DE19531801A1

DE19531801A1 - Poröses Trägermaterial für die mikrobiologische Technik und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19531801A1
Application number: DE1995131801
Authority: DE
Inventors: Hans Beer; Manfred Luebke; Armin Rahmig; Wolfgang Dr Schoeps
Original assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: DE19531801C2

Description

Die Erfindung betrifft ein poröses Trägermaterial in Granulatform für die mikrobiologische Technik zur Immobilisierung von Mikroorganismen, die beispielsweise bei der Abwasserrei nigung wirksam werden sollen. Die Erfindung betrifft zugleich ein Verfahren zur Herstel lung eines solchen Trägermaterial-Granulats.

Es sind eine ganze Anzahl poröser Trägermaterialien für diesen Zweck sowie Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt:

Hochporöse Glaskörper werden unter Ausnutzung von Entmischungsprozessen im schmelz flüssig hergestellten Glassystem Na₂O-B₂O₃-SiO₂ hergestellt. Nach der Formgebung in ei ner aus der Glasherstellung allgemein bekannten Weise werden in einer anschließenden spe ziellen Wärmebehandlung Entmischungsvorgänge im Grundglas hervorgerufen. Die entste henden Alkaliborate werden in einem mehrstufigen Extraktionsprozeß herausgelöst, so daß ein hochporöses Glas mit einer Porosität von mindestens 40% und einem Porendurchmesser von 10 bis 120 nm zurückbleibt (Mitteilungsblatt der Ilmenauer Glaswerke GmbH). Dieses Glas kann als Träger für Enzyme und für Bakterienkulturen dienen. Für letztere ist es nur bedingt geeignet, da es trotz des sehr breiten Streubereiches des Porendurchmessers zwar in der Regel für Viren geeignet, für die meisten Bakterientypen mit Abmessungen bis 10 000, in Extremfällen bis 50 000 nm, jedoch zu feinporig ist.

Ebenfalls Entmischungsvorgänge werden zu Herstellung eines anderen porösen Glases ge nutzt, dessen Porenabmessungen zwischen wenigen und vielen hundert Nanometer liegen und sich auf eine weitgehend einheitliche Größe einstellen lassen (Firmendruckschrift SCHOTTinformation Nr. 53/90). Die Anwendungsgebiete dieses Erzeugnisses liegen wegen seiner Porengröße naturgemäß mehr auf den Gebieten der Chromatographie und der Ultra filtration (Trennung von Molekülen unterschiedlicher Größe) als auf dem Gebiet der mikro biologischen Technik.

Weiterhin ist ein kugelförmiges Granulat aus Sinterglas mit Durchmessern zwischen 0,4 und 6 mm, einem definiertem Porenvolumen bis zu 60% und bei der Herstellung einstellbaren Porendurchmessern zwischen 60 und 400 µm bekannt, das sich wegen dieser Porenabmes sungen gut für die Abwassertechnik und andere mikrobiologische Verfahren eignet, wenn auch ein höheres Porenvolumen im Interesse höherer Reaktionsumsätze erwünscht wäre. Die Herstellung erfolgt derart, daß ein Gemisch von Glaspulver und Salzkörnern gemischt, ge formt und gesintert wird, wobei der Schmelzpunkt des Salzes deutlich über demjenigen des Glases liegen muß. Das Salz wird anschließend durch Wasser herausgelöst (DE-PS 33 05 854). Nachteilig ist hierbei der durch das relativ umständliche Herstellungsverfahren be dingte hohe Preis des Erzeugnisses.

Zur Immobilisierung von Mikroorganismen finden auch schalenartig aufgebaute Träger Ver wendung. Das katalytisch aktive Material wird hierbei in einer hochporösen anorganischen Trägerschicht immobilisiert, die um einen dichten, inerten Grundkörper herum angeordnet ist. Eine formselektive Deckschicht verhindert die Freisetzung der Mikroorganismen bei gleichzeitigem Schutz derselben vor Kontamination. Sie erlaubt jedoch den freien Austausch von Substraten und Stoffwechselprodukten (Prof. Dr. Tiltscher im Mitteilungsblatt der Tech nischen Universität München 1994). Der technische Aufwand ist bei dieser technischen Lö sung gleichfalls recht hoch.

Zum Immobilisieren von Mikroorganismen bei der aeroben Abwasserbehandlung wird schließlich eine Schaumkeramik in Zylinderform mit beispielsweise 9 cm Durchmesser ein gesetzt. Die herstellbare Porengröße liegt im Bereich von 0,5 mm bis zu einigen Millimetern (T. Mizrah, J. -P. Gabathuler, L. Gauckler, A. Baiker, L. Padeste, H. P. Meyer, Fort schrittsberichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft 4(1989)2). Diese Schaumkeramik besitzt zwar eine hohe offene Porosität von 80 . . . 85%, kann aber nicht in Granulatform als Schüttgut hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein preisgünstig herstellbares, biokompatibles Granulat mit einem großen Anteil an offener Porosität mit möglichst wenig streuendem, aber fertigungstechnisch in weiten Grenzen einstellbarem Porendurchmesser im µm-Bereich zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung erfüllt.

Die offene Porosität des erfindungsgemäßen Trägermaterials erreicht 60 . . . 80%, wobei mindestens zwei Drittel derselben im technisch interessanten Bereich über 7,5 µm Porenra dius liegen. Das Material ist biokompatibel; die Materialdichte liegt bei 0,55 g/cm³.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. 58,46 Masse% Glaspulver mit einer mittleren Körnung von d₅₀ = 21 µm, 18,46 Masse% einer ge sättigten alkalisch-wäßrigen Lösung von Kaliumethylsiliconat und 23,08 Masse% Wachsku geln einer Körnung von 600 bis 1000 µm werden in einem Eirichgranulator zu einer Korngröße von 1 . . . 4 mm granuliert und danach mit Glaspulver und Bentonit gepudert, um die Bildung größerer Granalien zu verhindern. Obwohl schon bei Raumtemperatur ein Vor härten durch die Ausbildung chemischer Bindungen unter Beteiligung des Kaliummethylsili conats einsetzt, erfolgt die gezielte Vorhärtung bei 120°C. Danach erfolgt das Abtrennen des porenbildenden Wachses in kochendem Wasser und das endgültige Aushärten bei 600°C über 180 Minuten, wobei das Aufheizen mit 6 grd/min erfolgt. Erhalten wird ein Granulat mit einer offenen Porosität von 65% und einer mittleren Porenverteilung von d₅₀ = 40 µm.

Claims

1. Poröses Trägermaterial für die mikrobiologische Technik in Form eines hauptsächlich aus Glas bestehenden Granulats, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat mit einer Granulat größe von 0,4 bis 6 mm aus silicatisch gebundenem Glaspulver besteht und eine offene Poro sität von über 60% aufweist, wobei mindestens 60% des offenen Porenvolumens aus Poren mit einem Porenradius über 7,5 µm besteht.

2. Verfahren zur Herstellung eines Trägermaterials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß

- Glaspulver, eine siliziumorganische Verbindung sowie Kügelchen eines wachsartigen Stof fes als Porenbildner gemischt,
- das Gemisch granuliert,
- das Granulat im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 150°C vorgehärtet,
- das Wachs ausgeschmolzen und
- das Granulat bei einer Temperatur deutlich über der Vorhärtetemperatur ausgehärtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die siliziumorganische Verbin dung Kaliummethylsiliconat ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zu granulierende Gemisch aus

-5 . . . 20 Masse% einer gesättigten alkalisch-wäßrigen Lösung von Kaliummethylsiliconat,
-30 . . . 60 Masse% Glaspulver und
-20 . . . 60 Masse% Wachskügelchen als Porenbildner besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorhärten bei 80 . . . 150°C erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten bei 600 . . . 800°C erfolgt.