[发明专利]具有一个或多个脱气段的用于水溶液的连续生物催化转化的方法和装置

说明书

本发明涉及用于在具有以并联或串联方式互连的一个或多个转化/脱气段的反应器中连续生物催化转化含有生物催化可转化的物质的水溶液的方法和装置，各转化/脱气段包括以串联方式互连的至少一个生物反应器和至少一个脱气设备，其中在各转化/脱气段中，在第一工艺步骤中，含有生物催化可转化的物质的水溶液以连续料流给入到第一生物反应器的进口或并联方式互连的两个或多个第一生物反应器的共同进口，在那里它与至少一种生物催化剂在形成至少一种气体和至少一种固体或液体产物的条件下接触，和在第二工艺步骤中，生物催化转化的溶液从最后生物反应器的出口或两个或多个并联连接的最后生物反应器的共同出口管线中转移到脱气设备的进口，和离开线路中最后脱气设备的出口的生物催化转化、脱气的溶液的至少一部分以连续料流给入线路中的第一生物反应器的进口。本发明进一步涉及用于进行这种方法的装置。

近年来，对利用固定生物催化剂，象酶和微生物的应用的兴趣增加。用固定生物催化剂的连续生物催化转化可观地降低了生产成本，例如通过减少转化时间和与用过的生物量相关的废物量。生物催化的特别令人感兴趣的领域是通过有机物质的生物催化转化的非酒精和酒精饮料的生产，例如在酿造和酒工业中，或者是气体的生产，象甲烷的生产。

如今固定酵母技术已经由几个啤酒厂以全工业规模成功地用于无酒精啤酒的制造或用于一次发酵啤酒的二次发酵(成熟)。在这两种工艺中，酵母被固定在柱反应器中的固体、不能压缩的载体材料的固定床上，经过该固定床麦芽汁或生啤酒作为活塞流连续通过。这是相对容易完成的，因为在无酒精啤酒的制造中，麦芽汁不被发酵，和在二次发酵中，生啤酒几乎完全被稀释，以致所形成的小量二氧化碳将停留在溶液中。

在麦芽汁的初次发酵中，情形要困难得多。在麦芽汁的发酵(生物催化转化)过程中释放的二氧化碳气体的量要比上述方法中大得多，将引起载体床的沟流，紊乱活塞流，减少有效反应器体积和引起产物的发泡。另一个问题是在快速生物催化转化中产生的反应热的去除。因此，反应器温度的保持是困难的，如果不是不可能的话。这在其中温度对酵母代谢和对香味化合物的生成具有显著影响的饮料发酵中是主要的缺陷。

在这些年来，已经公开了关于啤酒的固定初次发酵的许多实验室和中试规模的研究，例如参见Monograph XXIV of European BreweryConvention，Symposium Immobilized Yeast Applications in the BrewingIndustry，Verlag Hans Carl Getrnke-Fachverlag，Nürnberg，1996，ISBN 3-418-00749-X。例如，Yamauchi和Kashihara已经使用了包括串联的连续搅拌釜和填充床反应器的两段工艺。Kronlf等人已经使用了串联的两个填充床反应器。然而，在这些和其它情况下，技术问题已经使得工艺的实际操作变得困难，导致了对生物催化转化的薄弱控制。如上所述，这些技术问题的本质原因是二氧化碳的剧烈形成。此外，在初次发酵中产生的大量反应热使温度变得难以控制，如果不是不可能达到的话。Yamauchi和Kashihara以及Kronlf等人已经达到了大约2天的发酵时间。

US-A 5,079,011公开了用于生产乙醇和酒精饮料的方法，其中含有生物催化可转化的物质的液体被泵抽通过具有固定酵母的系列互连反应器。在相互连接点，释放压力以去除在前一反应器中形成的大部分的二氧化碳。这样，可以获得高乙醇浓度，而没有由气体二氧化碳所引起的问题。然而，该方法是代价昂贵的和无法实施，因为必须使用几个反应器和释压设备来达到完全适中的乙醇浓度。压力受反应器设计的限制以及受酵母的耐压性的限制。作为实例，在具有5.5％w/w的目标乙醇浓度的啤酒发酵中，其中在一个反应器中最大可允许的压力是4巴和发酵温度是15℃，二氧化碳的溶解度是7.0g/l。在1巴的压力中，溶解度分别是1.8g/l。因此，在各反应器中允许形成的二氧化碳的最大量是5.2g/l，这对应于0.54％的乙醇浓度。因此，需要十一个反应器用于该目的。实际上，所需的反应器的数目是更高的。

上述问题原则上适用于所有其它生物催化工艺，在这些工艺中，含有生物催化可转化物质的水溶液通过使用生物催化剂在形成至少一种气体和至少一种产物下被转化。这种工艺的实例是药物的生物催化生产或产物流的生物催化处理，其中目的是生产一种或多种有用气体，例如甲烷。