DD264887A1

DD264887A1 - Traegermaterial fuer biotechnologische prozesse und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DD264887A1
Application number: DD30923687A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Baumgardt; Claudia Menschel; Peter Ott; Lutz Haldenwang; Volkmar Peukert; Klaus-Peter Lange; Lothar Krell; Gerhard Krueger; Lothar Moerl; Klaus Wehler; Kurt Rudolf
Original assignee: Projekt Wasserwirtschaft Veb
Priority date: 1987-11-20
Filing date: 1987-11-20
Publication date: 1989-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft Traegermaterial fuer biotechnologische Prozesse und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Solche Aufwuchstraeger finden Anwendung in der biologischen Abwasserbehandlung, der Wasseraufbereitung und bei Fermentationsprozessen. Ziel der Erfindung ist ein koerniger Aufwuchstraeger, welcher kostenguenstig in Material und Herstellung die Erhoehung der Effektivitaet der bekannten biotechnologischen Hochleistungsverfahren garantiert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufwuchstraeger fuer biotechnologische Prozesse herzustellen, der sowohl als Aufwuchstraeger fuer Mikroorganismen, als auch mit hoher Effektivitaet zur Fixierung von Substraten, biologisch aktiven Polymeren und Metaboliten genutzt wird. Die spezifische Dichte des Aufwuchstraegers soll zwischen 0,4 und 1,2 g/cm3 waehlbar sein. Weiterhin soll eine leichte Abscheidbarkeit aus dem aufzubereitenden Medium gesichert sein. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem bei einem koernigen Material aus einem organischen Polymer eine Oberflaechenverfluessigung herbeigefuehrt und noch vor Wiederverfestigung dieses Polymers es mit einem Adsorbens und/oder einem dichteregulierenden Stoff und/oder einem ferromagnetischen Stoff in Kontakt gebracht wird, wobei sich zwischen diesen Stoffen eine irreversible Verbindung bildet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Herstellung künstlicher Träger für Mikroorganismen und biologisch aktive Polymere. Solche künstlichen Aufwuchsträgor sind die Voraussetzung für viele moderne biotechnologische Verfahren, z. B. für die Prozesse der biologische) Abwasserbehandlung, der Wasseraufbereitung und der Fermentationstechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der F.insatz biotechnologischer Verfahren bei der Wasseraufbereitung, Abwasser- und Schlammbehandlung erfordert die Immobilisierung und die Anreicherung von Biomasse in Reaktoren. Eine Möglichkeit der Anreicherung von Mikroorganismen besteht in der Vergrößerung der Aufwuchsfläche im Reaktionsraum, z. B. durch Einsatz eines künstlichen Aufwuchsträgers, der in wäßrigen Medien frei bewegbar vorliegt. Der Einsatz von schwimmenden Aufwuchsträgern und Filterkörpern ist bekannt und hat in der Wirbelschichttechnik eine breite Anwendung gefunden.

Als Aufwuchsträger werden im Wirbelbett feinkörnige Materialien mit Dichten > 1 g/cm³ im Aufwärtsstrom eingesetzt, z. B. Sand, Blähton, Aktivkohle. Wirbelbettechnik im Abwärtsstrom (US 4256573) erfordert ein Aufwuchsträgermaterial mit einer spezifischen Dichte <0,9g/cm³. Wirbelschichtprozesse, die zur Erhöhung der Leistung in Schlaufenreaktoren durchgeführt werden, erfordern den Einsatz von Materialien mit einer spezifischen Dichte im Bereich von 0,9... 1,1 g/cm³, wie z.B. Schaumplasten, Schaumglaskugeln oder Leichtbaustoffe.

Verfahren zur Herstellung geeigneter Filterkörper und Aufwuchsträgermaterialien mit o.g. Zielstellung werden in folgenden Patenten DE 2628118, DE 3006171, DE 3105887 sowie der unter dem Aktenzeichen B29C297102.4 beim AfEP hinterlegten Anmeldung beschrieben.

In DE 2628118 wird davon ausgegangen, daß ein pulverförmiges oder feinkörniges aktiviertes Adsorbens durch Anströmen mit hoher Strömungsgusschwindigkeit auf der Oberfläche eines schwimmenden Filterkörpers gleichmäßig verteilt und bei Umkehren der Strömungsrichtung von diesem vollständig entfernt wird. Dieses so erzeugte schwimmende Material ist nur für Adsorptionsprozesse im schwimmenden Festbettreaktor einsetzbar. Die reversible Bindung des Adsorbons gestattet keine freie Verteilung des Trägermaterials im Reaktor. Auf Grund der kurzen Laufzeiten zwischen den einzelnen im Zusammenrang mit der Erhaltung der Adsorptionsfähigkeit erforderlichen Neubeschichtungen ist die Ausbildung eines beständigen biologischen Bewuchses nicht möglich, so daß das Material nicht in dem geforderten Sinne für biotechnologische Prozesse einsetzbar ist. Die DE 3006171 und DE 3105887 gehen von der Verklebung von fein verteilten Teilchan aus Kohlenstoff mit einem Bindemittel aus, das durch Hitzeeinwirkung ausgehärtet, karbonisiert und bei Bedarf geformt wird. Dabei entstehen sogenannte Forrmörper, die eine Dichte > 1,1 g/cm³ haben und vorwiegend für die Adsorption eingesetzt werden. Ein Einsatz im aufwärtsdurchströmenden Wirbelbett als Aufwuchsträger ist denkbar, wenn eine ausreichende Abriebfestigkeit erreicht wird. Nacnteilig ist, daß die Einstellung der spezifischen Dichte nur in Grenzen variierbar ist, da das innere Porenvolumen durch das Verdampfen einer Füllflüssigkeit im Herstellungsprozeß eingestellt wird, wobei für die Füllflüssigkeit etwa 15VoI.-% angegeben werden. In der Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen B 29 C 297102.4 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Trägermaterials für Mikroorganismen mit einer spezifischen Dichte < 0,5g/cm³ durch Schrumpfung infolge thermischer Einwirkung auf Schaumpolystyrol unterhalb der Verkohlungstemperatur beschrieben. Dieses Material besitzt in Abwasser und bei Einsatz in nährstoffreichen Medien, z. B. bai der mikrobiellen Denitrifikation, gute Eigenschaften als Aufwuchsträger und ist besonders gut für den Einsatz im abwärtsdurchströmten Wirbelbett geeignet. Das Material weist jedoch keine adsorptive Wirkung auf. Im Zusammenhang mit der weiteren Intensivierung der biotechnologischen Prozesse bei der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung ergibt sich die Forderung nach Aufwuchsträgermatorialien, die gleichzeitig der Fixierung von Mikroorganismen sowie der Immobilisierung biologisch aktiver Polymere und deren Metaboliten (z. B. Enzyme, Nukleinsäuren) gestatten. Weiterhin ist für die Anwendung der verschiedenen biotechnologischen Verfahren die exakte Einstellung der spezifischen Dichte in Abhänigkeit von der gewählten Technologie von wesentlicher Bedeutung.

Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Aufwuchsträgern und die bekannten Aufwuchsträger erfüllen diese Forderungen nicht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines körnigen Aufwuchsträgers für die Fixierung von Mikroorganismen, deren biologisch aktive Polymere und Metabolite sowie Substrate, welcher kostengünstig in Material und Herstellung die Erhöhung der Effektivität der bekannten biotechnologischen Hochleistungsverfahren garantiert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufwuchsträger für biotechnologische Prozesse herzustellen, der sowohl als Aufwuchsträger für Mikroorganismen als auch mit hoher Effektivität zur Fixierung von Substraten und bioloQisch aktiven Polymeren und Metaboliten genutzt wird. Die spezifische Dichte des Aufwuchsträgers soll zwischen 0,4 und 1,2g/cm³ wählbar sein. Hinsichtlich der Grenzflächenaktivität soll das Material einen hohen Anteil aktiver inneror «Jborfuche mit chemischen Restvalenzen besitzen. Weiterhin soll eine leichte Abscheidbarkeit aus dem aufzubereitenden Medium gesichert sein. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem ein körniger Grundkörper aus synthetischen organischen Polymeren mit einem Adsorbens und/odei inerten Füllstoffen und bei Erfordernis mit ferromagnetischen Stoffen beschichtet wird, wobei diese bei Verflüssigung der Oberfläche des Grundkörpnrs irreversibel mit diesem verklebt werden.

Erfindungsgemäß wird die Oberfläche des Grundkörpers durch thermische Behandlung oder Anlösen mit uir.em organischen Lösungsmittel verflüssige und der Grundkörper in diesem Zustand einem Adsorbenten und/oder inertem Füllstoff zur Einstellung der orforderlichen spezifischen Dichte und/oder einem ferromagnetischen Stoff zur Verbesserung der technischen Möglichkeiten der Abscheidba keit des Trägers in Kontakt gebracht. An der verflüssifjton Oberfläche werden die entsprechend Zielstellung wirkenden Zusetzstoffe irreversibel verklebt.

Ausführungsbeispiel 1

Es wird pulverförmige Aktivkohle mit kugelförmigem Schaumpolystyrol oder mit zerkleinerten Schaumpolystyrolabfällen im Verhältnis 1:10 bis 1:100 vermischt. Dieses Materialgemisch wird nach einem bekannten Verfahren (DD 297102.4) einer Temperatur zwischen 15O⁰C bis 25O⁰C, vorzugsweise 18O⁰C, ausgesetzt. Die Aufenthaltszeit im Ofen beträgt etwa 3 Minuten.

Dabei wird die Oberfläche des Plastmaterials flüssig, die gleichzeitig im Ofen befindliche Pulverkohle klebt irreversibel an. Nach dem Erreichen dieses gewünschten Zustandes wird das Material abgekühlt und ist sofort einsatzfänig.

Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Trägermaterials im Dauerbetrieb beispielsweise in einem strahlgetriebener) Schlaufenre3kior werden durch die adsorptive Wirkung der Aktivkohle gelöste organische Stoffe und Mikroorganismen an dem Träger adsorbiert. Die Nährstoffversorgung der Mikroorganismen basiert dabei sowohl auf der Aufnahme von gelösten Stoffen aus dem umgebenden Wasser, wie auf dem Abbau der am Träger aüsorbierten Stoffe, wodurch die Adsorptionsfähigkoit des Trägers ständig regeneriert wird.

Infolge der ständigen Turbulenz und des Aneinandarreibens des wirbelnden Trägermaterials wird ein Teil der Mikroorganismen abgerieben. Erfahrungsgemäß handelt es sich dabei vorwiegend um alte und abgestorbene Zellen, die nicht mehr elastisch genug sind, um mechanische Beanspruchungen zu widerstehen.

Ein Teil der freiwerdenden Zellen wird bei diesem Vorgang zerrieben, so daß das Protoplasma austritt. Die im Protoplasma enthaltenen biologisch aktiven Strukturen wie RNS, Proteine, Enzyme werden durch die adsorptive Wirkung der Aktivkohle an das Trägermaterial gebunden. Damit ist die Grundlage für den Abbau biologisch schwer oxisierbarer oder quasiresistenter Stoffe gegeben. Infolge der onzymatischen Katalysatorwirkung W3rden diese Stoffe in zellbiologisch verwertbare Bruchstücke überführt und können so von den auf dem Trägermaterial siedenden Mikroorganismen als Nährstoffgrundlage verwendet werden. Die Abbauleistung des Reaktors erhöht sich gegenüber klassischen biologischen Reaktoren erheblich und erfaßt neben den leicht abbaubaren Stoffen auch die Stoffe, die normalerweise einem biologischen Abbau nicht zugänglich sind.

Damit ist der Einsatz des Verfahrens auch bei dor Wasseraufbereitung möglich. Mehrmonatige Praxisversuche zeigten, daß der Grundkörper des Trägermaterials und das fest verklebte Adsorbens den starken mechanischen und biochemischen Beanspruchungen im Wirbelbett de.« strahlgetriebenen Schlaufenreaktors standhalten.

Ausführungsbeispiel 2

Kugelförmiges geschäumtes Polystyrol wird in die 1. Kammer eines waagerecht angeordneten zweikammerigen Reaktors dosiert, die zu Ve bis '/3 mit Aceton gefüllt ist. Das Material wird mit Hilfe einer Förderschnecke durch die 1. Kammer transportiert und gelangt dann in die 2. Kammer, die teilweise mit pulverförmiger Aktivkohle gefüllt ist. Mit Hilfe der Förderschnecke wird das Material ständig bewegt und so auch durch diese Kammer transportiert.

Die Aufenthaltszeit in der ersten Kammer ist abhängig von der bei den einzelnen Materialien unterschiedlichen Anlösezeiten. Durchschnittlich beträgt sie 8 bis 30 Sekunden. Für Polystyrol reicht eine Anlösezeit von 8 bis 16 Sekunden aus, um die Oberfläche zu verflüssigen. Durch die ständige Bewegung der Schnecke wird ein Verkleben der einzelnen Polystyrolkugeln vermieden. Die Aufenthaltszeit wird durch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Förderschnecke eingestellt. Während des Passierens der zweiten Kammer wird die pulverförmige Kohle an die verflüssigte Oberfläche durch Verklebung fest gebunden. Die Aufenthaltszeit wird mit 30 Sekunden eingestellt. Nach Passieren des Reaktors ist das Material sofort einsatzfähig.

Claims

1. Trägermaterial für biotechnologische Prozesse als Aufwuchsträger für Mikroorganismen und zur Fixierung von Substraten, biologisch aktiven Polymeren und deren Metaboliten, gekennzeichnet dadurch, daß körnige Grundkörper aus synthetischen organischen Polymeren an ihrer Oberfläche mit Adsorbenzien und/oder inerten Füllstoffen zur Einstellung seiner spezifischen Dichte und/oder ferromagnetischen Stoffen zur Verbesserung seiner Abscheidbarkeit unter Ausbildung einer irreversiblen Verbindung beschichtet sind.

2. Verfahren zur Herstellung eines Trägermaterials für biotechnologische Prozesse, gekennzeichnet dadurch, daß die körnigen Grundkörper aus synthetischen organischen Polymeren an ihrer Oberfläche durch bekannte thermische Behandlung oder chemisches Anlösen mittels bekannter Lösungsmittel verflüssigt werden und dabei vorher gleichzeitig oder unmittelbar danach mit den Adsorbenzien und/oder inerten Füllstoffen und/oder ferromagnetischen Stoffen in Kontakt gebracht weraen und diese auf diese Weise an der Oberfläche irreversibel verklebt werden.