DE10207708A1

DE10207708A1 - Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper mittels Mikroorganismen und Enzymen

Info

Publication number: DE10207708A1
Application number: DE2002107708
Authority: DE
Inventors: C G Aneziris; Michael Schloemann; Dieter Melzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung von keramischen Formkörpern mittels einer biologischen Keramikbearbeitung und/oder biologischen Keramikstrukturierung. Mikroorganismen oder Enzyme werden als biologische Makro-, Mikro- oder Nanobohrer oder Makro-, Mikro oder Nanofräser bei der keramischen Grün- und Weißbearbeitung eingesetzt. Zusätzlich unterstützen chemisch angreifende Mikroorganismen eine keramische Endbearbeitung und/oder Strukturierung.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von keramischen Formkörpern aus natürlichen und/oder synthetischen keramischen Rohstoffen. Erfindungsgemäß werden den keramischen Rohstoffen organische Substrate für Mikroorganismen oder Enzyme zugegeben und/oder zugemischt. Hierbei und im Folgenden bezieht sich der Begriff "Substrat" immer auf das Wachstumssubstrat, also die Nahrungsquelle (Speise), der Mikroorganismen oder auf die von den Enzymen umgesetzten organischen Verbindungen. Mittels konventionellen keramischen Aufbereitungsverfahren und Formgebungsverfahren werden keramikhaltige Formkörper hergestellt. Zusätzlich können Formkörper auf der Basis von organischen Substraten für Mikroorganismen oder Enzymen mit keramischen Schlickern beschichtet und/oder in keramischen Schlickern imprägniert werden. Bei Raumtemperatur und/oder nach speziellen Wärmebehandlungen werden Mikroorganismen und/oder Enzyme eingesetzt, die sich mit den speisehaltigen Stoffen und/oder speisehaltigen Produkten ernähren und/oder umwandeln und zu einer Volumenstrukturierung und/oder Oberflächenstrukturierung und/oder Porenbildung und/oder Kanalbildung und/oder keramischen Bearbeitung der keramikbasierenden Formkörper führen. Die keramische Formkörper werden nach der biologischen Bearbeitung und/oder der biologischen Strukturierung gebrannt und/oder thermisch weiterbehandelt und abschließend kann eine mechanische Bearbeitung der keramischen Formkörper folgen.
In der internationalen Literatur gibt es keinen bekannten Beitrag, der sich im direkten Zusammenhang mit dem Einsatz von Mikroorganismen oder Enzymen in der keramischen Verfahrenstechnik und insbesondere bei der Keramikbearbeitung auseinandersetzt. Keramische Substrate oder keramische und/oder glashaltige Kugelstrukturen werden für die Immobilisierung von Biokatalysatoren zur Effizienzsteigerung und Handhabungsvereinfachung von Bioprozessen eingesetzt (Büchs J., "Immobilisierung von aeroben Mikroorganismen an Glassintermaterial am Beispiel der L-Leucin-Produktion mit Corynebacterium glutamicum", Berichte der Kernforschungsanlage Jülich Nr. 2251, ISSN 0366-0885, Dez. 1988).
Enzyme und Mikroorganismen können Gelierungsprozesse unterstützen und erste Versuche wurden beim so genannten Gel-Casting unternommen (Olhero S. M., Tari G., Coimbra M. A., Ferreira J. M. F., "Synergy of polysaccharide mixtures in gelcasting of alumina", J. Eur. Ceram. Soc., Vol. 20 (4) (2000) pp. 423-42 und Xie Z.-P., Chen Y.-L, Huang Y., "A novel casting forming for ceramics by gelatine and enzyme catalysis", J. Eur. Ceram. Soc, Vol. 20 (3) (2000) pp. 253-257.) Der bekannteste verfahrensrelevante Einsatz von Mikroorganismen ist aus der Wassermetallurgie bei der Extraktion von Kupfer bekannt. Eine weitere Anwendung ist die Neutralisierung von toxischen Abwässern mittels Mikroorganismen.
In den amerikanischen Patenten 585238 "Process for preparing functional ceramics" vom 1996 und 263461 "Functional ceramics" vom 1994 werden den keramischen Rohstoffen direkt Mikroorganismen zugegeben und das Gemisch aus Mikroorganismen und keramischem Pulver kalziniert (spezielle Wärmebehandlung). Beide Patentschriften unterscheiden sich eindeutig von der beiliegenden Erfindung. In der beiliegenden Erfindung wird kein Gemisch aus keramischem Pulver und Mikroorganismen kalziniert.
In der beiliegenden Erfindung werden die Mikroorganismen als Mikro- oder Makrobohrer oder Mikro- oder Makrofräser eingesetzt. Das bedeutet, das biologische System wird für eine Grün- und/oder Weiß- und/oder Endbearbeitung der keramikhaltigen Formkörper aktiv lebend und/oder als lebensfähige Überdauerungsform und/oder Verbreitungsform eingesetzt.
Erfindungsgemäß können Mikroorganismen, von diesen gebildete Exoenzyme oder zugesetzte Enzyme als Makro- und/oder Mikro- und/oder Nano-Bohrer oder -Fräser eingesetzt werden.
Die eingesetzten Mikroorganismen oder Enzyme werden für die Herstellung von porösen keramischen Strukturen eingesetzt. Keramische poröse Strukturen in Form von Membranen oder Filtern werden heute in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Keramische Membranen für die Mikrofiltration (Porengrößen > ca. 0,1 µm) sind seit den 60er Jahren bekannt. Ihre Herstellung erfolgt über den Folienguss oder über einfache Beschichtungsprozesse. Die feinkörnigen Ausgangspulver werden mittels des Sol-Gel-Prozesses erzeugt. Diese hergestellten Membranen werden an porösen keramischen Trägermaterialien aufgebracht, um die mechanischen Festigkeiten des Werkstoffverbunds zu verbessern. Neben Flachträgern mit Durchmessern von 0,3 bis 15 cm finden ca. 1 m lange über Extrudieren oder neuerdings Zentrifugieren hergestellte Rohre (Monokanalelemente) Einsatz. Zur Erzielung einer möglichst großen Oberfläche werden sogenannte Wabenkörper (Multikanalelemente) mittels der Extrusion hergestellt.
Andere Entwicklungen befassen sich mit keramischen Schichten mit einer kontinuierlich gradierten Porenstruktur oder kegelförmigen Poren. Insbesondere werden diese gradierten Schichten interessant für Anwendungen als Katalysatorträger oder als Träger von Sensor- oder Biokomponenten, da kegelförmige Poren ein verändertes Adsorptions- und Desorptionsverhalten aufweisen können.
Alle diese Strukturen und Formkörper können erfindungsgemäß mit dem Einsatz von Mikroorganismen und/oder Enzymen hergestellt werden.
Bei der Herstellung von Filtern für die Metallfiltration werden Kunststoffschäume als Trägerstrukturen mit keramischen Schlickern beschichtet. Erfindungsgemäß kann statt des Kunststoffschaums eine Trägerstruktur auf Basis von Stärke und/oder Cellulose und/oder Chitin und/oder Pektin und/oder Proteinen und/oder Zuckern und/oder organischen Säuren und/oder Aromaten und/oder Aminosäuren und/oder Alkoholen in den keramischen Schlickern getaucht und/oder mit keramischen Schlickern beschichtet werden. Die Mikroorganismen und/oder die Enzymen entfernen erfindungsgemäß die Trägerstruktur umweltschonend. Das Ausbrennen von kunststoffhaltigen Trägerstrukturen entfällt.
In letzten Forschungsarbeiten werden für die Herstellung von Kanälen mit einem Durchmesser von ca. 20 µm poröse Skelett-Strukturen auf Holz-Basis eingesetzt. Natürlich gewachsene Holzmaterialien werden dabei unter Ausnutzung ihrer mikrostrukturellen Eigenschaften verfahrentechnisch zur Herstellung von Keramiken hoher Festigkeit verarbeitet. Das Holz wird zunächst getrocknet und danach bei hoher Temperatur unter Vakuum pyrolysiert, wobei ein bioorganisches Kohlenstoff-Template von im wesentlichen gleicher Mikrostruktur wie das des originalen Materials entsteht. Das Kohlenstoff-Template kann dann erfindungsgemäß mittels der Mikroorganismen und/oder Enzymen weiter strukturiert werden. Das Template wird danach durch Siliziumgas oder eine Siliziumschmelze infiltriert und aus der Reaktion des Kohlenstoffs mit dem Silizium entsteht eine Siliziumkarbidstruktur.
Die Erfindung betrifft den Einsatz von Mikroorganismen und/oder von Enzymen als biologische Makro-, Mikro- oder Nanobohrer oder Makro-, Mikro- oder Nanofräser bei der keramischen Grün- und Weißbearbeitung und/oder nach Pyrolyseprozessen. Erfindungsgemäß führt der Einsatz des biologischen Systems (Mikroorganismen und/oder Enzyme) zu einer gezielten, selektiven und filigranen biologischen Keramikbearbeitung in Zusammenhang mit speziellen Substrat- und Umgebungssystemen. Erfindungsgemäß werden Strategien für die Verfolgung einer bevorzugten Bearbeitungstrecke (von den Mikroorganismen), z. B. mit einer elektrischen Anregung oder mit einer örtlich gezielten Sauerstoffanreicherung vorgeschlagen.
Für die Herstellung von Keramik/Speise-Strukturbauweisen und/oder Formkörpern stehen vom Aufbereitungsprinzip zwei unterschiedliche Verfahrenstechniken zu Verfügung:

1. Gemischte Pulversysteme, z. B. mittels
- - Schlickerherstellung aus keramischem Pulver und organischem Substrat begleitet von einem ideal keramisch/biologischen Verflüssigungssystem oder
- - Herstellung einer Knetmasse aus keramischem Pulver und organischem Substart für Strangpresserzeugnisse mittels Extrusion oder
- - Granulatherstellung aus keramischem Pulver und organischem Substrat für Presslinge.
2. "Beschichtete Strukturen" im weitesten Sinne, z. B. mittels
- - Imprägnieren von fertigen Substratstrukturen in einem keramischen Schlicker oder
- - Koextrusion einer reinen keramischen und einer substrathaligen Masse oder
- - keramische Beschichtung mittels Sprühpistole einer fertigen Substratstruktur oder
- - Beschichtung von Keramikgranulaten mit einer substrathaltigen Suspension oder Masse.

Dabei kann die speiseartige Suspension oder Masse nur aus reinem Substrat oder auch aus Substrat und nicht umsetzbaren Bindern bestehen, die zu einer gewünschten Ver- oder Befestigung z. B. von Granulaten beitragen sollen.
Ein weiterer Schwerpunkt der Erfindung liegt beim Einsatz von Mikroorganismen und Enzymen an pyrolisierten und weißgebrannten Proben, die nach speziellen Wärmebehandlungen gezielt bestimmte Speise-Systeme beinhalten.
Eine Art Finishing und/oder Endbearbeitung der fertiggebrannten Keramik mit z. B. chemischangreifenden Mikroorganismen stellt ein weiteres Bearbeitungspotential dar. Der chemische Angriff kann selbst zu einer biologischen Endbearbeitung/Strukturierung führen oder kann eine mechanische konventionelle Bearbeitung unterstützen (siehe z. B. örtlicher Säureangriff bei der Zahnheilkunde). Das Substrat kann auf die gebrannten Keramikoberflächen mittels Sprühen oder Imprägnierens aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß werden zur Erleichterung des Zugänglichkeit des organischen Substrates für die Mikroorganismen oder Enzyme auch Hybridwege dergestalt verfolgt, dass grobe Kanäle mit konventionellen Methoden gefertigt werden und die Mikroorganismen bzw. Enzyme nur die feinen Kanäle schaffen.
Um Porosität zu erreichen, können erfindungsgemäß die Mikroorganismen oder Enzyme mit den bereits gefertigten keramischen Vorerzeugnissen zusammen gebracht werden, oder aber es können Mikroorganismen bereits während der Aufbereitungsphase im nicht aktiven Zustand zugesetzt werden, wobei in diesem Fall anschließend durch Nährstoffverfügbarkeit eine Aktivierung erfolgt.
Als Mikroorganismen werden erfindungsgemäß aerobe, heterotrophe und/oder gärende, Alkohole und/oder organische Säuren bildende Bakterien und/oder Pilze und/oder Hefen zugesetzt. Weiterhin können als Mikroorganismen Überdauerungsformen und/oder Verbreitungsformen der Mikroorganismen und/oder xerotolerante und/oder xerophile Bakterien und/oder Pilze zugesetzt werden. Zu den eingesetzten Mikroorganismen zählen erfindungsgemäß insbesondere Stämme der Gattungen Pseudomonas und/oder Ralstonia und/oder Burkholderia und/oder Bacillus und/oder Clostridium und/oder Streptomyces und/oder Rhodococcus und/oder Nocardia und/oder Brevibacillus und/oder Corynebacterium und/oder Cytophaga und/oder Aspergillus und/oder Penicillium und/oder Arthrobotrys und/oder Chrysosporium und/oder Xerocomus und/oder Rhizopus und als Enzyme Cellulase und/oder Chitinase und/oder Pectinase und/oder Amylase und/oder Collagenase und/oder Proteinase.
Erfindungsgemäß werden durch die Einführung von Mikroorganismen und Enzymen die - mit konventioneller Technik - häufig unüberwindbaren Limitierungsgrenzen erweitert. Die Erfindung führt zu wirtschaftlich konkurrenzfähigen und spannungsarmen Bearbeitungsmethoden. Bei Prozessen mit konventioneller Technik sind Eigenspannungen nach der Bearbeitung unvermeidbar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass den keramischen Rohstoffen organische Substrate für Mikroorganismen oder Enzyme zugegeben und/oder zugemischt werden und mittels konventionellen keramischen Aufbereitungsverfahren und Formgebungsverfahren Formkörper hergestellt werden oder Formkörper auf der Basis von organischen Substraten für Mikroorganismen oder Enzyme mit keramischen Schlickern beschichtet und/oder in keramischen Schlickern imprägniert werden und bei Raumtemperatur und/oder nach speziellen Wärmebehandlungen Mikroorganismen und/oder Enzyme eingesetzt werden, die sich von den organischen Substraten und/oder gebildeten Produkten ernähren und/oder sie umwandeln und zu einer Volumenstrukturierung und/oder Oberflächenstrukturierung und/oder Porenbildung und/oder Kanalbildung und/oder keramischen Bearbeitung der keramischen Formkörper führen, und die keramischen Formkörper nach der biologischen Bearbeitung und/oder der biologischen Strukturierung gebrannt und/oder thermisch weiterbehandelt und/oder mechanisch weiterbearbeitet werden.

2. Nach Anspruch 1 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Rohstoffen mit den organischen Substraten der Mikroorganismen und/oder Enzyme mittels Schlickergussverfahren und/oder Knetverfahren und/oder Herstellung von Granulaten mittels Aufbaugranulation und/oder Sprühgranulation und/oder Wirbelschichtgranulation aufbereitet werden.

3. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die keramikhaltigen Formkörper mittels Schlickergussverfahren und/oder Pressverfahren und/oder Strangpressverfahren und/oder Beschichtungsverfahren hergestellt werden.

4. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass herkömmliche, keramische Urformgebungsverfahren etwa zur Herstellung von größeren Kanälen mit biologischer und/oder enzymatischer Behandlung etwa zur Herstellung kleinerer Kanäle kombiniert werden.

5. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen und/oder ihre Überdauerungs- und/oder Verbreitungsstadien den keramischen Bestandteilen bereits vor der Formgebung und/oder nach der Formgebung zugesetzt werden.

6. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroorganismen aerobe, heterotrophe und/oder gärende, Alkohole und/oder organische Säuren bildende Bakterien und/oder Pilze und/oder Hefen zugesetzt werden.

7. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroorganismen Überdauerungsformen und/oder Verbreitungsformen der Mikroorganismen und/oder xerotolerante und/oder xerophile Bakterien und/oder Pilze zugesetzt werden.

8. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroorganismen Stämme der Gattungen Pseudomonas und/oder Ralstonia und/oder Burkholderia und/oder Bacillus und/oder Clostridium und/oder Streptomyces und/oder Rhodococcus und/oder Nocardia und/oder Brevibacillus und/oder Corynebacterium und/oder Cytophaga und/oder Aspergillus und/oder Penicillium und/oder Arthrobotrys und/oder Chrysosporium und/oder Xerocomus und/oder Rhizopus und als Enzyme Cellulase und/oder Chitinase und/oder Pectinase und/oder Amylase und/oder Collagenase und/oder Proteinase zugesetzt werden.

9. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Mikroorganismen und/oder deren Produkte und/oder Enzyme zur Entbinderung von spritzgegossenen und/oder warmgepressten keramischen Erzeugnissen eingesetzt werden.

10. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass bei Giessverfahren oder Pressverfahren oder Strangpressverfahren speisehaltige für die Mikroorganismen und/oder Enzyme Trennschichten zwischen der Form oder dem Werkzeug und zwischen der keramischen Masse oder dem keramischen Scherben aufgebracht werden, die in Kombination mit dem Einsatz von Mikroorganismen und/oder Enzymen die Entformung und/oder das Formen der keramischen Formkörper unterstützen.

11. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen und/oder die Enzyme anhand von elektrischen Anregungen und/oder einer gezielten Sauerstoffführung vorbestimmte Bearbeitungsstrecken im und/oder am keramischen Formkörper bevorzugen.

12. Nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus synthetischen und/oder natürlichen keramischen Rohstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass Mikroorganismen nach dem Brand der keramischen Formkörper herangezogen werden und die keramischen Oberflächen und/oder die keramischen Wände von Kanälen chemisch angreifen und zu einer biologischen Endbearbeitung und/oder Strukturierung führen und/oder eine mechanische konventionelle Bearbeitung unterstützen.