DD264888A1 - Verfahren zur herstellung eines hochporoesen koernigen verbundtraegermaterials fuer biotechnologische prozesse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochporoesen koernigen Verbundtraegermaterials fuer biotechnologische Prozesse. Es ist besonders vorteilhaft einsetzbar in der Wasser-, Abwasser- und Schlammbehandlung zur Ansiedelung von Mikroorganismen bzw. fuer Verfahren, bei denen Mikroorganismen fuer spezielle Stoffwandlungen oder Produktsynthesen immobilisiert werden muessen. Erfindungsgemaess erfolgt die Herstellung des Verbundtraegermaterials in einem Dreistufenverfahren. In der ersten Stufe erfolgt eine lose Anlagerung einer zu agglomerierenden Komponente an der grossporigen rauhen Oberflaeche der Koerner einer Sinterkomponente unterhalb ihrer Erweichungstemperatur. Diese Mischkornpartikel werden in der zweiten Stufe fluidisiert und deren Volumen auf 110-120 geschrumpt. Anschliessend erfolgt bei einer Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur der Sinterkomponente eine rieselfaehige Konditionierung des Verbundtraegermaterials.

Description

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Einsatz 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 Einsatzeines 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 beschrieben.

In DE 2628118 wird davon ausgegangen, daß ein pulverförmiges oder feinkörniges aktiviertes Adsorbens durch Anströmen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit 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 Adsorbens gestattet keine freie Verteilung des Trägermaterials im Reaktor. Auf Grund der kurzen Laufzeiten zwischen den einzelnen im Zusammenhang mit der Erhaltung der Adsorptionsfähigkeit erforderlichen Neubeschichtung 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 Teilchen aus Kohlenstoff mit einem Bindemittel aus, das durch Hitzeeinwirkung ausgehärtet, karbonisiert und bei Bedarf geformt wird. Dabei entstehen sogenannte Formkörper, die eine Dichte > 1,1 g/cm³ haben und vorwiegend für die Adsorption eingesetzt werden. Ein Einsatz im aufwärtsdurchströmten Wirbelbett als Aufwuchsträger ist denkbar, wenn eine ausreichende Abriebfestigkeit erreicht wird. Nachteilig 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 15 Vol.-% angegeben werden. Des weiteren 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. bei 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 ergibt sich die Forderung nach Aufwuchsträgermaterialien, die gleichzeitig die 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 Abhängigkeit von der gewählten Technologie von wesentlicher Bedeutung.

Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Aufwuchs .r.'igern und die bekannten Aufwuchsträger erfüllen diese Forderung nicht.

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines bochporösen körnigen Verbundträgermaterials für biotechnologische Prozesse.

Das Verfahren soll unkompliziert sein, zuverlässig funktionieren und die massenhafte Produktion des gewünschten Verbundträgermaterials in höchster Qualität bei geringen Betriebs- und Anlagenkosten und bei hoher Raum-Zeit-Ausbeute ermöglichen. Das Verfahren soll höchste biotechnologische Effektivität und Lebensdauer des Verbundträgermaterials gewährleisten. Es soll abfallfrei funktionieren, nur einheimische Rohstoffe bzw. bisher nicht genutzte Abfallstoffe benötigen und ohne Nachbehandlungsverfahren, wie z. B. mechanische Zerkleinerung oder Klassierung auskommen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung eines hochporösen, körnigen Verbundträgermaterials für biotechnologische Prozesse, das die bindemittelfreie feste Anlagerung von kleinen Partikeln oberflächenaktiver und dichteregulierender Materialien an der großporigen, rauhen Oberfläche einer grobkörnigen sinterungsfähigen Komponente ermöglicht, ohne daß die entstehenden Partikel des Verbundträgermateriais zusammenkleben, verklumpen, agglomerieren, ohne daß die Anlagen verschmutzen, ohne daß die Qualität des Produkts beeinträchtigt wird, ohne daß Nachbehandlungen des Produkts und der Anlage notwendig werden, ohne daß schwer wiederverwertbare Abfallprodukte entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist weiterhin die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung eines hochporösen körnigen Verbundträgermaterials, das in jeder Verfahrensstufe den Einzelkornstatus des Verbundträgermaterials garantiert, um ein rieselfähiges, abriebfestes, gleichmäßig strukturiertes, sofort verwendbares Verbundträgermaterial definierter Dichte und hoher Lebensdauer zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein diskontinuierliches Dreistufenverfahren gelöst.

In der ersten Verfahrensstufe werden durch die lose Anlagerung kleiner Partikel mindestens einer zu agglomerierender Komponente an der großporigen, rauhen Oberfläche der Körner der Sinterkomponente bei einer Temperatur unterhalb ihrer Erweichungstemperatur separat vorliegende Mischkornpartikel hergestellt, die 5-20 Ma.-% an kleinen Partikeln jeder einzubindender Komponente enthalten.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß die bindemittelfreie lose Anlagerung der kleinen Partikel zu agglomerierender.

Komponenten sehr vorteilhaft unter Nutzung der den großen Körnern der Sinterkomponente innewohnenden elektrostatischen Anziehungskräfte vor sich geht. Diese elektrostatischen Anziehungskräfte werden dabei soweit auf die Oberfläche der einzelnen großen Mischkornpartikel konzentriert, daß das lästige Aneinanderheften der Sinterpartikel bzw. ihr Haften an den Anlagenwandungen vollständig unterbleibt und damit auch die Gefahr elektrostatischer Entladungen unterbunden ist.

Der Transport der so hergestellten rieselfähigen Mischkornpartikel in die zweite Verfahrensstufe geht zuverlässig, staubarm, verlust- und rückmischungsfrei vor sich.

Insbesondere ist bemerkenswert, daß es trotz der nur losen Anlagerung in der hochturbulenten zweiter Verfahrensstufe nicht zu Entmischungen kommt.

In der zweiten Verfahrensstufe wird eine solche Menge an Mischkornpartikeln, die in einem Wirbelschichtapparat eine Anfangsruheschichthöhe von 0,3-0,6 m ergibt, bei der 0,2-0,3fachen Austragsgeschwindigkeit der Misch kernpartikel fluidisiert.

Die Austragsgeschwindigkeit ist diejenige Fluidisierungsgeschwindigkeit, bei der die Mischkornpartikel sich nicht mehr in,dem Fluidisationsregime halten können und pneumatisch heraustransportiert werden.

Das Fluidisierungsmedium muß eine Temperatur von 0-30 K über der Schmelztemperatur der Sinterkomponente besitzen, wobei unter dem Begriff Schmelztemperatur das schmelzende Abtropfen der Sinterkomponente verstanden wird.

Innerhalb von 2-5 min werden die einzeln vorliegenden Mischkornpartikel auf V10-V20 ihres Ausgangsvolumens geschrumpft.

Sie müssen im fluidisierten Zustand als Einzelpartikel erhalten bleiben, dürfen also keinen Moment zur Ruhe kommen.

In der dritten Verfahrensstufe werden die geschrumpften aber noch schmelzweichen Mischkornpartikel bei der gleichen Geschwindigkeit wie in der zweiten Verfahrensstufe fuidisiert und bei einer Temperatur von mindestens 10-20 K unter der Erweichungstemperatur der Sinterkomponente innerhalb von 1-5 min zum gewünschten Verbundträgermaterial rieselfähig konditioniert, d. h. klebfrei und abriebfrei verfestigt, so daß die sofortige Verwendung des Verbundträgermaterials in höchster Qualität ohne weitere Behandlung mittels Selektions- oder Vergleichmäßigungsverfahren möglich ist.

Nachfolgend soll die Erfindung an 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1

Im ersten Ausführungsbeispiel wird hochporöses, körniges Verbundträgermaterial hergestellt, das für die biologische Denitrifikation bei der Trinkwasseraufbereitung in Abstrom-Reaktionsanlagen benötigt wird.

Es bestand die Aufgabe, ein hochporöses, körniges Verbundträgermaterial für Mikroorganismen mit einer Dichte von 300-500kg/m³ für den Einsatz bei der Nitrateliminierung im Intensivreaktor nach dem Abstromprinzip in industriellen Dimensionen herzustellen. Dazu wurde ein diskontinuierliches Verfahren mit drei Verfahrensstufen gewählt.

In der ersten Verfahrensstufe wurden sonst nicht verwertbare Schaumpolystyrol-Abfälle in Flockenform in einer Menge von 6 kg unter Umgebungsbedingungen in einem Misch- und/oder Transportapparat, z.B. durch Oberflächenbestäubung in einem Betonmischer, aber auch in einem Schneckenförderer mit dem industriellen Abfallprodukt Aktivkohlestaub, der bekanntlich eine hervorragende adsorptive Wirkung besitzt, vermischt.

Die Schaumpolystyrolflocken lagen in Korngröße von 4-10 mm vor. Sie hatten eine Dichte von 25-30kg/m³ und eine Schüttdichte von 15-20 kg/m³. Eingesetzt wurde eine Charge mit einem Volumen von 0,4m³, was einer Anfangsruheschichthöhe von 400 mm entsprach. Beim Mischvorgang wurde die staubförmige Aktivkohle an der rauhen, hochporösen Oberfläche der Schaumpolystyrolflocken so angelagert, daß Mischkornpartikel hergestellt wurden, die etwa 10Ma.-% Aktivkohlestaub enthielten. Dabei wurden die elektrostatischen Kräfte zwischen den Schaumpolystyrolflocken bzw. zwischen den Schaumpolystyrolflocken und den sie umgebenden Wandungen durch ihre Konzentrierung auf die lose Verbindung Schaumpolystyrol/Aktivkohlestaub abgebaut, und die hergestellten Mischkornpartikel wiesen keine Überschüsse an nicht gebundenem Aktivkohlestaub auf, was eine staubarme und völlig gleichmäßige Weiterverarbeitung der zweiten Verfahrensstufe ermöglichte.

In der zweiten Verfahrensstufe wurden die rezepturgerecht hergestellten 6,6kg Mischkornpartikel durch thermische Behandlung unter Fluidisierungsbedingungen auf ihre endgültige Größe und Dichte gebracht. Dazu wurden sie 3 min lang bei einer Temperatur von 160⁰C in einem Luftstrom bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,5m/s so fluidisiert, daß keine Toträume für eventuelle Ablagerungen von Mischkörnern möglich waren. Durch die Sinterung der Schaumpolystyrolflocken erfolgte eine feste Agglomerierung der Aktivkohlenstaubpartikel an der Oberfläche der Schaumpolystyrolflocken und eine Volumenschrumpfung der Mischkornpartikel auf Vu ihres Ausgangswertes, wodurch eine Dichte des Verbundträgermaterials von 365 kg/m³ und eine große poröse Teilchenoberfläche erreicht wurden.

Dadurch und durch die beschriebene lose bindemittelfreie Oberflächenbeschichtung der Schaumpolystyrolflocken mit dem nicht schmelzenden Aktivkohlestaub war es möglich, die Mischkornpartikel mit der klebrigen schmelzweichen Schaumpolystyrolkomponente im Einzelkornstatus zu halten und sie völlig gleichmäßig und verlustfrei zu behandeln.

In der dritten Verfahrensstufe wurde das hergestellte Verbundträgermaterial durch kurzzeitige Fluidisierung (etwa 1 min), in einem Luftstrom mit Umgebungstemperatur bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,5 m/s konditioniert, d.h. die bisher nur im Fluidisierungszustnad als Einzelkörper existenten, schmelzweichen, geschrumpften Mischkornpartikel wurden fest. Sie wurden sehr abriebfest und garantierten damit eine lange Lebensdauer als Verbundträgermaterial für Mikroorganismen. Sie konnten der Anaige rieselfähig und staubarm in bester Qualität entnommen werden. Sie waren ohne Nachbehandlung sofort einsetzbar und die damit erreichten Nutzungsparameter der Reaktoren waren wesentlich günstiger als die der nach anderen Verfahren hergestellten Trägermaterialien.

Der Energiebedarf für das Verfahren ist wegen der sehr leichten zu fluidisierenden Teilchen und der sehr guten Wärme- und Stoffaustauschbedingungen bei der Fluidisierung im Vergleich zu anderen Verfahren gering. Die in der zweiten Verfahrensstufe benötigte heiße Fluidisierungsluft wurde im Kreislauf geführt, so daß nur geringe Energiemengen für die Aufheizung benötigt wurden und keine Umweltbelastung durch Abgase auftraten.

Beispiel 2

Im zweiten Ausführungsbeispiel wird Verbundträgermaterial hergestellt, das für die biologische Denitrifikation bei der Trinkwasseraufbereitung in Aufstrom-Reaktionsanlagen benötigt wurde. Dazu bestand die Aufgabe, ein Verbundträgermaterial für Mikroorganismen'mit einer Dichte von ungefähr 1050kg/m³ herzustellen.

Zu diesem Zweck wurden zusätzlich zu den in Beispiel 1 beschriebenen Komponenten weitere Komponenten in Form mehrerer Feinkorn-Sandfraktionen mit Dichten zwischen 2700 und 3000 kg/m³ in der ersten Verfahrensstufe zugemischt.

Diese aus drei Komponenten hergestellten Mischkompartikel (Schaumpolystyrolflocken, Aktivkohlestaubpartikel, Sand in Feinkör.nungen), die eine ungefähr 2,5mal größere Dichte als im Beispiel 1 aufwiesen bei gleichem Sinterkorndurchmesser von 4-10 mm, wurden in der zweiten Verfahrensstufe bei 165⁰C und bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,8m/s 4min lang fluidisiert.

Die zur Feineinstellung der geforderten Dichte erforderlichen Restsandmengen wurden in etwas größerer Körnung oberhalb der Wirbelschicht direkt in die heiße Fluidisationszone gegeben und agglomerierten aufgrund ihres größeren Impulses innerhalb von 1 min an den schmelzweichen schrumpfenden Mischkornpartikeln.

In der dritten Verfahrensstufe erfolgte die Behandlung analog zum Beispiel 1 durch Fluidisierung mit Umgebungsluft bei einer Fiuidisierungsluftgeschwindigkeit von 0,8m/s.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines hochporösen körnigen Verbundträgermaterialsfür biotechnologische Prozesse, bei dem der Verbund durch bindemittelfreie feste Anlagerung von kleinen Partikeln geeigneter Materialien an der großporigen, rauhen Oberfläche einer grobkörnigen Sinterkomponente erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß in der ersten Verfahrensstufe durch lose Anlagerung der kleinen Partikel mindestens einer an der großporigen rauhen Oberfläche der Körner einer Sinterkomponente unterhalb ihrer Erweichungstemperatur zu agglomerierenden Komponente separate Mischkornpartikel mit 5-20 Ma.-%an kleinen Partikeln jeder zu agglomerierenden Komponente hergestellt werden, die in der zweiten Verfahrensstufe bei ihrer 0,2-0,3fachen Austragsgeschwindigkeit bei einer Anfangsruheschichthöhe im Wirbelschichtapparat von 0,3-0,6 m fluidisiert werden, und deren Volumen bei 0-30 K über der Schmelztemperatur der Sinterkomponente innerhalb von 2-5 min unter Beibehaltung ihres Separatzustandes auf Vw-¹/20 geschrumpft wird, und die in der dritten Verfahrensstufe bei der gleichen Fluidisierungsgeschwindigkeit bei einer Temperatur von mindestens 10-20 K unter der Erweichungstemperatur innerhalb von 1-5min rieselfähig konditioniert werden.

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochporösen körnigen Verbundträgermaterials für biotechnologische Prozesse, z. B. zur Ansiedlung von Mikroorganismen, das sich sehr vorteilhaft bei allen biotechnologischen Verfahren einsetzen läßt, bei denen Mikroorganismen im Reaktionsraum zurückgehalten und konzentriert werden sollen.

   Das Verbundträgermaterial ist besonders für Verfahren mit hoher hydraulischer Turbulenz geeignet (z. B. Aufstromverfahren, Abstromverfahren, in Schlaufenreaktoren, in Filtern, zur Abwasserreinigung) sowie für Verfahren, bei denen Mikroorganismen für spezielle Stoffwandlungen oder Produktsynthesen immobilisiert werden müssen.