DE69728226T2

DE69728226T2 - Träger für Bioreaktor sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69728226T2
Application number: DE1997628226
Authority: DE
Inventors: Takaya Adachi-ku Sato; Tsutomu Adachi-ku Uehara; Hiroshi Adachi-ku Yoshida
Original assignee: Nisshinbo Industries Inc; Nisshin Spinning Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-09-15
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2017-09-16
Also published as: US6011110A; DE69728226D1; EP0829536A1; EP0829536B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermoplastischen wasserabsorbierenden Gelträger, der als Träger verwendet werden kann, an welchem Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen anhaften, um einen Bioreaktor für die Herstellung einer Substanz, die Behandlung schädlicher Substanzen, die Behandlung von Altöl, die Abwasserbehandlung, die Desodorisierung und dergleichen zu erhalten.
Beschreibung des Hintergrunds der Technik
Die in Bioreaktoren verwendeten Träger liegen in zwei Arten vor: porös und als Gel (nicht-porös). Poröse Träger umfassen Träger aus Polyurethan, Zellulose, Polypropylen, Polyvinylformal und Keramik.
Die Porosität dieser Träger verleiht ihnen einen große Oberfläche. Sie werden häufig mit Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen verwendet, die an deren porösen Oberflächen befestigt sind.
Poröse Träger sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet. So sind poröse Körper aus Polyurethan und Polypropylen hydrophob und zeigen somit in Wasser eine schlechte Fluidität. Zusätzlich dazu sind sie gegen eine Anhaftung von Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und Protozoen beständig. Poröse Körper aus Zellulose neigen dazu, von solchen Organismen abgetragen zu werden, und haben somit nur eine kurze Lebensdauer. Abgesehen von anderen Nachteilen sind poröse Körper aus Polyvinylformal insofern benachteiligt, als für ihre Herstellung in industriellem Maßstab noch kein Verfahren etabliert wurde. Poröse Körper aus Keramik sind beim Verfahren der Verwendung eingeschränkt, da sie aufgrund ihrer hohen spezifischen Dichte in Wasser nicht fließfähig gemacht werden können.
Gelträger umfassen Träger aus Polyacrylamid, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol und Alginsäure.
Obwohl diese Gelträger im Allgemeinen mit Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen verwendet werden, die im Gel eingehüllt sind, können sie auch mit Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen verwendet werden, die an der Geloberfläche befestigt sind.
Da diese Gelträger zu einem hohen Anteil Wasser enthalten, zeigen sie hohe Biokompatibilität und bieten somit mit Ausnahme des Polyacrylamid-Gelträgers, der aus dem zytotoxischen Acrylamid hergestellt wird, für Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und Protozoen ein bevorzugtes Habitat. Andererseits weisen die meisten dieser Gelträger aufgrund ihres hohen Wassergehalts eine schlechtere physikalische Festigkeit auf. Sie neigen somit mit hoher Wahrscheinlichkeit dazu, sich während ihrer Verwendung im Reaktor abzunützen oder zu zerbrechen.
Gelträger, von denen bis dato berichtet wurde, einschließlich jener oben angeführten, fallen in die folgenden Kategorien: hitzegehärtete, bei niedriger Temperatur gehärtete, durch ionische Vernetzung gehärtete und durch Strahlung gehärtete organische Polymerverbindungen.
Wenn diese Träger einmal in eine spezifische Gestalt geformt wurden, so können sie nicht mehr erneut geschmolzen und in eine andere Gestalt geformt werden. Aus diesem Grund werden sie für gewöhnlich in die erwünschte Größe zurechtgeschnitten.
Der Vorgang des Schneides des wasserimprägnierten und geschwollenen Gels in Würfel von der Größe einiger Millimeter ist ein sehr mühsamer. Die Herstellung herkömmlicher Gelträger war somit extrem beschwerlich und damit sehr zeit- und kostenintensiv. Zusätzlich dazu ist die Erzeugung von Gelen mit hohem Volumen schwierig. Es wird angenommen, dass diese Faktoren dafür verantwortlich sind, dass Gelträger noch keine weit verbreitete Verwendung in Bioreaktoren gefunden haben.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann einen Bioreaktorträger aus einem thermoplastischen wasserabsorbierenden Gel bereitstellen, das einen hohen Anteil an Wasser enthält, über exzellente physikalische Festigkeit verfügt, starke Erosionsbeständigkeit gegen Organismen zeigt und leicht gewerblich in hohem Volumen hergestellt werden kann.
Diese Erfindung stellt Folgendes bereit
Einen Bioreaktorträger, der ein thermoplastisches organisches Polymer mit einer Volumenschwellrate in Wasser von 150 bis 4.000 % und ein wasserabsorbierendes Polyurethangel ist, das durch Umsetzen von langkettigen und kurzkettigen Polyolverbindungen und einer Isocyanatverbindung erhalten wird, wobei das langkettige Polyol ein wasserlösliches Polyoxyalkylendiol mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 1.000 bis 13.000 ist; wobei das kurzkettige Polyol ein Diol mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von bis zu 400 ist; und wobei die Mengen so gewählt sind, dass das Verhältnis zwischen NCO und OH im Bereich von 1,0 bis 1,6 zu 1 liegt,
(2) einen Träger zur Abwasserbehandlung unter Verwendung des Bioreaktors nach (1),
(3) einen Träger zur Desodorisierung unter Verwendung des Bioreaktors nach (1) und
(5) ein Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktorträgers, der dadurch gebildet wird, indem langkettige und kurzkettige Polyolverbindungen und eine Isocyanatverbindung umgesetzt werden, um ein thermoplastisches Harz zu erhalten, das thermoplastische Harz auf seine Schmelztemperatur erhitzt wird, um dieses dadurch zu plastifizieren, das plastifizierte Harz mit einem Extruder zu Strängen extrudiert wird und die Stränge kontinuierlich zu Pellets geschnitten werden.
Das langkettige Polyol hat ein (zahlenmittleres) Molekulargewicht von 1.000 bis 13.000, vorzugsweise 4.000 bis 8.000.
Wird dieser Bioreaktorträger aus thermoplastischem wasserabsorbierendem Gel verwendet, so werden die Rührleistung und die Konzentration der Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen im Reaktor erhöht, wodurch eine hohe Behandlungsleistung ermöglicht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung, um ein aktiviertes Schlammverfahren und ein Abwasserbehandlungssystem unter Verwendung des thermoplastischen Gelträgers dieser Erfindung zu erklären.
2 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das dazu verwendet wird, die Testleistung der Gasdesodorisierung unter Verwendung des thermoplastischen Gelträgers dieser Erfindung und Torfmoor zu vergleichen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Der Bioreaktorträger aus thermoplastischem, wasserabsorbierendem Gel (nachfolgend als „thermoplastischer Gelträger" bezeichnet) gemäß dieser Erfindung besteht vorzugsweise aus einem Material, das extrem hohe Hydrophilie zeigt und eine große Menge an Wasser darin halten kann. Als solches ist es mit Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und Protozoen in hohem Ausmaß kompatibel.
Der thermoplastische Gelträger dieser Erfindung wird in eine Kulturlösung, die Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen zur Verwendung enthält, eingegossen. Augrund der hohen Biokompatibilität des Trägermaterials haften die Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen, die in der Lösung vorhanden sind, an den Oberflächen der Gelteilchen an und wachsen darauf rasch an.
Anders als ein schwammiger, poröser Träger besitzt der thermoplastische Gelträger der Erfindung keine poröse Struktur, die mit dem nackten Auge erkennbar ist. Klebrige Tierzellen, Pflanzenzellen; Mikroorganismen und Protozoen, z.B. Ammonium-oxidierende Bakterien, Nitrit-oxidierende Bakterien, andere Bakterien zur Nitrifizierung, Bakterien zur Denitrifizierung und Schimmelpilze, haften somit vorzugsweise an den Oberflächen des thermoplastischen Gelträgers an.
Die Kulturlösung oder das Wasser zur Behandlung, das den thermoplastischen Gelträger enthält, wird mittels Belüftung oder eines Rührwerks gerührt. Dieses bringt die Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen, die nur eine geringe Klebrigkeit mit dem Träger zeigen, dazu, sich von den Oberflächen der thermoplastischen Gelträgerteilchen abzulösen und davon abzufallen.
Nur die klebrigen Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen haften in großer Anzahl am thermoplastischen Gelträger an, um daran befestigt zu werden. Diese Mikroorganismen sind somit während der Verflüssigung gegen Trennung beständig. Ein Effekt wird unweigerlich daraus erhalten, wobei sich nämlich nur jene Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen mit hoher Klebrigkeit auf den Oberflächen der Trägerteilchen verbreiten. Dies stellt ein besonders beachtliches Merkmal des thermoplastischen Gelträgers der Erfindung dar.
Anders als das herkömmliche wasserhältige Gel besitzt der thermoplastische Gelträger der Erfindung eine hohe Scherfestigkeit. Die thermoplastischen Gelträgerteilchen, an denen eine große Anzahl an Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen, die als biologische Katalysatoren dienen, in großer Dichte an ihren Außenflächen anhaftet, kann somit in wirksamer Weise dem Rührvorgang unter Verwendung eines Impellerrührers oder dergleichen widerstehen.
Als Beispiel folgt nun eine Erklärung zur Abwasserbehandlung, insbesondere zur Behandlung zur Desaminierung (biologische Nitrifizierung), d.h. die Oxidation eines Stickstoffs im Ammoniakzustand zu einem Stickstoff im Nitratzustand.
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Abwasserbehandlungssystem unter Verwendung eines aktivierten Schlammverfahrens des thermoplastischen Gelträgers dieser Erfindung erklärt. In dieser Fig. bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Vorabsetzbecken, 2 einen Bioreaktor und 3 ein Nachabsetzbecken. Das Abwasser 4 wird vom Vorabsetzbecken 1 zum Bioreaktor 2 zugeführt und darin biologisch behandelt. Das behandelte Wasser 5 wird aus der Ablagerung im Nachabsetzbecken 3 entfernt, und der Wasserüberstand wird abgelassen.
Der Bioreaktor 2 ist mit Diffusoren 6 ausgerüstet, die Sauerstoff oder Luft, die auf eine geeignete Sauerstoffkonzentration eingestellt sind, zur Belüftung zuführen. Die Sauerstoff enthaltende Luft wird mit Hilfe eines Gebläses 7 zu den Diffusoren 6 zugeführt.
Der thermoplastische Gelträger 8 dieser Erfindung wird in den Bioreaktor 2 eingegossen. Während Abwasser 4 zum Bioreaktor 2 zugeführt und behandeltes Wasser 5 Diffusoren 6 eingeblasen, um Sauerstoff zum Flüssigkeitsgemisch 9 im Bioreaktor 2 zuzuführen.
Die im Flüssigkeitsgemisch 9 durch die nach oben steigenden Bläschen, die zu diesem Zeitpunkt entstehen, erzeugte Konvektion bringt die Teilchen des thermoplastischen Gelträgers 8 dazu, im Bioreaktor 2 zu treiben und zu zirkulieren. Die Organismen, die die organischen Verunreinigungen, die im Flüssigkeitsgemisch 9 vorhanden sind, zersetzen und entfernen, haften und befestigen sich am thermoplastischen Gelträger 8 an.
Da der thermoplastische Gelträger 8 zu diesem Zeitpunkt einen hohen Wasseranteil besitzt, ist er mit den Organismen hochgradig kompatibel. Das Flüssigkeitsgemisch 9 umfasst Gruppen von treibenden Organismen. Diese Gruppen liegen in vielen verschiedenen Arten vor, umfassend dabei z.B. BOD-Verdauungsbakterien; Oxidationsbakterien organischer Verbindungen, die organische Verunreinigungen als ihre Nähr stoffquelle verwenden, Nitrifizierungsbakterien, die Stickstoff im Ammoniakzustand in Stickstoff im Nitratzustand zersetzen, sowie Denitrifizierungsbakterien, die Stickstoff im Nitratzustand in Stickstoffgas umwandeln.
Da diese Organismengruppen wie Schlammkörner in Wasser aussehen, werden sie kollektiv auch als aktivierter Schlamm bezeichnet. Der aktivierte Schlamm kann auch Regenwürmer, Rädertierchen, Vorticellae und andere Protozoen enthalten.
Von diesen treibenden Organismusgruppen setzen sich jene mit hoher Klebrigkeit, z.B. die Ammonium-oxidierenden Bakterien, die Nitrit-oxidierenden Bakterien, andere Bakterien zur Nitrifizierung, Bakterien zur Denitrifizierung und Schimmelpilze, formschlüssig selbst an den Oberflächen der thermoplastischen Gelträgerteilchen fest. Im Bioreaktor 2 werden die organischen Verunreinigungen und Stickstoffkomponenten im Abwasser zersetzt und durch die Wirkung sowohl der Organismusgruppen, die an den Oberfläche der Trägerteilchen anhaften, als auch der treibenden Organismusgruppen entfernt.
Da der Stickstoff im Ammoniakzustand, der im Abwasser enthalten ist, als primäre Ursache der Fluss- und Meeresverschmutzung identifiziert wurde, wird es nunmehr als notwendig erachtet, die Menge dieser Verunreinigungen im Abwasser zu verringern. Die im aktivierten Schlamm vorhandenen Nitrifizierungsbakterien wandeln den Stickstoff im Ammoniakzustand im Abwasser in Stickstoff im Nitratzustand um, und die Denitrifizierungsbakterien darin wandeln den Stickstoff im Nitratzustand in Stickstoffgas um, das danach in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Da die Nitrifizierungsbakterien sehr langsame Brüter sind, ist ihre Konzentration unter den treibenden Organismusgruppen, d.h. im aktivierten Schlamm, nicht sehr hoch. Das aktivierte Schlammverfahren, das in der gewöhnlichen Abwasserbehandlung verwendet wird, ist somit nicht dazu geeignet, Stickstoff im Ammoniakzustand angemessen zu behandeln.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fürhten eine Studie durch, um herauszufinden, warum die Nitrifizierungsbakterien sich im aktivierten Schlamm nicht vermehren. Sie kamen dabei zum folgenden Schluss.
Die Gesamtanzahl der Organismen, die in einem bestimmten Einheitsvolumen vorhanden sind, kann als im Wesentlichen konstant bezeichnet werden. Wenn sich schnell vermehrende Bakterien wie Oxidationsbakterien für organische Verbindungen im aktivierten Schlamm befinden, so vermehren sich nur die BOD-Verdauungsbakterien und die Oxidationsbakterien für organische Verbindungen, während sich langsam vermehrende Bakterien wie Bakterien zur Nitrifizierung nicht leicht vermehren können. Die Konzentration der Nitrifizierungsbakterien im aktivierten Schlamm ist somit stets gering. Dies kann jedoch dadurch verhindert werden, indem nur die Nitrifizierungsbakterien an einem getrennten Ort davon gezüchtet werden. Da Nitrifizierungsbakterien klebrig sind, können sie an der glatten Oberfläche der thermoplastischen Gelträgerteilchen anhaften.
Andererseits können BOD-Verdauungsbakterien, Oxidationsbakterien organischer Verbindungen und andere solche Bakterien mit geringer Klebrigkeit nicht an den Oberflächen der Trägerteilchen anhaften. In der unmittelbaren Umgebung der Trägerteilchen vermehren sich somit nur Nitrifizierungsbakterien bis zu einer hohen Konzentration.
Die Verwendung des thermoplastischen Gelträgers dieser Erfindung führt dazu, dass die Habitate der Nitrifizierungsbakterien und der BOD-Verdauungsbakterien, Oxidationsbakterien organischer Verbindungen getrennt werden. Die Nitrifizierungsbakterien, die an den Oberflächen des thermoplastischen Gelträgers anhaften, behandeln den Stickstoff im Ammoniakzustand biologisch mit exzellenter Wirksamkeit und großer Geschwindigkeit.
Im Gegensatz dazu fängt sich bei Verwendung eines porösen Trägers der Schlamm an den Porenabschnitten des schwammartigen Trägers, und der daraus resultieren de Anstieg in der Schlammdichte im Bioreaktor verbessert die Leistung der Abwasserbehandlung. Somit ist das, was die Erfinder der vorliegenden Erfindung als „Habitattrennungseffekt" bezeichnen, nur gering. Aus diesem Grund ist der poröse Träger im Allgemeinen dem thermoplastischen Gelträger in Hinblick auf die Behandlungsleistung von Stickstoff im Ammoniakzustand unterlegen.
Die vorangegangene Erklärung bezieht sich hauptsächlich auf die Abwasserbehandlung zum Zersetzen des Stickstoffs im Ammoniakzustand im Abwasser in Stickstoff im Nitratzustand. Der thermoplastische Gelträger der Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt und kann auch in anderen Schritten der Abwasserbehandlung, so etwa in der Denitrifizierung, sowie in anderen biokatalytischen Reaktionen für andere Behandlungen als jene von Abwasser eingesetzt werden.
Obwohl diese Erfindung die Größe oder Form der thermoplastischen Gelträgerteilchen nicht besonders begrenzt, werden dennoch Teilchen mit würfeliger, zylindrischer, kugelförmiger Form sowie anderen Formen bevorzugt, die große Oberflächen bereitstellen. Es können aber auch splitterförmige Teilchen mit einer einheitlichen Größe verwendet werden.
Kubische Teilchen mit 1 bis 8 mm pro Seite, zylindrische Teilchen mit einem Durchmesser sowie einer Länge von je 5 mm und kugelförmige Teilchen mit einem Durchmesser von 5 mm können als bevorzugte Beispiele dafür angeführt werden.
Die Teilchen des thermoplastischen Gelträgers können einheitlich im Reaktor fluidisieren, wenn ihre spezifische Dichte 1.000 bis 1.250 beträgt, nachdem das Anhaften und Befestigen der Organismen einen stationären Zustand erreicht hat. Somit wird bevorzugt, die spezifische Dichte des thermoplastischen Gelträgers innerhalb dieses Bereichs einzustellen. Die Einstellung der spezifischen Dichte erfolgt durch die Zugabe eines Pulvers mit hoher spezifischen Dichte wie Bariumsulfat während der Synthese des thermoplastischen Harzes vor dem Formen oder wenn das Harz während des Heißformens in einem geschmolzenen Zustand ist. Ein anorganisches Pulver wie Aktivkohle, Kohlepulver, Zeolith oder dergleichen kann im thermoplastischen Gelträger aufgenommen werden, um das Anhaften einer großen Menge an gewünschten Tierzellen, Pflanzenzellen oder Mikroorganismen sicherzustellen. Die Zugabe kann erfolgen, wenn das Harz in einem geschmolzenen Zustand vorliegt, ähnlich der Zugabe des zuvor erwähnten Pulvers mit hoher spezifischer Dichte. Anderenfalls kann sie erfolgen, indem das anorganische Pulver sich an die Oberfläche der thermoplastischen Harzstränge anhaftet, die vor dem Zerschneiden in Stränge von einem Extruder extrudiert wurden.
Der thermoplastische Gelträger der Erfindung plastifiziert vor dem Anschwellen mit Wasser und zeigt Fluidität, wenn er auf seine Schmelztemperatur erhitzt wird. Er kann zu Pellets geformt werden, indem er von einem Extruder mit Heizungsvermögen zu Strängen extrudiert wird und danach kontinuierlich die Stränge in Segmente mit geeigneter Länge geschnitten werden. Soll das thermoplastische Harz in Trägersplitter geformt werden, so wird es zerdrückt und danach gesiebt, um es in Splitter mit einheitlicher Größe zu trennen. Am häufigsten verwendete Bioreaktorträger bestehen aus hitzehärtbaren Polymerharzen. Da ein solches Harz oft geschnitten werden muss, um Teilchen mit einer gewünschten Größe zu erhalten, ist dieses Verfahren extrem mühsam. Im Gegensatz dazu besteht der Träger gemäß dieser Erfindung aus einem thermoplastischen Harz, das durch Erhitzen plastifiziert werden kann. Dies stellt insofern einen großen Vorteil dar, als die Bildung von Trägerteilchen mit einer gewünschten Größe sowie die leichte Herstellung von Trägerteilchen mit gewöhnlicher Form und Größe ermöglicht wird.
Beinahe kugelförmige Trägerteilchen können durch das Zerschneiden der zuvor erwähnten Stränge mit einer Unterwasser-Pelletiermaschine oder einem ähnlichen Gerät hergestellt werden. Es ist natürlich auch ein Spritzgießverfahren möglich, wodurch es möglich ist, Trägerteilchen mit platten-, block-, wellenförmiger oder anderer Gestalt auszubilden, wie dies die verschiedenen Gussformen erforderlich machen. Der derart geformte thermoplastische Gelträger kann nach dem Schwellen auf den Boden eines Bioreaktors absinken, um als Festbett zu dienen. Der thermoplastische Gelträger dieser Erfindung enthält zum Zeitpunkt des Formens kein Wasser.
Zum Zeitpunkt der Verwendung werden die thermoplastischen Gelträger in den Reaktor eingegossen, wo sie durch die Absorption von Wasser darin schwellen. Da der Träger keine Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen oder Protozoen enthält, kann er über einen langen Zeitraum in einem feuchtigkeitsbeständigen Sack aufbewahrt werden.
Herkömmliche Gelträger aus Polyacrylamid, Polyethylenglykol, Polyvinylalkohol, Alginsäure und dergleichen enthalten darin Wasser und Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen. Ihre Lagerung muss daher gut organisiert werden, damit die Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen am Leben bleiben.
Zusätzlich dazu werden ihre Kosten für den Transport zu jenem Ort, an dem sie in großen Mengen verwendet werden, aufgrund ihres hohen Wasseranteils sehr hoch. Da der thermoplastische Gelträger dieser Erfindung als Trockenmaterial transportiert und nach der Absorption von Wasser im Reaktor verwendet werden kann, ist es möglich, ihn zu deutlich geringeren Kosten zu transportieren. Da an den Träger eine Vielzahl von erwünschten Tierzellen, Pflanzenzellen und/oder anderen Organismen durch die Wasserabsorption in einer Suspension, welche die erwünschten Tierzellen, Pflanzenzellen und/oder andere Organismen in einer hohen Konzentration enthält, anhaften kann, ist es somit möglich, die Anfangsleistung des Bioreaktors zu verstärken.
Anders als das herkömmliche wasserenthaltende Gel besitzt der thermoplastische Gelträger der Erfindung eine hohe Scherfestigkeit. Der Träger, an dessen Außenflächen viele Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen anhaften, kann somit effizientem Rühren unter Verwendung eines Impellerrührers oder dergleichen standhalten. Das Belüftungsrühren unter Verwendung von Luft oder ei nes anderen Gases wird verwendet, um den Träger in einem aeroben Bioreaktor zu rühren. Ein Impellerrührer oder dergleichen muss jedoch verwendet werden, um den Träger in einem anaeroben oder anoxischen Bioreaktor zu rühren, da die Verwendung der Belüftungsrührung nicht zulässig ist. Während eines solchen Rührens wird der hitzehärtbare Träger, der zu einem hohen Grad dreidimensional vernetzt ist, durch das Rühren aufgelöst, da ihn seine niedrige Scherbeständigkeit sehr fragil macht. Der thermoplastische Träger dieser Erfindung besitzt vorzugsweise eine Volumenschwellrate in Wasser, die durch die Gleichung 1 definiert ist, im Bereich von 150 bis 4.000 %.
„Trockenvolumen" bezeichnet den Zustand des thermoplastischen Gelträgers, wenn sein Gewichtsverlust während des Trocknens bei 100 °C minimal wird. „Vollständig geschwollenes Volumen" bezeichnet den Zustand desselben, wenn die Volumenänderung während des Aufweichens in reinem Wasser bei 25 °C minimal wird. Das Volumen der rechteckigen oder kubischen Trägerteilchen wird durch die Seitenlängen bestimmt. Im Fall von zylindrischen Pellets oder Splittern, die durch Zerdrücken entstehen, deren Volumina schwer berechnet werden können, wird das folgende Verfahren verwendet, um das Trocken- und das vollständig geschwollene Volumen zu erhalten.
Trockenvolumen
Berechnet der spezifischen Dichte des thermoplastischen Harzes vor der Heißformung oder vor dem Zerdrücken und vom Gewicht des Pellets oder Splitter nach dem Trocknen bei 100 °C.
Vollständig geschwollenes Volumen: Eine geeignete Menge an vollständig geschwollenen Pellets oder Splittern wird in eine Messflasche eingefüllt, die mit einem luftdichten Verschluss aus gestattet ist, wobei die Flasche bis zu einer markierten Linie mit reinem Wasser befüllt wird und die Pellets oder Splitter 1 Stunde lang bei 4 °C im Wasser stehengelassen werden und das Gesamtgewicht als A(g) gemessen wird.
Die Pellets oder Splitter werden aus der Flasche entfernt, und das Gewicht der Messflasche und des reinen Wassers, das in der Flasche zurückbleibt, werden als B(g) gemessen.
Die gemessenen Werte werden in die Gleichung eingesetzt:
Vollständig geschwollenes Volumen (ml) _ (A – B) x 1,00
Liegt die Volumenschwellrate unter 150 %, so ist das Wasserabsorptionsvermögen des thermoplastischen Gelträgers gering. Aus diesem Grund ist sein Wassergehalt so gering, dass die Beschreibung „wasserenthaltendes Gel" unpassend wird. Die Organismen haften somit auch nur schlecht an. Beträgt die Schwellrate mehr als 4.000 %, so verliert der thermoplastische Gelträger so viel an Festigkeit, dass er nicht mehr nützlich ist.
Gele, die für den thermoplastischen Gelträger der Erfindung verwendet werden können, sind thermoplastische Polyurethangele. Der thermoplastische Polyurethangelträger ist ein Polyurethan-Copolymer, das aus weichen und harten Segmenten besteht, die durch Urethan-Bindungen statistisch Kopf an Schwanz gebunden sind. Er wird durch Umsetzen einer bifunktionellen langkettigen Diolverbindung, einer bifunktionellen Diisocyanatverbindung und einer kurzkettigen Diolverbindung hergestellt. Das durch das Umsetzen der langkettigen Diolverbindung mit der Isocyanatverbindung erhaltene weiche Segment ist durch die Formel 2 dargestellt:
Das durch das Umsetzen der kurzkettigen Diolverbindung mit der Isocyanatverbindung erhaltene harte Segment ist durch die Formel 3 dargestellt:
Das Symbol X in der Formel 2 bezeichnet eine Gruppe, die durch Umsetzen einer Hydroxyendgruppe einer langkettigen Diolverbindung mit einem Isocyanat erzeugt wird, weniger der Hydroxyendgruppe davon. Es wird angenommen, dass das Molekulargewicht von X die Schwellrate und dergleichen des Gels wesentlich beeinflusst. Das Molekulargewicht liegt zwischen 1.000 und 13.000, bevorzugter zwischen 4.000 und 8.000. Ist das Molekulargewicht von X gering, so wird das Molekulargewicht des weichen Segments klein. Da die Schwellrate des Gels dadurch tendenziell gering ist, steigt die spezifische Dichte des Gels in Wasser an. Ist das Molekulargewicht von X größer als 13.000, so steigt während der Synthese die Viskosität. Dies ist insofern von Nachteil, als dadurch die Schmelztemperatur angehoben wird und auch andere Probleme entstehen.
Die in dieser Erfindung verwendete langkettige Diolverbindung ist vorzugsweise ein wasserlösliches Ethylenoxid-Propylenoxid-Copolymer mit zwei Hydroxyendgruppen pro Molekül oder Polyethylenglykol.
Der Anteil an Ethylenoxid beträgt vorzugsweise 70 % oder mehr, noch bevorzugter 85 % oder mehr. Bei einem Ethylenoxidanteil von weniger als 70 % kann die Schwellrate des Gels gering sein.
Das Symbol Y in den Formeln bezeichnet eine Gruppe, die durch Umsetzen einer Diisocyanatverbinung mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht zwischen 100 und 1.000 mit einer Hydroxidgruppe erzeugt wird, weniger der Isocyanatgruppe,.
Isocyanate, die in der Erfindung verwendet werden können, umfassen z.B. Tolylendiisocyanat, Xylylendiisocyanat, Naphthylendiisocyanat, Diphenylmethandiisocyanat, Biphenylendiisocyanat, Diphenyletherdiisocyanat, Tolidindiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat und Isophorondiisocyanat.
Das Symbol Z in der Formel 3 bezeichnet eine Gruppe, die durch Umsetzen einer Hydroxidendgruppe eines niedrigmolekularen Diols mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht zwischen 30 und 400 mit einem Isocyanat hergestellt wird, weniger der Hydroxyendgruppe davon,.
Kurzkettige Diolverbindungen, die in der Erfindung verwendet werden können, umfassen z.B. Ethylenglykol, 1,2-Propylenglykol, 1,3-Propylenglykol, 1,3-Butandiol, 2,3-Butandikol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, 1,6-Hexandiol, 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol, 1,4-Cyclohexandimethanol, 1,4-Bis-(β-hydroxyethoxy)benzol, p-Xylylendiol, Phenyldiethanolamin, Methyldiethanolamin und 3,9-Bis-(2-hydroxy-1,1-diemethylethyl)-2,4,8,10-tetraoxaspiro[5,5]-undecan.
Das Verhältnis zwischen den Anteilen der in der Erfindung verwendeten langkettigen Diolverbindung und der kurzkettigen Diolverbindung kann abhängig vom Molekulargewicht der Verbindungen, den physikalischen Eigenschaften des erwünschten Gels und dergleichen variiert werden. Obwohl das bevorzugte Molverhältnis zwischen der langkettigen Diolverbindung und der kurzkettigen Diolverbindung abhängig vom Molekulargewicht der langkettigen Diolverbindung variiert, liegt es im Allgemeinen im Bereich von 5:1 bis 1:2. Wird eine langkettige Diolverbindung mit hohem Molekulargewicht verwendet, so ist das Molverhältnis der kurzkettigen Diolverbindung zum Ausbilden des harten Segments vorzugsweise klein ausgeführt, da eine langkettige Diolverbindung dazu neigt, die Viskosität während der Synthese des thermoplastischen Harzes zu erhöhen. Andererseits wird, wenn es erwünscht ist, die Volumenschwellrate zu steigern und gleichzeitig die hohe physikalische Festigkeit beizubehalten, das Molverhältnis der kurzkettigen Diolverbindung vorzugsweise erhöht. Die Anzahl der Isocyanatgruppen der Diisocyanatverbindung im Vergleich zur Gesamtan zahl der Hydroxygruppen in den zwei Verbindungen (NCO/OH) liegt vorzugsweise im Bereich von 0,95 bis 1,8 und insbesondere im Bereich von 1,0–1,6. Daher erlaubt diese Erfindung nicht nur die Verwendung von Polyurethan-Copolymeren, die eine vollständige Polymersynthesereaktion durchlaufen haben, sondern auch von unvollständigen thermoplastischen Polyurethanen, d.h. sie erlaubt Polyurethan-Copolymere mit verbleibenden aktiven Gruppen wie Isocyanatgruppen, die nach ihrer Bildung einer Vernetzung unterzogen werden sollen.
Das in dieser Erfindung verwendete thermoplastische Polyurethangel kann entweder im Präpolymerverfahren, in welchem die langkettige Diolverbindung und die Diisocyanatverbindung zuerst umgesetzt und danach das Ergebnis mit der kurzkettigen Diolverbindung als Kettenverlängerer umgesetzt wird, oder im Einstufenverfahren, in welchem alle Reaktionsmaterialien auf einmal vermischt werden, hergestellt werden.
Obwohl das Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Polyurethangelen, das zuvor erklärt wurde, typisch ist, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Gelen beschränkt, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, es können auch thermoplastische wasserabsorbierende Gele verwendet werden, die durch andere Verfahren hergestellt werden, sofern sie thermoplastische Harze sind, die der Bedingung einer Volumenschwellrate in Wasser von 150 bis 4.000 % entsprechen.
Beispiele
Die Erfindung ist nun mit Bezug auf die spezifischen Beispiele erklärt. Sie ist aber keineswegs auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel 1 (Herstellung des thermoplastischen Polyurethangels)
100 Gewichtsteile Polyurethanglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 2.000, das als langkettige Diolverbindung verwendet wird, wurden in einen mit einem Rührer ausgestatteten Reaktor eingefüllt. 1 Stunde lang wurde bei 110 °C in einer Stickstoffatmosphäre vorgeheizt, um den Wasseranteil des Polyethylenglykols zu entfernen. Die Temperatur im Reaktor wurde dann auf 130 °C eingestellt. 25 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat wurden dem Reaktor als Polyisocyanatverbindung zugegeben, und die Reaktion wurde 2 h lang unter Rühren durchgeführt. Nachdem die Präpolymerreaktion abgeschlossen war, wurden 1,19 Gewichtsteile 1,4-Butandiol dem Reaktor als Kettenverlängerer zugeführt, danach wurde 1 Stunde lang gerührt. Alle Reaktionen wurden nach dem Vorerhitzen bei 130 °C durchgeführt. Nachdem die Reaktion abgeschlossen war, wurde das Produkt verteilt, indem es auf eine mit einem Trennmittel behandelte Wanne gefüllt und 4 Stunden lang bei 100 °C wärmebehandelt wurde, um eine thermoplastische Polyurethanharzzusammensetzung zu erhalten. Die auf diese Weise erzeugte Harzzusammensetzung aus Polyurethan wurde gekühlt und danach in feine Teilchen zerkleinert. Die Teilchen wurden einem Heizextruder zugeführt und durch Erhitzen auf 180 bis 230 °C unter Anwendung von Scherkraft geschmolzen. Die aus der Düse extrudierten Stränge mit einem Durchmesser von 3 mm wurden in 3 mm lange Pellets geschnitten, um zylindrische Harzpellets zu erhalten. Die Pellets wurden mit Wasser aufgeschwollen, um thermoplastische Gelträger-Pellets zu erhalten. Die Volumenschwellrate des thermoplastischen Gelträgers in Wasser betrug 450 %.
Beispiel 2 (Herstellung des thermoplastischen Polyurethangels)
Die thermoplastischen Gelträgerpellets wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 erhalten, nur dass 100 Gewichtsteile Polyethylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000 als langkettige Diolverbindung, 8,3 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat als Polyisocyanatverbindung und 0,4 Gewichtsteile 1,4-Butandiol als Kettenverlängerer verwendet wurden. Die Volumenschwellrate des thermoplastischen Gelträgers in Wasser betrug 1.600 %.
Beispiel 3 (Herstellung des thermoplastischen Polvurethangels)
Die thermoplastischen Gelträgerpellets wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 erhalten, nur dass 100 Gewichtsteile Polyethylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 10.000 als langkettige Diolverbindung, 5,0 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat als Polyisocyanatverbindung und 0,24 Gewichtsteile 1,4-Butandiol als Kettenverlängerer verwendet wurden. Die Volumenschwellrate des thermoplastischen Gelträgers in Wasser betrug 2.600 %.
Beispiel 4 (Herstellung des thermoplastischen Polvurethangels)
Die thermoplastischen Gelträgerpellets wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 erhalten, nur dass 100 Gewichtsteile Polyethylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000 als langkettige Diolverbindung, 8,3 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat als Polyisocyanatverbindung und 1,53 Gewichtsteile 1,4-Butandiol als Kettenverlängerer verwendet wurden. Die Volumenschwellrate des thermoplastischen Gelträgers in Wasser betrug 1.400 %.
Beispiel 5 (Herstellung des thermoplastischen Polvurethangels)
Die thermoplastischen Gelträgerpellets wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 erhalten, nur dass 100 Gewichtsteile Polyethylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000 als langkettige Diolverbindung, 8,3 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat als Polyisocyanatverbindung und 0,16 Gewichtsteile 1,4-Butandiol als Kettenverlängerer verwendet wurden. Die Volumenschwellrate des thermoplastischen Gelträgers in Wasser betrug 2.000 %.
Beispiel 6 (Herstellung des thermoplastischen Polvurethangels)
Die thermoplastischen Gelträgerpellets wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 erhalten, nur dass 100 Gewichtsteile Polyetherdiol (EP/PO = 7/3) mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000 als langkettige Diolverbindung, 8,3 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat als Polyisocyanatverbindung und 0,4 Gewichtsteile 1,4-Butandiol als Kettenverlängerer verwendet wurden. Die Volumenschwellrate des thermoplastischen Gelträgers in Wasser betrug 400 %.
Beispiel 7 (Herstellung des thermoplastischen Polyurethangels)
Es wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 eine thermoplastische Harzzusammensetzung aus Polyurethan erhalten, nur dass 100 Gewichtsteile Polyethylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000 als langkettige Diolverbindung, 8,3 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat als Polyisocyanatverbindung und 0,4 Gewichtsteile 1,4-Butandiol als Kettenverlängerer verwendet wurden. Die thermoplastische Harzzusammensetzung aus Polyurethan wurde gekühlt und danach in feine Teilchen zerkleinert. Die Teilchen wurden einem Wärmeextruder zugeführt und unter Erhitzen auf 180–230 °C geschmolzen, während gleichzeitig eine Scherkraft darauf angewendet wurde, um die Harzzusammensetzung aus der Extruderdüse zu extrudieren. Aktivkohle wurde auf die Oberflächen der Stränge mit einem Durchmesser von 3 mm aufgetragen, während sie sich noch in geschmolzenem Zustand befanden. Die Stränge wurde daraufhin gekühlt und in 3 mm lange Segmente geschnitten, um zylindrische Harzpellets zu erhalten. Die Pellets wurden mit Wasser geschwollen, um thermoplastische Gelträgerpellets zu erhalten. Die Volumenschwellrate des thermoplastischen Gelträgers in Wasser betrug 1.600 %.
Vergleichsbeispiel 1 (Herstellung des thermoplastischen Polyurethangels)
Die thermoplastischen Gelträgerpellets wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 erhalten, nur dass 100 Gewichtsteile Polyetherdiol (EO/PO = 5/5) mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000 als langkettige Diolverbindung, 8,3 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat als Polyisocyanatverbindung und 0,4 Gewichtsteile 1,4-Butandiol als Kettenverlängerer verwendet wurden. Die Volumenschwellrate des thermoplastischen Gelträgers in Wasser betrug 120 %.
Vergleichsbeispiel 2 (Herstellung des thermoplastischen Polyurethangels)
Die thermoplastischen Gelträgerpellets wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 erhalten, nur dass 100 Gewichtsteile Polyethylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 6.000 als langkettige Diolverbindung, 10,6 Gewichtsteile 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat als Polyisocyanatverbindung und 0,4 Gewichtsteile 1,4-Butandiol als Kettenverlängerer verwendet wurden. Das Schwellen der Trägerpellets, wenn diese in Wasser getaucht wurden, war von Schaumbildung begleitet.
Vergleichsbeispiel 3 (Herstellung eines ionisch vernetzenden härtbaren Polyvinylalkoholgels
Polyvinylalkoholpulver (Polymerisationsgrad: 2.000, Verseifungsgrad: 99,8 %) wurde in Wasser gelöst, um eine wässrige, 12 Gew.-% Lösung von Polyvinylalkohol zu erhalten. Mit 500 g dieser Lösung wurden 250 g einer wässrigen, 4 Gew.-% Lösung von Natriumalginat vermischt. Der gemischten Lösung wurden 250 g Aufschlämmung zugefügt, die durch das Konzentrieren des aktivierten Schlamms aus einer Abwasserbehandlungseinrichtung für aktivierten Schlamm in der Fabrik von Nisshinbo Industries, Inc., in Tokyo (Schlammkonzentration: 1.500 mg/l) auf eine Schlammkonzentration von 8.000 mg/l erhalten wurde. Das Ergebnis wurde bis zur Gleichmäßigkeit gemischt und danach von einer Düse in eine koagulierende Lösung getropft. Die koagulierende Lösung war eine wässrige Lösung von Borsäure mit einer Konzentration von 12 g/l und Natriumchlorid mit einer Konzentration von 30 g/l. Die getropfte Flüssigkeit koagulierte in Kugelform. Die resultierenden Gelkugeln wurden entfernt und in eine gesättigte wässrige Lösung von Natriumsulfat transferiert und darin zwei Stunden lang stehen gelassen. Die erhaltenen Trägerkugeln aus Polyvinylalkohol hatten einen Durchmesser von 4 mm.
Vergleichsbeispiel 4 (Herstellung eines vernetzten Polyethylenglykolträgers)
15 Gewichtsteile von nicht-thermoplastischem, dreidimensional vernetztem Polyethylenglykoldimethacrylat (23G, Shin Nakamura Chemical Industries, Ltd.) und 0,6 Gewichtsteile (Dimethylamino)propionitril wurden in 84,4 Gewichtsteilen Wasser gelöst. Der Lösung wurden 35 Gewichtsteile einer 0,2%igen wässrigen Lösung von Kaliumpersulfat zugegeben, das Gemisch wurde sorgfältig gerührt, in eine Form gegossen und geliert. Das Gel wurde aus der Form herausgenommen und geschnitten, um einen Polyethylenglykolträger zu ergeben.
Die Zusammensetzungen und Volumenschwellraten der in den vorangegangenen Beispielen und Vergleichsbeispielen erhaltenen Gelträger sind in Tabelle 1 dargestellt.
Beispiel 8
Die in den Beispielen 1, 2 und 3 und den Vergleichsbeispielen 3 und 4 erhaltenen Gelträger wurden, wie nachfolgend ausgeführt, bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
(1) Ein Behälter wurde hergestellt, indem wasserbeständiges Sandpapier (Nr. 100) auf der Innenseite einer Glasflasche angeklebt wurde, um die Abriebfestigkeit des Trägers zu vergleichen (Durchmesser: 40 mm, Länge: 200 mm). Der Behälter wurde mit 4 mm großen Trägerwürfeln (30 ml mit Hilfe eines 100-ml-Messzylinders gemessen) und 120 ml Wasser befüllt. Nach dem Verschließen wurde der Behälter mit einem Umkehrschlag von 70 mm und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 150 U/min 20 Stunden lang geschüttelt. Die Inhalte wurden daraufhin entfernt und durch ein 1-mm-Sieb passiert. Das Volumen der Träger, die auf dem Sieb zurückblieben, wurde unter Verwendung des 100-ml-Messzylinders gemessen.
Abriebfestigkeitsrate (%) = (offensichtliches Volumen der Träger, die nach dem Test auf dem Sieb zurückblieben (ml) / 30 ml) × 100
Obwohl der Gelträger des Beispiels 2 etwa dieselbe Abwasserbehandlungsentfernungsrate wie jener der Vergleichsbeispiele 3 und 4 zeigte, war seine Abriebfestigkeitsrate geringer.
Tabelle 2
Beispiel 9
Die Gelträger des Beispiels 2 und der Vergleichsbeispiele 3 und 4 wurden kurzzeitigen Abwasserbehandlungsnitrifizierungstests unterzogen.
Es wurde das Abwasserbehandlungstestsystem der 1 verwendet. Die 20 l fassende Belüftungseinrichtung (Bioreaktor) 2 wurde mit 2 l des Trägers und 5 g SS (aktiver Schlamm) des Nitrifizierungssäulenschlamms befüllt. Die Tests wurden unter Verwendung des künstlichen Abwassers der Tabelle 3 unter den Bedingungen der Tabelle 4 durchgeführt. Einen Monat nach Zugabe des Trägers wurde angenommen, dass das System sich akklimatisiert hatte, und die Messung des Stickstoffs im Ammoniakzustand des Rohwassers und des behandelten Wassers wurde begonnen. Die mittlere Entfernungsrate des Stickstoffs im Ammoniakzustand zwischen dem 30. und dem 100. Tag nach der Zugabe des Trägers wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 veranschaulicht.
Tabelle 3
Tabelle 4
Beispiel 10
Die Desodorisierungssäule 10 (Innendurchmesser: 100 mm, Höhe: 600 mm) des Testsystems der 2 wurde mit 4 l des in Beispiel 7 erhaltenen Gelträgers befüllt. Während die Schlammsuspension von einem Einstellbehälter 14 in die Säule 10 von einer Spritzvorrichtung 13 eingespritzt wurde, wurde NH₃-hältige Luft durch einen Einlass 11 eingeleitet. Die Konzentrationen des Ammoniakgases wurden beim Einlass 11 und Auslass 12 gemessen. Zum Vergleich wurde ein Test auf ähnliche Weise mit der Säule 10 durchgeführt, die mit Torfmoor befüllt war. Die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 5 dargestellt.
In den 2 ist 15 eine Spritzpumpe, 16 ein pH-Messgerät, 17 eine NaOH-Pumpe und 18 ein NaOH-Behälter.
Tabelle 5
Wie aus den vorangegangenen Beispielen ersichtlich ist, kann der thermoplastische Gelträger der Erfindung für die Abwasserbehandlung, insbesondere für die Behandlung zur Zersetzung von Stickstoff im Ammoniakzustand, der im Abwasser enthalten ist, in Stickstoff im Nitratzustand, sowie für die biologische Desodorisierung, insbesondere die Zersetzung von Ammoniakgas, verwendet werden. Der thermoplastische Gelträger der Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt und kann auch vorteilhaft auf andere Denitridierungsvorgänge bei der Abwasserbehandlung und dergleichen sowie auf andere biokatalytische Reaktionen zur biologischen Desodorisierung und dergleichen angewendet werden.
Der thermoplastische Gelträger der Erfindung zeigt trotz seines hohen Wassergehalts exzellente Abriebfestigkeit, er ist hydrophil, wodurch sich Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen daran anhaften können, ohne dass dabei ihre physiologischen Aktivitäten beeinträchtigt werden, und er zeigt starke Beständigkeit gegen Erosion durch Organismen.
Da der Gelträger leicht Nitrifizierungsbakterien absorbiert, kann er Stickstoff im Ammoniakzustand effizient und mit hoher Geschwindigkeit behandeln. Der Träger kann vor seiner Verwendung auch lange Lagerungszeiten tolerieren. Darüber hinaus kann er aufgrund seiner außergewöhnlichen Scherfestigkeit effizient in einem Reaktor gerührt werden.

Claims

Bioreaktorträger, der ein thermoplastisches organisches Polymer mit einer Volumsschwellrate in Wasser von 150 bis 4.000 % ist und der ein wasserabsorbierendes Polyurethangel ist, das durch Umsetzen von langkettigen und kurzkettigen Polyolverbindungen mit einer Isocyanatverbindung erhalten wird, wobei das langkettige Polyol ein wasserlösliches Polyoxyalkylendiol mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 1.000 bis 13.000 ist; wobei das kurzkettige Polyol ein Diol mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von bis zu 400 ist; und die Mengen so gewählt sind, dass das Verhältnis zwischen Isocyanatgruppen des Diisocyanats und der Gesamtanzahl an Hydroxygruppen der beiden Verbindungen im Bereich von 1,0 bis 1,6 : 1 liegt.
Träger nach Anspruch 1, worin das Polyoxyalkylendiol aus Ethylenoxid-Propylenoxid-Copolymeren und Polyethylenglykol ausgewählt ist.
Träger zur Abwasserbehandlung unter Verwendung eines Bioreaktorträgers nach Anspruch 1 oder 2.
Träger zur Desodorierung unter Verwendung eines Bioreaktorträgers nach Anspruch 1 oder 2.
Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktorträgers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend die Schritte des Umsetzens langkettiger und kurzkettiger Polyolverbindungen mit einer Isocyanatverbindung, um ein thermoplastisches Harz zu erhalten, des Erhitzens des thermoplastischen Harzes auf seine Schmelztemperatur, um es dadurch zu plastifizieren, des Extrudierens des plastifizierten Harzes zu Strängen mit einem Extruder sowie des kontinuierlichen Schneidens der Stränge zu Pellets.
Verwendung eines Bioreaktorträgers aus einem thermoplastischen organischen Polymer mit einer Volumsschwellrate in Wasser von 150 bis 4.000 %, bei dem es sich um ein wasserabsorbierendes Polyurethangel handelt, das durch Umsetzen langkettiger und kurzkettiger Polyolverbindungen mit einer Isocyanatverbindung erhalten wird, wobei das langkettige Polyol ein wasserlösliches Polyoxyalkylendiol mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 1.000 bis 13.000 ist; wobei das kurzkettige Polyol ein Diol mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von bis zu 400 ist; und die Mengen so gewählt sind, dass das NCO/OH-Verhältnis im Bereich von 1,0 bis 1,6 : 1 liegt.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen daran haften und/oder innerhalb des Polymers eingehüllt sind.
Bioreaktor, umfassend einen Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und/oder Protozoen daran haften und/oder innerhalb des Polymers eingehüllt sind.
Träger nach Anspruch 7 oder Bioreaktor nach Anspruch 8, wobei nitrifizierende Bakterien an Oberflächen des Gels haften.
Verfahren zur Herstellung eines Bioreaktors, umfassend das Behandeln einer Flüssigkeit, die eine Vielzahl unterschiedlicher Spezies enthält, die aus Tierzellen, Pflanzenzellen, Mikroorganismen und Protozoen ausgewählt sind, mit einem Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, so dass ein erster Teil der Spezies, der relativ klebrig ist, an den Träger gebunden wird, während ein zweiter Teil der Spezies, der relativ nichtklebrig ist, im Wesentlichen nicht daran gebunden wird.