DE10062119C1 - Füllkörper für biotechnologische Anwendungen - Google Patents

Abstract

Poröse, abreinigbare, stabile Füllkörper aus Kunststoff mit einer offenporig rissigen Oberfläche für biotechnologische Anwendungen, insbesondere für die Abluftreinigung, wobei sie mittels Extrusion und teilweisem Aufschäumen gebildete Mischkörper aus Kunststoff und einem Granulat einer holzähnlichen Biomasse, insbesondere Holzspänen, sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Füllkörper für biotechnologische Anwendungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, auf ein Verfahren zur Herstellung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und auf eine Verwendung mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 9.

Der Einsatz von Füllkörpern bzw. Trägermaterialien in Bioverfahren ist in der Fachliteratur hinreichend beschrieben. Füllkörper bzw. Trägermaterialien haben in Bioverfahren die Auf­ gabe, Mikroorganismen im Sinne einer möglichst hohen Raum-Zeit-Ausbeute zu immobilisie­ ren. Derartige Füllkörper müssen also von Mikroorganismen leicht besiedelbar sein, sie sollten eine ausreichende Ansiedlungsfläche haben und weiterhin eine ausreichende Festig­ keit, insbesondere Abriebfestigkeit, aufweisen.

In der biologischen Abluftreinigung gebräuchliche Trägermaterialien sind beispielsweise Schaumglas, Blähton, Wurzelholz-Kompost oder offenzelliger PU-Schaum. Geringe bis kei­ ne Verwendung in der biologischen Abluftreinigung finden trotz guter Besiedelungseigen­ schaften gesinterte Glasfüllkörper, vor allem in Folge ihrer hohen Kosten.

Die Abriebfestigkeit der Füllkörper ist ein wichtiges Kriterium, besonders im Fall von Biore­ aktoren mit bewegter Füllkörperschüttung, welche bei der biologischen Abluftreinigung ver­ stärkt zur Anwendung kommen. Porige Füllkörper aus Schaumglas, gesinterte Glaskörper oder PU-Schaum sind für diese Reaktorkonzepte gänzlich ungeeignet, da die porige Ober­ flächenstruktur der Füllkörper bei einer Abreinigung zerstört wird. Es besteht folglich ein Be­ darf an einem Trägermaterial, welches diesen gravierenden Nachteil nicht aufweist.

In der DE 19 43 848 A werden Füllkörper aus Kunststoff für Tropfkörper in biologischen Kläranlagen beschrieben, die als Voll- oder Hohlkörper in jeder beliebigen Form ausgebildet sind und aus geschäumten oder ungeschäumten Kunststoffen bestehen, deren geschlosse­ ne Poren bzw. deren Zellhaut an ihren Oberflächen durch mechanische Bearbeitung, z. B. durch Fräsen, Raspeln oder Schleifen oder durch chemische oder sonstige Zusätze und Behandlungen aufgerissen und aufgeraut sind. Weiterhin können die Füllkörper zur Erhö­ hung der Druckfestigkeit Verstärkungen aus anderen Materialien enthalten, z. B. Tragske­ lette aus geeigneten anderen Kunststoffen oder Beimengungen geeigneter Faserstoffe oder sonstiger Materialien.

Moderne Kunststoffe können heute als druckfest angesehen werden, so dass sie hier den Anforderungen einer biotechnologischen Anwendung in der Regel genügen und von einer Verstärkung durch Zugabe von Fasern, wie in der DE 19 43 848 A beschrieben, meist abge­ sehen wird. Ein gravierender Nachteil dieser porigen Kunststofffüllkörper liegt in den hydro­ phoben Oberflächeneigenschaften der verwendeten Kunststoffe. Dadurch werden die Chan­ cen einer raschen Besiedelung durch Mikroorganismen und letztlich die Ausbildung aktiver Biofilme wesentlich verringert.

In der EP 0 685 432 B1 ist ein schwimmfähiges, verwirbelbares Trägermaterial für biotech­ nologische Prozesse vorgeschlagen worden, bei welchem das aus polymeren Stoffen be­ stehende Trägermaterial unter Zusatz von, gegebenenfalls, organischen Stoffen als Treib­ mittel in einem Extruder geformt und dabei ein geschlossenzelliger Schaumkern mit feinpo­ riger Zellstruktur und einer strukturierten Oberfläche gebildet wird. Das Trägermaterial soll dabei insbesondere schwimmfähig sein, um auch im bewachsenen Zustand noch schwim­ men zu können, weshalb der geschlossenzellige Kernaufbau erforderlich ist. Das zugesetz­ te, ggf. organische Material ist ein fein verteiltes Pulver, beispielsweise Bicarbonat mit Zitro­ nensäure, das ausschließlich als Treibmittel dient. Das resultierende Trägermaterial ist je­ doch ebenfalls auf Grund seines Aufbaus und insbesondere auf Grund seiner hydrophoben Oberfläche für eine rasche Besiedelung durch Mikroorganismen ungeeignet.

In der US 5 595 893 sind darüber hinaus auch bereits Füllkörper aus nicht geschäumtem Kunststoff, speziell für Fermentationsprozesse, vorgeschlagen worden, denen Auszüge aus Pflanzenmaterial beigefügt wurde, welche als Nährboden bzw. Nährmittel zur Verstärkung des Wachstums der Mikroorganismen auf den Füllkörpern dienen sollen. Dadurch kann sich zwar in der Regel ein rascher Bewuchs der Füllkörper einstellen, bei einem Einsatz des Trä­ germaterials beispielsweise in der biologischen Abluftreinigung bauen die Mikroorganismen jedoch hauptsächlich das leicht abbaubare Trägermaterial selbst, die Schadstoffe jedoch nur in geringem Umfang ab. Diese nach dem Stand der Technik vorgeschlagenen Füllkörper sind somit für biologische Reinigungsverfahren, insbesondere für die Abluftreinigung, nur sehr eingeschränkt geeignet.

Bioverfahrenstechnisch gesehen bedeuten hydrophobe Füllkörperoberflächen letztlich im­ mer, dass sich die geforderten Raum-Zeit-Ausbeuten - wenn überhaupt - nur mit großem zeitlichen Verzug einstellen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Füllkörper aus Kunststoff mit optimalen Oberflächeneigenschaften bzw. eine für den mikrobiellen Bewuchs optimale Oberflächen­ struktur zu schaffen, wobei es gilt, sowohl die rasche Ansiedlung von Mikroorganismen zu begünstigen, als auch die lang andauernde Funktion der Füllstoffgeometrie und der hydrophilen Eigenschaften der Füllstoffoberfläche zu gewährleisten, wobei eine einfache und kostengünstige Herstellung ein weiteres wichtiges Ziel ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Füllkörper durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1, für ein Herstellungsverfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 und für eine Verwendung durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst.

Die erfindungsgemäße Beimischung einer holzähnlichen, organischen Füllstoffkomponente unterscheidet sich somit gravierend von der Zufügung eines aus Pflanzen gewonnenen or­ ganischen Polymers, das zu Nährzwecken in die Kunststoffmasse mit eingebracht worden ist, wie dies bei der genannten US 5 595 893 der Fall ist, oder eine Verstärkung des Kunst­ stofffüllkörpers durch Beimengung geeigneter Faserstoffe, wie in der DE 19 43 848 A vorge­ schlagen:
Zwar können erfindungsgemäß beispielsweise die Holzspäne auf Grund ihrer natürlichen Inhaltsstoffe je nach Mineralisierungsgrad für die Mikroorganismen noch eine mögliche zu­ sätzliche Nährstofffunktion (z. B. Versorgung mit Mineralsalzen und Spurenelementen) ha­ ben, dies ist erfindungsgemäß jedoch höchstens ein Nebeneffekt. Im Vordergrund steht bei der vorliegenden Erfindung jedoch die sich ergebende Mischstruktur aus Kunststoff und holzähnlichen Materialien, die eine besonders gut besiedelbare Oberflächen-Struktur bzw. Eigenschaften bei günstigen Herstellungskosten ergibt.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Füllkörper ist vorgesehen, dass ein Kunststoffgra­ nulat oder Kunststoffpulver mit der granulierten holzähnlichen Biomasse gemischt und mit­ tels Extrusion unter Verwendung eines geeigneten Treibmittels so verarbeitet wird, dass sich eine raue, rissig porige Füllkörperoberfläche bildet. Die holzähnliche Biomasse kann dabei in einem Gewichtsanteil von 5%-90%, vorzugsweise 30%-70% zugemischt werden, wobei der Mischung neben einem Haftvermittler zur besseren Bindung des Kunststoffes an die Holzspäne auch ein zusätzliches Treibmittel eingesetzt werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung kann aber auf ein derartiges, zusätzliches Treibmittel ver­ zichtet werden, indem die holzähnliche Biomasse in feuchtem, also nicht getrocknetem Zu­ stand beigemischt wird, derart, dass die in der Biomasse enthaltene Restfeuchte beim Extrudieren als Treibmittel wirkt.

Anstelle von Holzspänen können auch grobe Holzmehle, Kernmehle, Naturfaserprodukte wie Flachs, Grasfasern oder dergleichen verwendet werden, wobei es aber wiederum we­ sentlich ist, dass solche holzähnliche Biomassen in Form eines Granulats und nicht nur in Form ihrer extrahierten Inhaltsstoffe verarbeitet werden, wie dies bei der bereits genannten US-Patentschrift der Fall ist, bei der ja diese Stoffe ausschließlich als Nährstoffe für die Mik­ roorganismen zugesetzt werden.

Claims (9)

1. Füllkörper für biotechnologische Anwendungen mit einer rauen, offenporig rissigen Oberfläche, wobei der Füllkörper gebildet ist als Mischkörper aus einem extrudierten und teilweise aufgeschäumten Kunststoff und einer granulierten holzähnlichen Biomasse.

2. Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe PVC, Polyolefine, Polyamide oder Blends aus Polyolefinen mit Polyamiden.

3. Füllkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die granulierte, holzähnliche Biomasse zu einem Gewichtsanteil von 5-90%, vorzugsweise zu 30-70%, in dem Mischkörper enthalten ist.

4. Füllkörper nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gra­ nulierte, holzähnliche Biomasse ausgewählt ist aus der Gruppe Gras, Flachs, Kern­ mehle, Schäben, Holzspäne, Holzmehle.

5. Füllkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Füll­ körper als Voll- oder Hohlzylinder ausgebildet ist.

6. Verfahren zur Herstellung von Füllkörpern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem durch Extrusion einer Mischung, enthaltend zumindest ein Kunststoffgranulat oder ein Kunststoffpulver, eine granulierte, holzähnliche Biomasse und ein Treibmittel, eine raue, offenporig rissige Oberfläche erzeugt wird

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der granulierten holzähn­ lichen Biomasse enthaltende Restfeuchte als Treibmittel eingesetzt wird

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung ein Haftvermittler zugefügt wird.

9. Verwendung der Füllkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur biologischen Abluft­ reinigung.