DE4028312C2

DE4028312C2 -

Info

Publication number: DE4028312C2
Application number: DE19904028312
Authority: DE
Inventors: Wolf-Ruediger Dr.-Ing. 7000 Stuttgart De Mueller; Axel Dipl.-Agr.-Biol. 7022 Leinfelden-Echterdingen De Heinemann; Markus Dr.Rer.Nat. 7000 Stuttgart De Biehler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-06
Filing date: 1990-09-06
Publication date: 1993-05-19
Also published as: DE4028312A1

Description

Die Erfindung betrifft den in den Ansprüchen 1 bis 11 angegebenen Biokatalysator zur Denitrifizierung von Wasser, bei dem Denitrifikanten mit einem nicht herauslösbaren Substrat in einer Alginat oder Carrageenane enthaltenen Matrix immobilisiert sind.The invention relates to the biocatalyst specified in claims 1 to 11 Denitrification of water, where the denitrifiers with a non-removable substrate in an alginate or Carrageenane contained matrix are immobilized.

Zur Aufbereitung von Grundwasser oder Oberflächenwasser (Seenwasser, Talsperrenwasser), insbesondere um es als Trinkwasser oder Aquarienwasser verwenden zu können, ist auch u. a. die Denitrifizierung erforderlich, d. h. die Reduktion von Nitrat. Es ist bekannt, dies mit Bakterien, sog. Denitrifikanten zu erreichen. Dies sind, da sie sowohl Sauerstoff als auch Nitrat veratmen, fakultativ anaerobe Bakterien. Sie benötigen für den Vorgang der Denitrifikation einen Wasserstoffdonator. Die ihnen zur Verfügung zu stellende Kohlenstoffquelle dient ihnen gleichzeitig als Substrat und Wasserstoffdonator (heterotrophe Denitrifikanten). Um derartige Denitrifikanten immer wieder einsetzen zu können, ist es bekannt, sie in Form eines Biokatalysators zu immobilisieren (DE-PS 34 32 923).For the treatment of groundwater or surface water (Lake water, dam water), especially to make it as It is also possible to use drinking water or aquarium water u. a. denitrification required, d. H. the reduction of Nitrate. It is known to do this with bacteria, so-called To reach denitrifiers. These are because they are both Breathe oxygen and nitrate, optionally anaerobic Bacteria. You need for the process of denitrification a hydrogen donor. The one to be made available to them Carbon source serves both as a substrate and Hydrogen donor (heterotrophic denitrifiers). Around to be able to use such denitrifiers again and again, it is known to use them in the form of a biocatalyst immobilize (DE-PS 34 32 923).

Aus der Druckschrift Wat.Sci.Tech., Vol.19, S. 175-182 (1987) ist ein Biokatalysator bekannt, bei dem autotrophe Denitrifikanten, in diesem Fall Thiobacillus denitrificans, mit Schwefel als Substrat in einer Matrix aus Calcium-Alginat co-immobilisiert sind. Die Verwendung von Calcium-Alginat hat aber den Nachteil, daß sich das Calcium in relativ kurzer Zeit aus der Matrix heraus löst und damit die Matrix praktisch zerfällt. Um diesen Nachteil auszugleichen, enthält der bekannte Biokatalysator zur "Stabilisierung" ferner Calciumkarbonat (kohlensaurer Kalk).From Wat.Sci.Tech., Vol. 19, pp. 175-182 (1987) a biocatalyst is known in which autotrophic Denitrificants, in this case Thiobacillus denitrificans, with sulfur as a substrate in a matrix of calcium alginate are co-immobilized. The use of calcium alginate has but the disadvantage is that the calcium changes in a relatively short time detaches from the matrix and thus the matrix is practical disintegrates. To compensate for this disadvantage, the contains known biocatalyst for "stabilization" further Calcium carbonate (carbonated lime).

Der bekannte Biokatalysator hat ferner den insbesondere für die Trinkwasseraufbereitung gravierenden Nachteil, daß - bei Einsatz von Schwefel als Substrat - Sulfat (SO₄^-2) entsteht, für das heute gemäß Trinkwasserverordnung im Trinkwasser ein Grenzwert von 240 mg/l nicht überschritten werden darf. The known biocatalyst also has the serious disadvantage, in particular for drinking water treatment, that - when using sulfur as a substrate - sulfate (SO₄ ^-2 ) is formed, for which a limit value of 240 mg / l in drinking water today must not be exceeded.

Aus der Druckschrift DE-PS 34 10 412 C2 ist die Verwendung von PHB im Fest- oder Schwebebankett als Bewuchsfläche für heterotrophe Mikroorganismen bekannt. Nachteilig daran ist die Gefahr einer Kontamination des Wassers durch die Mikroorganismen.From the publication DE-PS 34 10 412 C2 is the use of PHB in the fixed or floating banquet as a vegetation area for known heterotrophic microorganisms. The disadvantage is that Risk of water contamination from the Microorganisms.

Aus der Druckschrift Biotechnology Letters Vol. 11 No. 10, 753-738 (1989) ist bekannt, Bakterien zum Zwecke der Chitinase-Produktion mit Chitin als Substrat zu co-immobilisieren. Die Immobilisierung fördert in diesem Zusammenhang die Ausbeute durch den Effekt der Unmittelbarkeit, da sich die verwendeten Bakterien (Mikromonospora chalcae) dann in direktem Kontakt zum benötigten Substrat befinden. Das Substrat dient der Induktion der Enzymsynthese, deren Produkt, die Chitinase, anschließend aus dem System Matrix/Substrat/Bakterium ausgeschleust wird. Die Matrix dient dabei als Sieb, das beim Austrag des Produktes das Substrat und die Bakterien zurückhält.From the publication Biotechnology Letters Vol. 11 No. 10, 753-738 (1989) is known to use bacteria for the purpose of Chitinase production with chitin as a substrate too co-immobilize. The immobilization promotes in this The yield is connected by the effect of Immediate as the bacteria used (Mikromonospora chalcae) then in direct contact with the required substrate. The substrate is used for induction the enzyme synthesis, its product, the chitinase, subsequently is removed from the matrix / substrate / bacterium system. The matrix serves as a sieve, which when the Product retains the substrate and the bacteria.

Hinweise für die Denitrifizierung von Wasser werden dadurch jedoch nicht gegeben, da das diese Reaktion induzierende Substrat (Nitrat) von außen kommt.This provides information for the denitrification of water not given, however, since the inducer of this reaction Substrate (nitrate) comes from outside.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Biokatalysator der oben genannten Art bereitzuzstellen, mit dessen Hilfe eine vollständige Denitrifizierung ohne unerwünschte Endprodukte möglich ist, und der hinreichend stabil ist. The object of the invention is a biocatalyst of the above to provide the type mentioned, with the help of which complete denitrification without unwanted end products is possible, and which is sufficiently stable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Denitrifikanten heterotrophe Denitrifikanten und als Substrat Poly-β-hydroxybuttersäure, oder ein diese enthaltendes Gemisch oder Mischpolymerisat eingesetzt wird.This object is achieved in that as Denitrificants heterotrophic denitrifiers and as a substrate Poly-β-hydroxybutyric acid, or a mixture containing it or copolymer is used.

Bei der vorliegenden Erfindung ergibt sich unter Berücksichtigung der folgenden Strukturformel für den Grundbaustein PHBIn the present invention, it follows that Consider the following structural formula for the Basic building block PHB

die folgende Reaktionsgleichungthe following reaction equation

5 C₄H₈O₃ + 18 NO₃⁻ → 9 N₂ + 11 H₂O + 20 CO₂ + 18 OH⁻ (3)5 C₄H₈O₃ + 18 NO₃⁻ → 9 N₂ + 11 H₂O + 20 CO₂ + 18 OH⁻ (3)

und somit eine vollständige Denitrifikation ohne unerwünschte Bestandteile.and thus complete denitrification without unwanted Components.

Ferner ist bei der vorliegenden Erfindung die Beigabe von Calciumcarbonat nicht mehr nötig. Das PHB hat eine die Alginat-Matrix stabilisierende Wirkung, so daß die Instabilität der Matrix, die bisher mit Calciumcarbonat kompensiert werden mußte, bei der Verwendung von PHB als Substrat nicht mehr zu beobachten ist. Es hat sich vielmehr herausgestellt, daß die Verwendung der erfindungsgemäßen Kombination eine höhere Umsatzgeschwindigkeit bei fortwährender Stabilität ergibt (dies schließt natürlich nicht aus, daß im praktischen Einsatz, wenn die PHB durch die Bakterien aufgebraucht ist, ein Austausch des Biokatalysators zu erfolgen hat).Furthermore, in the present invention, the addition of Calcium carbonate is no longer necessary. The PHB has one Alginate matrix stabilizing effect, so that the instability the matrix that was previously compensated with calcium carbonate no longer had to when using PHB as a substrate watch is. Rather, it turned out that the Using the combination according to the invention a higher Sales speed with constant stability results (Of course, this does not exclude that in practical use, when the PHB is used up by the bacteria Replacement of the biocatalyst has to take place).

Die für den erfindungsgemäßen Biokatalysator zu verwendenden Mikroorganismen sind dem Fachmann bekannt und lassen sich auf einfache Weise aus Erdboden, Kompost, Sandfiltern in der Trinkwasseraufbereitung oder aus Belebtschlamm isolieren. Dabei wird üblicherweise derart vorgegangen, daß man das jeweilige Ausgangsmaterial auf ein Minimalmedium züchtet, welches als einzige Kohlenwasserstoffquelle das später verwendete Substrat enthält.Those to be used for the biocatalyst according to the invention Microorganisms are known to the person skilled in the art and can be broken down simple way from soil, compost, sand filters in the Isolate drinking water treatment or from activated sludge. The procedure is usually such that one grows the respective starting material on a minimal medium, which is the only hydrocarbon source that later contains used substrate.

Solche Isolierungs- und Anzuchtsverfahren sind dem Fachmann bekannt. Für den erfindungsgemäßen Biokatalysator können jedoch auch Zellteile oder deren Bestandteile sowie tote Zellen verwendet werden. Sie sollten jedoch noch die Fähigkeit aufweisen, unter Verwendung von entsprechenden Nährsubstraten Stickstoff-Verbindungen umzusetzen. Der erfindungsgemäße Biokatalysator ist nicht auf die Verwendung bestimmter Mikroorganismen festgelegt. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, daß mehrere verschiedene Arten von Mikroorganismen gemeinsam in der Matrix immobilisiert sind. Insbesondere gemeinsam immobilisierte, Ammonium, Nitrat und Nitrit verwertende Bakterien bewirken, wie z. B. Pseudomonas- oder Alcaligenes-Spezies, eine besonders effiziente Entfernung der in Wasser gelösten Stickstoffsalze. Sind im zu reinigenden Wasser keine Ammoniumverbindungen vorhanden, so hat es sich gezeigt, daß jeweils auf Nitrat- und Nitrit-Umsetzung spezialisierte, coimmobilisierte Mikroorganismen besonders vorteilhaft sind.Such isolation and cultivation methods are known to the person skilled in the art known. For the biocatalyst according to the invention, however, can also Cell parts or their components as well as dead cells be used. However, you should still use the Have ability using appropriate Implement nutrient substrates nitrogen compounds. The biocatalyst according to the invention is not based on the use certain microorganisms. It is according to the invention however preferred that several different types of Microorganisms are immobilized together in the matrix. In particular, jointly immobilized, ammonium, Nitrate and nitrite-utilizing bacteria cause such. B. Pseudomonas or Alcaligenes species, one particularly efficient removal of nitrogen salts dissolved in water. There are no ammonium compounds in the water to be cleaned available, it has been shown that Co-immobilized, each specialized in nitrate and nitrite conversion Microorganisms are particularly advantageous.

Die Herstellung der für den erfindungsgemäßen Biokatalysator verwendeten Alginat- oder Carrageenan-Matrizes ist dem Fachmann bekannt und auch in den zuvor genannten Druckschriften beschrieben. Üblicherweise wird dabei so vorgegangen, daß man den Mikroorganismus bzw. das Substrat in eine wäßrige, das Matrix-Grundmaterial enthaltende Lösung ggf. zusammen mit weiteren Zusatzstoffen einbringt und dann auf chemische Weise die Matrixbildung auslöst.The preparation of those used for the biocatalyst according to the invention Alginate or carrageenan matrices are known to the person skilled in the art and also in the described above. Usually proceeded so that the microorganism or Substrate in an aqueous containing the matrix base material Introduces solution together with other additives if necessary and then the chemical formation of the matrix triggers.

Die erfindungsgemäß verwendeten PHBs-haltigen Substrate sind üblicherweise wasserlöslichThe substrates containing PHBs used according to the invention are customary water soluble

Ihre Menge wird lediglich durch die Stabilität des erhaltenen Endproduktes bestimmt. Vorteilhafterweise wird jedoch so viel Substrat eingesetzt, daß eine Matrix erhalten wird, die 0,1 bis 20 Gew.-% Substrat enthält. Zweckmäßigerweise hat die Matrix eine teilchenförmige Struktur, wobei Teilchen mit einer Größe von 0,25 bis 5 mm bevorzugt sind. Es ist jedoch auch möglich, eine Matrix in Form einer Membran herzustellen oder Rohre und Gefäße mit einer Schicht der erfindungsgemäßen Biokatalysatoren zu überziehen zu überziehen.Their amount is obtained only through the stability of the Final product determined. Advantageously, however, so much Substrate used that a matrix is obtained, the 0.1 contains up to 20 wt .-% substrate. Conveniently, the Matrix has a particulate structure, where particles with a Size of 0.25 to 5 mm are preferred. However, it is also possible to produce a matrix in the form of a membrane or Tubes and vessels with a layer of the invention To coat biocatalysts to coat.

In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Matrix mehrschichtig aufgebaut und enthält mindestens einen Kern und mindestens eine diesen umgebenden Hülle. Dabei kann es je nach Art und Weise des verwendeten Mikroorganismus bzw. des Substrates zweckmäßig sein, Kern und Hülle aus verschiedenen Matrixmaterialien zu verwenden. Wenn aufgrund der jeweiligen Einsatzform der Mikroorganismus besonders geschützt sein soll, ist es häufig zweckmäßig, diesen in den Kern der Matrix und das Substrat in die Hülle der Matrix einzuschließen. In besonderen Fällen ist es jedoch auch wünschenswert, daß der Mikroorganismus für die gelösten Stickstoff-Verbindungen besonders schnell zugänglich sein muß. In solchen Fällen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Substrat in den Kern und den Mikroorganismus in die Hülle der Matrix einzuschließen. In a particularly preferred according to the invention Embodiment, the matrix is constructed in multiple layers and contains at least one core and at least one of them surrounding shell. Depending on the type of used microorganism or the substrate expedient be, core and shell of different matrix materials too use. If the Microorganism should be specially protected, it is common expedient, this in the core of the matrix and the substrate in to enclose the shell of the matrix. In special cases however, it is also desirable that the microorganism for dissolved nitrogen compounds particularly quickly accessible have to be. In such cases, it has proven useful proven the substrate in the core and the microorganism in to enclose the shell of the matrix.

Schließlich hat es sich auch als zweckmäßig erwiesen, in die Matrix zusätzliche Stoffe einzubringen, die das Ausscheiden unerwünschter Produkte verhindert. Dazu werden bspw. Aktivkohlepulver oder andere absorbierende/adsorbierende Materialien wie z. B. Bentonit verwendet. In vielen Fällen hat es sich auch als zweckmäßig erwiesen, daß zur Sicherung eines optimalen pH-Wertes am Ort des Reaktionsgeschehens in den Biokatalysator anorganische Füllstoffe wie CaCO₃ (Marmor) oder Calciumsilikate eingebracht werden, die beim Aufbau des Substrats eine pH-stabilisierende Wirkung aufweisen. Bei manchen Mikroorganismen ist es darüber hinaus zweckmäßig, benötigte anorganische Salze wie bspw. Calciumphosphat, ebenfalls in den Biokatalysator mit einzubauen.Finally, it has also proven useful in the Matrix to bring in additional substances that make the excretion prevents unwanted products. For example, Activated carbon powder or other absorbent / adsorbing Materials such as B. bentonite is used. In many cases it also proved to be expedient for securing a optimal pH at the site of the reaction in the Biocatalyst inorganic fillers such as CaCO₃ (marble) or calcium silicates are introduced, which during the construction of the Substrate have a pH stabilizing effect. At for some microorganisms it is also advisable required inorganic salts such as calcium phosphate, also to be built into the biocatalyst.

die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert.the invention is illustrated by the following example explained.

example

Zu auf Poly-β-hydroxybuttersäure (PHB) selektionierten, aus Erdboden, Kompost oder Sandfiltern in der Trinkwasser-Aufbereitung oder aus Belebtschlamm isolierten Mikroorganismen wurde auf übliche Weise eine Bakterien-Feuchtmasse hergestellt. M. J. Biehler hat in "Entwicklung und Erprobung von definierten Bakterienkulturen für einen Festbett-Reaktor mit Poly-β-hydroxybuttersäure zur Denitrifikation von Trinkwasser" (Promotionsarbeit), Universität Hohenheim 1989) Möglichkeiten zur Isolierung geeigneter Bakterienstämme beschrieben. Eine 3,5%ige Alginatlösung wurde mit einer PHB-Emulsion versetzt und 15 Minuten lang bei 121°C autoklaviert. Nach dem Erkalten der Lösung wird die gewünschte Bakterien-Feuchtmasse zugegeben und bei niedriger Geschwindigkeit bis zum Erreichen eines homogenen Zustandes gerührt. Die Suspension wird dann in einen Immobilisator überführt, wie er in der DE-PS 34 32 923 beschrieben ist.From selected for poly-β-hydroxybutyric acid (PHB) Soil, compost or sand filters in the Drinking water treatment or isolated from activated sludge Microorganisms became a in the usual way Bacteria wet mass produced. M. J. Biehler has in "Development and testing of defined bacterial cultures for a fixed bed reactor with poly-β-hydroxybutyric acid Denitrification of drinking water "(doctoral thesis), Universität Hohenheim 1989) Possibilities for isolation suitable strains of bacteria are described. A 3.5% Alginate solution was mixed with a PHB emulsion and 15 Autoclaved for minutes at 121 ° C. After cooling the Solution, the desired bacterial wet weight is added and at low speed until reaching a homogeneous state stirred. The suspension is then in a Immobilizer transferred, as in DE-PS 34 32 923 is described.

Claims

1. Biocatalyst for the denitrification of water, in which denitrifiers are immobilized with a non-detachable substrate in a matrix containing alginate or carrageenans, characterized in that heterotrophic denitrifiers as the denitrifiers and poly-β-hydroxybutyric acid as the substrate, or a mixture or copolymers containing the same is used.

2. Biocatalyst according to claim 1, characterized in that the substrate is water-insoluble.

3. Biocatalyst according to claim 1, characterized in that that 0.1 to 20% substrate are introduced into the matrix.

4. Biocatalyst according to claim 1, or one of the following, characterized in that that particles with a size of 0.25 mm to 5 mm manufactures.

5. Biocatalyst according to claim 1 or one of the following, characterized in that a multilayer matrix manufactures at least one core and at least one has this surrounding envelope.

6. Biocatalyst according to claim 5, characterized in that the core and the shell from different Manufactures matrix material.

7. Biocatalyst according to one of claims 5 or 6, characterized characterized in that the core is the biocatalyst and Envelope containing the substrate.

8. Biocatalyst according to one of claims 5 or 6, characterized characterized in that the core is the substrate and the shell contains the biocatalyst.

9. biocatalyst according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix is also a Adsorbent / absorbent, an inorganic filler and / or growth-promoting mineral additives and / or organic additives such as. b. Vitamins contains.

10. Biocatalyst according to one of the preceding claims, characterized in that as a biocatalyst Mixed culture from different microorganisms used.

11. Biocatalyst according to claim 10, characterized in that you have a mixed culture of aerobic and anaerobic Bacteria used.