelangt dann über die Membran la in den mittleren Bereich 3 und wird dort durch die entgegengesetzte Strömung des Produktstroms S wieder nach rechts zurückgedrückt. Da jedoch weiter B' nachdosiert wird, ist die orthogonal zur Strömung von P laufende Strömung von B' nicht null, so dass B' die andere semipermeable Membran 1 erreicht und in den Bereich 2 eintritt. Wenn dann die Zufuhr von B' zum unteren Bereich 2a gestoppt und stattdessen auf den oberen Bereich 2 umgeschaltet wird, dann wird B' quasi mitgerissen und fließt wieder nach links. Wenn dann die Membran 1 erreicht wird, erfolgt der Vorgang in umgekehrter Richtung. Ein mit dem zweiten Hilfsstrom B' zugeführter Stoff wird also bei einer Verfahrensführung mit alternierender Zuführung von B' in die Bereiche 2 und 2a einem schlangenartigen Strömungsweg SW folgen, bis er an der linken Seite des Reaktors austritt. Es ist in dieser Figur zwar dargestellt, dass der Austritt im anderen Bereich erfolgt, jedoch ist dies nicht zwingend der Austritt aus dem Reaktor kann auch im gleichen Bereich oder in beiden Bereichen 2, 2a erfolgen. Figur 3 zeigt den über das durchgesetzte Volumen aufgetragenen pH- und UV- Signalverlauf im Ablauf des mittleren Kanals gemäß Beispiel 1. Dabei ist das durch den ersten Bereich (mittleren Kanal) durchgesetzte Volumen (Rechtsachse) gegen das gemessene UV-Signal (Hochachse, links) beziehungsweise den simultan gemessenen pH-Wert (Hochachse, rechts) aufgetragen. Im oberen Bereich des Diagramms sind die Flussraten Q für den Substratstrom (QF) und den Pufferstrom (QP) jeweils mit Doppelpfeilen angezeigt, wodurch illustriert ist, in welchem Bereich die angeführte Flussratte vorliegt.

Figur 4 zeigt den über das durchgesetzte Volumen aufgetragenen pH- und UV- Signalverlauf im Ablauf des mittleren Kanals gemäß Beispiel 2 und entspricht im Prinzip; bis auf die Daten, dem Diagramm von Figur 3 (Beispiel 1).

Figur 5 zeigt schematisch die Verschaltung zweier erfindungsgemäßer Reaktoren R zu einem Reaktorsystem RS, insbesondere für eine Enzymkaskade. Dabei wird von links Substrat(-mischung) S in den mittleren Bereich mit immobilisiertem Katalysator 3 des linken Reaktors Rimks zugeführt. Die Abführung des Produkts aus dem ersten (linken) Reaktor wird als neue Substrat(-mischung) in den mittleren Bereich mit immobilisiertem Katalysator 3 des rechten Reaktors R _reC hts geführt (der Übersichtlichkeit halber in der Figur nur als Pfeil, ohne Beschriftung dargestellt) und dann als endgültiges Produkt P aus dem rechten Reaktor Rrechts nach ganz rechts abgeführt. Von rechts werden dem rechten Reaktor Rrechts Hilfsstoffe B' zugeführt und genauso werden dem linken Reaktor Ri _in ks zwischen den beiden Reaktoren analog Hilfsstoffe B zugeführt. Nach ganz links werden aus dem linken Reaktor Rimks noch Abfall (-produkte/-lösung) W abgeführt. Zwischen den Reaktoren können noch aus dem rechten Reaktor Rrechts ausgespülte unerwünschte Nebenprodukte BP abgeführt werden. Die jeweiligen Zuführvorrichtungen für die Hilfsstoffe zu dem Reaktor Ri _in ks beziehungsweise Rrechts umfassen jeweils (Multiport-)Ventile V, mit denen die Zuführung zu den oberen und/oder unteren Bereichen 2, 2a geregelt werden kann, so dass entweder jeweils in den oberen Bereich, oder den unteren Bereich, oder in beide Bereiche Hilfsstoffe zudosiert werden können; die Abführvorrichtungen können ebenfalls mit solchen Ventilen ausgestattet sein (in der Figur nur für den Abfall W aber nicht für die Nebenprodukte BP gezeigt). Figur 6 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Reaktoren R. Der gezeigte Reaktor R entspricht dabei dem in Figur 2 gezeigten Reaktor R, mit dem Unterschied, dass zwei weitere Zuführvorrichtungen vorgehsehen sind, über die Hilfsstoffströme B" und B'" zugeführt werden können. Der ohnehin stark schematisch dargestellte Strömungsweg SW ändert sich dabei nicht prinzipiell, nur kann er im Bereich der zusätzlichen Zuführungen etwas „abgeplattet" beziehungsweise „eingedrückt" werden, da die Ströme B" beziehungsweise B'" einen gewissen Gegendruck/Seitendruck ausüben; dies ist der Einfachheit halber aber nicht illustriert. Über diese weiteren Zuführvorrichtungen können zum Beispiel Austauschpuffer mit einem Hilfsstoff B" für die Reaktion im mittleren Bereich (dem ersten Bereich) zugeführt werden, während über die an den Enden des Reaktors R angeordneten Zuführungen für B beziehungsweise B' zum Beispiel Austauschpuffer oder auch nur Lösungsmittel für die Produktreinigung und Formulierung im Bereich des Produktablaufs (der Produktabführung) zugeführt werden. Es ist hier in der Figur zwar der Einfachheit halber nicht gezeigt, jedoch kann rechts der weiteren Zuführungen für B" beziehungsweise B'" im mittleren (ersten) Bereich des Reaktors R ein Abschnitt vorgesehen sein, in dem kein immobilisierter Katalysator vorliegt, bevorzugt kein Katalysator, insbesondere dann, wenn diese Konstellation/Verfahrensführung dazu gedacht ist, das Produkt in diesem Abschnitt zu reinigen.

Bezugszeichenliste:

R erfindungsgemäßer Reaktor

RS Reaktorsystem

B (erster) Hilfsstoff(-strom) (Lösungsmittel/Verdünnungsmittel/Puffer/Co-

Faktoren etc.)

B' zweiter Hilfsstoff(-strom) (Lösungsmittel/Verdünnungsmittel/Puffer/Co-

Faktoren etc.)

B" dritter Hilfsstoff(-strom) (Lösungsmittel/Verdünnungsmittel/Puffer/Co-

Faktoren etc.)

B'" vierter Hilfsstoff(-strom) (Lösungsmittel/Verdünnungsmittel/Puffer/Co-

Faktoren etc.)

S Substrat oder Substratmischung (-ström)

P Reaktionsprodukt bzw. Umsetzungsprodukt (-ström)

BP Nebenprodukt W Abfall

V (Multiport-)Ventil / Strömungsweiche

+ in Zusammenhang mit einem Stoffstrom bedeutet jeweils Zuführung eines

Stroms in Zusammenhang mit einem Stoffstrom bedeutet jeweils Abführung eines Stroms, gegebenenfalls an (einzelnen) Inhaltsstoffen verarmt und gegebenenfalls angereichert mit anderen Inhaltstoffen/Umsetzungsprodukten aus anderem Strom

1,1a (semipermeable) Membran

2,2a Fluidkanal (Bereich)

3 Fluidkanal (Bereich) mit immobilisiertem Katalysator (Enzym)

QF Flussrate Produktstrom (Feed)

Q _P Flussrate Pufferstrom

SW Strömungsweg Hilfsstoff

Beispiel:

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht-limitierenden Beispiele weiter erläutert.

BEISPIEL 0 - REAKTOR

Ein erfindungsgemäßes Reaktormodul wurde aus im Wesentlichen drei Teilen, darunter einen Mittelteil (dem ersten Bereich entsprechend) und zwei Seitenteilen (den anderen zwei Bereichen) hergestellt. Jedes der Teile wies einen flachen Strömungskanal (= Bereich) mit einem Querschnitt Kanäle von etwa 2 x 20 mm ² auf. Diese Kanäle waren mit (3D-gedruckten) Gittern gefüllt, welche die Membranen stützten und die Strömung leiteten. Die Gitter wiesen anisotrope Strukturen auf, bei der in x-Richtung (wenn der Reaktor in ein kartesisches Koordinatensystem eingesetzt gedacht wird) der Fluidstrom durch etwa 80 würfelförmige Kammern von etwa 3 x 3 x2 mm ³ mit engen Fenstern von etwa l x l mm ² in den Wänden zwischen den Kammern treten musste; und wobei das Gitter in y-Richtung kurze, vollständig offene, quadratische Kanäle, ohne Hindernisse für den Fluidstrom, aufwies.

Zwischen dem mittleren und den angrenzenden Teilen (Bereichen) befanden sich zwei Membranen desselben Typs, die beide mit ihrer selektiven Schicht dem mittleren Kanal (ersten Bereich) zugewandt waren. Aufgrund des Größenausschlusses konnte sich das mit dem Feed eintretende Protein nur innerhalb des durch den mittleren Teil und die angrenzenden Membranen begrenzten Kanal (also durch den ersten Bereich) bewegen. Jede Membran hatte eine effektive Fläche von 2972 mm ² bei einer Fließweglänge von 24,5 cm. Für den Betrieb wurde das Modul in ein FPLC-System (Äkta Purifier UPC 10, GE Healthcare, Uppsala, Schweden) mit einer zusätzlichen Probenahmepumpe sowie Online-Detektoren für UV/Vis-Adsorption, Leitfähigkeit und pH-Wert integriert.

BEISPIEL 1 - ENZYMREAKTION MIT KONTINUIERLICHER ZU- UND ABFÜHRUNG VON HILFSLÖSUNGEN

In diesem Beispiel wurde die kontinuierliche enzymatische Hydrolyse einer Esterverbindung (para-Nitrophenyloctanat - pNPA) zu Oktansäure und para- Nitrophenol mittels einer auf Mikropartikeln immobilisierten Esterase untersucht. Durch die Hydrolyse des Esters entstand dabei eine Säure, die bei höheren Zulaufkonzentrationen des Esters und nur schwach gepufferten Lösungen im Verlauf der Reaktion entlang des Reaktors zu einer pH-Absenkung führte, die sich negativ auf die Enzymaktivität auswirkte. Ebenso zeigte sich, dass die direkte Zugabe einer hohen Pufferkonzentration direkt in die Ausgangslösung ebenfalls negative Auswirkungen auf die Produktivität des Systems hat.

Es wurde daher die Möglichkeit einer über den Reaktor verteilten Pufferzufuhr bei gleichzeitigem Abzug von verbrauchtem Puffer mittels des erfindungsgemäßen Reaktors (neuartiger Enzym-Membranreaktor) demonstriert. Hier wurde für den Labormaßstab ein erfindungsgemäßes (Enzym-)Membranreaktormodul mittels 3D- Druck gefertigt. Das Modul bestand entsprechend Fig. 1 aus einem Mittelteil (dem ersten Bereich) und zwei Seitenteilen (den angrenzenden Bereichen), die jeweils einen Strömungskanal der Dimension 50 x 20 x 2 mm ³ aufwiesen. Innerhalb der Strömungskanäle befand sich eine durchströmbare Stützstruktur. Zwischen dem Mittelteil und den Seitenteilen befand sich jeweils eine teildurchlässige (semipermeable) Membran, die die Strömungskanäle (Bereiche) voneinander abtrennte. Die Stützstruktur innerhalb der Kanäle diente neben der Strömungsführung gleichzeitig als mechanische Unterstützung der beiden Membranen. Der mittlere Kanal des Moduls war mit 0,2 g enzymbeladenen Mikropartikeln (Durchmesser ca. 30 pm) befüllt, die eine Esterasebeladung von 20 mg Enzym pro Gramm Mikropartikel aufwiesen (Esterase der EC-Nummer 3.1.1.1 auf PureCube Ni-IDA MagBeads).

Zum Betrieb wurde das beschriebene, erfindungsgemäße Modul an ein FPLC-System (ÄKTA purifier UPC 10, GE Healthcare, Uppsala, Schweden) angeschlossen. Zusätzlich wurden weitere Sensoren zur Druckerfassung sowie der Messung der akkumulierten Massen der Zulauf- und Ablaufströme angebracht. Diese Kombination ermöglichte eine detaillierte und präzise Kontrolle der Betriebsbedingungen sowie eine Online- Überwachung der wichtigsten Prozessparameter. Die drei Kolbenpumpen des FPLC- Systems garantierten eine druckunabhängige Steuerung des Zulaufstroms der Substratlösung, des Ablaufstroms des gebildeten Produkts sowie des Zulaufstroms der frischen Pufferlösung zur Regelung des pH-Werts. Der Ablaufstrom des verbrauchten Puffers ergab sich automatisch durch die Inkompressibilität des wässrigen Mediums und die Massenbilanz. Die Sensorik des FPLC Systems ermöglichte zudem ein online- Monitoring des pH-Werts sowie über die UV-Adsorption des para-Nitrophenols ein Monitoring der Produktkonzentration im Modulablauf.

Für die kontinuierliche Durchflusskatalyse wurde zunächst eine Lösung von die 4 mM pNPA in TBS-Puffer (100 mM, pH 7,8) kontinuierlich mit einer Flussrate (QF) von 1 ml/min durch den mittleren Kanal (erster Bereich) des Enzymmembranreaktors gepumpt. Gleichzeitig wurde die Produktlösung ebenfalls mit einer Flussrate (QP) von 1 ml/min über den Ablauf (Fluidabführvorrichtung) des mittleren Kanals abgeführt. Zur kontinuierlichen Nachförderung der Puffersubstanz wurde eine TBS-Puffer-Lösung (500 mM, pH 7,8) mit 0,3 ml/min in den oberen Seitenteil gefördert und verbrauchte Pufferlösung mit dem gleichen Volumenstrom aus dem unteren Seitenteil abgelassen. Die Strömungsrichtung der Pufferlösung in den Seitenteilen verlief im Gegenstrom zur Strömungsrichtung von Substrat und Produkt im mittleren Kanal (dem ersten Bereich) des (Enzymmembran-)Reaktors.

Fig. 3 zeigt den über das durchgesetzte Volumen aufgetragenen pH und UV- Signalverlauf im Ablauf (der Fluidabführung) des mittleren Kanals (des ersten Bereichs). Nach einer Kalibrierphase von 10 ml wurde der Zulauf auf die Substratlösung (pNPA) umgestellt und gleichzeitig die Pufferzufuhr in das Seitenteil (einen angrenzenden Bereich) gestartet. Wie zu erkennen, kam es nach einer durch die Verweilzeit im Reaktor (und den Schläuchen der Zuleitungen) bedingten Anlaufphase von etwa 10 Minuten zu einem Anstieg der Produktkonzentration, wobei diese zunächst mit einem steilen pH-Abfall verbunden war. Grund für den anfänglichen pH-Abfall ist die geringere Förderrate und daher die längere Verweilzeit der Pufferlösung. Etwa 15 ml nach Beginn der Substratzuförderung hatte aber die Pufferlösung das anfangs in den Schläuchen und Seitenteilen (angrenzenden Bereichen) befindliche Wasser verdrängt und drang durch die Membranen in den Reaktionsbereich. Als Folge kam es zu dem gewünschten pH-Anstieg in diesem Bereich, bis sich ab einem Durchsatzvolumen von etwa 33 ml wieder der für die Reaktion optimale pH-Wert von 7,8 eingestellt hatte.

Bei einem Durchsatzvolumen von 33 ml wurde die Flussrate der Substratzufuhr (Q _F ) auf 0,75 ml/min verringert, um durch eine etwas höhere Verweilzeit höhere Substratumsätze und somit höhere Produktkonzentrationen zu erzielen. Wie erwartet führte die Reduktion der Flussrate zu einem deutlichen Anstieg des UV-Signals. Die höheren Substratumsätze führten durch die vermehrte Säurebildung zu einem leichten pH-Abfall. Die in dem erfindungsgemäßen (Enzymmembran-)Modul mögliche, kontinuierliche Zufuhr frischer Pufferlösung, ermöglichte aber auch unter diesen Bedingungen einen kontinuierlichen Betrieb im optimalen pH-Bereich von 7,8.

BEISPIEL 2 - ENZYMREAKTION MIT KONTINUIERLICHER ABREICHERUNG EINES NEBENPRODUKTS

In einem weiteren Versuch wurde die kontinuierliche Abreicherung einer als Nebenprodukt entstandenen Kontamination demonstriert. Hierzu wurde der erfindungsgemäße (Enzymmembran-) Reaktor zunächst mit den gleichen Substrat- und Pufferlösungen bei einer Flussrate der Substratlösung (Q _F ) von 1 ml/min und einer Flussrate der Pufferlösung (Q _P ) von 0,3 ml/min betrieben. Der UV- und pH- Verlauf gleicht entsprechend zunächst dem in Beispiel 1 beschriebenen Verlauf (ein entsprechendes Diagramm ist als Fig. 4 wiedergegeben). Zu Beginn der Produktbildung kam es zu einer kurzen pH-Absenkung, die aber rasch durch den über die Membran zugeführten Pufferstrom ausgeglichen wurde. Im weiteren Verlauf wurde das neben Oktansäure gebildete para-Nitrophenol aber als unerwünschtes Nebenprodukt betrachtet. Um dieses kontinuierlich aus dem mittleren Reaktionsbereich (dem ersten Bereich) zu entfernen, wurde ab einem Durchsatzvolumen von 33 ml das Pufferlösung zu Substratfeed Volumenstromverhältnis auf einen Wert von 2 erhöht. Hierzu wurde die Flussrate der Substratlösung (Q _F ) auf 0,5 ml/min erniedrigt, die der Pufferlösung (Q _P ) dagegen auf 1 ml/min erhöht. Wie erwartet, kam es durch das innerhalb des (Enzym-) Reaktors realisierte Gegenstromprinzip und die gleichzeitige Zu- und Abfuhr von frischer bzw. mit der Kontaminate angereicherter Pufferlösung über zwei separate Membranen zu der gewünschten starken Abreicherung der Modellkontaminate im Ablauf, erkennbar an der raschen und starken Abnahme des UV-Signals. Die Abnahme des UV-Signals ging dabei weit über das Maß hinaus, wie es durch eine reine Verdünnung des para- Nitrophenols durch Zugabe der Pufferlösung in dem genannten Verhältnis resultieren würde.

Es konnte anhand der Beispiele gezeigt werden, dass mit den erfindungsgemäßen Reaktoren beziehungsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafte Effekte erreicht werden und die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst werden konnten.