NO154524B - Baerermedium for biologisk materiale og anvendelse derav i apparat for dyrking av slikt materiale. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et bærermedium

for biologisk materiale og anvendelse derav i apparat for dyrking av slikt materiale.

Eksempler på prosesser som denne oppfinnelse

angår, og som praktiseres industrielt, er biologiske fermen-teringsprosesser av forskjellige typer og behandling av kloakk eller industrielt avløp med den såkalte aktiverte slamprosess.

Foreliggende oppfinnelse er basert på en erkjen-nelse av muligheten for å fremskaffe biomasse i et reaksjons-

kar slik at volumet av tilstedeværende biomasse er nøyaktig kjent og er til stede i pakninger av kjent størrelse og form.

På denne måten kan konsentrasjonen av biomasse opprettholdes

på et optimalt nivå, og biomassens alder og således også totalutbytte fra reaksjoner, så vel som reaksjonenes natur,

kan bestemmes og kontrolleres.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveie-

bragt et bærermedium for biologisk materiale, og dette bærermedium er kjennetegnet ved at det består av flere fritt bevegelige legemer som hvert har en vesentlig ensartet, nettdannet struktur gjennom hele volumet av hvert legeme og med åpninger i hvert legemes ytre overflate, hvilket gir lett adkomst til alle deler av legemenes indre struktur slik at biologisk materiale vil vokse i den indre struktur av legemene.

Foreliggende bærermedium kan anvendes i en

prosess hvor et biologisk materiale dyrkes fra et forråd av egnet næringsmateriale, hvorved næringsstoff og eventuelle tilleggssubstanser som måtte være nødvendige for reaksjonen, passerer et leie bestående av nevnte bærermedium for det biologiske materialet inneholdt i et reaksjonskar, idet nevnte bærermedium består av en eller flere legemer som har et betydelig indre volum og et utstrakt areal med adgang fra den ytre overflate til det indre volum, og veksten av bio-

logisk materiale fra den ytre overflaten på hver av de nevnte legemer begrenses.

Begrensning av en slik utadrettet vekst kan skje

ved kontinuerlig eller periodisk fjerning av slikt materiale fra legemet eller legemene fra karet før slik vekst finner sted.

Det er en fordel at det indre volum av hver av

de nevnte legemer er slik at det biologiske materialet som befinner seg inne i nevnte legeme, er til stede som en inert masse.

Videre, ifølge oppfinnelsen anvendes det oven-

for omtalte bærermateriale i et apparat som omfatter en reaksjon reaksjonsbeholder og anordning for sirkulasjon av nærings-

medium for biologisk materiale.

En foretrukken form for apparat består av et reaksjonskar som inneholder et flertall av nevnte legemer, hvor hvert legeme: a) er av en slik form at legemene kan bevege seg relativt til hverandre med en glidende og/eller bankende bevegelse uten sammenpakning til en fast enhet, b) har en ytre overflate av en slik karakter at legemene ikke fester seg til hverandre under nevnte relative bevegelse.

har et betydelig volum i den indre struktur, og

d) har et utstrakt areal med adgang fra den ytre overflate til det indre volum,

videre er det sørget for måter å lede væske med næringsmateriale og andre substanser som er nødvendige for å opprettholde reaksjonen gjennom karet under slike betingelser at det foregår en viss bevegelse av de individuelle legemer relativt til hverandre slik det biologiske materialet som vokser utenpå de ytre overflater på legemene, frigjøres ved mekanisk påvirkning.

En alternativ, foretrukken form for apparat som kan benyttes, består av et reaksjonskar med et flertall av nevnte legemer, hvor hvert legeme: a) har en ytre overflate av en slik karakter at legemene ikke fester seg til hverandre under sine relative bevegelser,

b) har et betydelig volum i sin indre struktur, og

c) har et betydelig areal med adgang fra dets ytre

overflate til et slikt volum,

videre metoder for å introdusere nevnte legemer fri for eller overveiende fri for biologisk materiale til karet og metoder for å fjerne legemer som er fylt eller overveiende fylt med biologisk materiale fra karet, idet oppholdstiden av legemene i karet er slik at de fjernes før vekst av biologisk materiale

utover fra deres ytre overflater finner sted.

Oppfinnelsen vil videre fremgå av følgende beskri-velse med referanse til de forskjellige figurer i de ledsagende tegninger som kun med eksempler viser to apparattyper for behandling av kloakkavløp ved den såkalte aktiverte slambehand-lingsprosess og som inkluderer oppfinnelsen

Av tegningene:

viser fig. 1 et partielt sidesnitt av den første form for apparat; viser fig. 2 et partielt sidesnitt av den andre for for apparat; viser fig. 3 et perspektivsnitt av en av legemene i apparatet i fig. 1 eller 2 i en forstørret skala; og

fig. 4 viser et perspektivsnitt av en alternativ form for legeme til apparatet i fig. 1 eller 2 igjen i en forstørret målestokk.

i r!en koni"^'^ j unel .1 e aktiverte slainbehandlingspro-sess blir kloakk eller industriavløp og omrørt inne i et kar i nærvær av en biologisk populasjon som metaboliserer på forskjellige forurensninger i avløpet og som gror under dannelse av såkalt sekundær slam som kan fjernes fra avløpet ved sedimentering. Konsenstrasjonen av den biologiske populasjon inne i behandlingskaret vil variere med forandringer i sammensetning av avløpet, oppholdstiden og et flertall andre faktorer, men vil i ethvert tilfelle være begrenset med det resultat at behandlingskaret vil måtte være mye større enn nød-vendig, dersom høyere konsentrasjoner av biologisk populasjon skal kunne opprettholdes.

Idet det nå refereres til fig. 1 og 3 på tegningene, fremgår det at den første form for apparaturer egentlig består av en vertikalt, utstrakt, sylindrisk kolonne som danner et reaksjonskar generelt indikert ved 10. Karet 10 er lukket i tilslutning til dets nederste og øverste ende ved hjelp av perforerte plater, henholdsvis 11 og 12. Rommet mellom platene 11 og 12 er delvis fylt med et flertall av legemer 14, hvis struktur vil bli beskrevet i større detalj nedenfor. Hver av legemene lH er imidlertid bærestrukturer og inneholder biomasse som utgjør en del av den totale biologiske populasjon som inneholdes i karet 10.

Avløp i dette tilfellet kloakkavløp fra råkloakk etter sikting, og dersom det er nødvendig, pri-

mær sedimentering av denne, blir ledet oppover gjennom karet 10 ved innføring gjennom rør 15 til kammer 16 som er plassert under platen 11. Væske forlater den øvre ende av kar 10 ved passasje gjennom åpningene i plate 12 til overløp til en oppsamlingsled-ning eller renne 17 som er forbundet med et rør 18 til kammer 16 ved hjelp av en pumpe 19 som tjener til å resirkulere en del av væsken, idet overflødig væske (som er lik innflødet gjennom rør 15) blir ledet vekk gjennom rør 20 på trykksiden av pumpe 19-

Luft blir separat forsynt til kammer 16 fra en kompressor 22 via et rør 23.

Idet avløpet og luft strømmer oppover gjennom kar 10 reagerer de med den biologiske populasjon som er inneholdt i legemene 14 og forårsaker derved en nedbrytning av forskjellige substanser inkludert karbonholdige og proteinholdige materialer under dannelse av karbondioksyd og ytterligere biomasse som gror utover fra legemene 14.

Legemene 14 pakker ikke rommet mellom platene 11

og 12 fullstendig, derved forårsaker strømmen av gass og væske gjennom kar 10 en viss bevegelse av legemene 14 relativt til hverandre innen sitt leie. Denne bevegelse er slik at den forårsaker at den ytre overflate av legemene 14 gnir eller slås mot hverandre, og derved forårsaker at legemene feller av overflødig biomasse ved hjelp av gnidning så fort som det dannes på legemenes ytre overflater. Legemenes kontakt med veggene i karet 10 og strømmen av væske over legemene kan også bidra til at et overskudd av biomasse frigjøres.

Vi har funnet av konsentrasjonen av biomasse pr. volumenhet av reaksjonskar som benytter seg av legemer av det slag som vi behandler her, kan være større med en faktor av opp til 5 enn konsentrasjonen av biomasse i en konvensjonell, luftet tank med det resultat at kapasiteten til behandlingskaret ved en gitt gjennomstrømning av avløp, kan være omtrent 1/5 av kapasiteten av en konvensjonell tank med en derav følg-ende betydelig reduksjon i kapitalutgifter til et behandlings-anlegg, idet en antar samme biomasseaktivitet i begge situa-sjoner.

Legemene 14 er av en spesiell konstruksjon. Deres utvendige form er fortrinnsvis generelt rund eller tilstrekkelig rund til å tillate dem til å bevege seg relativt til hverandre med en gnidende eller støtende bevegelse uten at de pakker seg sammen til en enhet. Dessuten er legemenes ytre overflater av en slik karakter at de ikke fester seg til hverandre under en slik relativ bevegelse. Legemene har betydelig tomrom i sin indre struktur, dvs. at deres bulktetthet i luft er betydelig mindre enn tettheten av materialet som det er dannet av. Hvert legeme har et betydelig areal med tilgang fra dets ytre overflate, f.eks. ved hjelp av et flertall av åpninger eller kavi-teter til slike tomrom. Tomrommet er fortrinnsvis slik at volumet av biomasse som inneholdes av hvert legeme, er generelt tilstede som en integrert masse eller monolittisk struktur.

Legemene kan lages av metall slik som rustfritt stål, visse syntetiske plaster, glass eller andre ikke-korroder-ende materialer. Legemene kan være av svamplignende konstruksjon eller av retikulær konstruksjon eller av en annen form.

Forskjellige modifikasjoner er mulig. F.eks. kan reaksjonskaret inneholde legemer av forskjellig størrelse som vil gruppere seg i sitt leie. Slike ulikstore legemer kan inneholde forskjellige slags organismer, hvorved forskjellige slags reaksjoner kan finne sted i reaksjonskaret samtidig.

Idet det refereres til fig. 2 og 3 på tegningene, kan det der sees at den andre form for apparatur i alt vesentlig består av en vertikalt, utstrakt, sylindrisk kolonne som danner et reaksjonskar generelt indikert ved 50. Den øvre ende av kar 50 er lukket ved en perforert plate 51 og omgitt av en oppsamlings ledning eller renne 52, hvis funksjon vil fremgå

av det følgende.

Kar 50 inneholder et flertall av legemer 14 som alle er utformet til å inneholde biomasse, idet de danner en del av den biologiske populasjon som inneholdes i kar 50. Legemene 14 er tilsvarende de som ble beskrevet i forbindelse med apparaturen i fig. 1 og er laget av et materiale som har

mindre tetthet enn vann.

En kanal 53 leder inn til det indre av kar 50 i nærheten av dets jrfvre ende, og benyttes til å forsyne karet 50 med legemer 14 som da er fri for biomasse eller praktisk talt fri for biomasse.

Kloakkavløp som kommer fra råkloakk etter behandling (screening), og dersom nødvendig, primær sedimentering, blir ledet inn til bunnen av kar 50 gjennom et rør 54 sammen med luft som blir ledet fra en kompressor 55 inn til karet ved hjelp av diffusorer 56.

Idet avløpsvæsken og luft passerer oppover gjennom karet 50, blir forskjellige forurensninger slik som karbonhol-dig og proteinholdig materiale som inneholdes i avløpsvæsken, metabolisert av den biologiske populasjon som inneholdes i kar 50.

Avløpsvæsken forlater toppen av karet 50 gjennom perforeringene i platen 51 for å bli samlet i ledningen eller rennen 5-2. Hovedmengden av væsken som strømmer inn i ledningen eller rennen 52, blir recyclisert ved hjelp av en pumpe 57

til et rør 58 for å gjeninnledes i bunnen av kar 50. En mindre del som er lik tilførselen gjennom rør 5^, blir avledet for videre behandling gjennom rør 59-

Legemer 14 blir fjernet fra karet i nærheten av bunnen gjennom rør 60 sammen med noe av avløpsvæsken. Bland-ingen av legemer 14 og avløpsvæske passerer så til en silean-ordning 6l som fører væsken gjennom rør 62 til sugesiden av pumpe 57 og separerte legemer gjennom rør 63 til en maskin 64 som separerer biomasse som inneholdes i legemene fra legemene selv. Den separerte biomasse blir fjernet gjennom rør 65 som sekundært slam, mens legemene 14 som er befridd for biomasse blir ledet gjennom rør 66 for innledning gjennom kanal 53.

Det er innforstått at legemene blir resirkulert kontinuerlig gjennom kar 50. Idet legeme 14 beveger seg ned-over gjennom karet, vil de gradvis inneholde stadig mer biomasse , enten ved å bli kimtilsatt med biomasse som inneholdes i den resirkulerende avløpsvæske> eller ved å påvirkes til samme resultat ved hjelp av ufullstendig fjerning av biomasse i maskin 64.

Apparat et er konstruert slik at oppholdstiden

for legemene i kar 50 er slik at de blir fjernet når de er betydelig fylt med biomasse, men før biomasse gror utover fra deres overflater.

Maskin 64 kan separere biomasse fra legemene 14

ved intens vibrasjon eller annen mekanisk metode. Som et alternativ kan legemene 14 frigjøres for biomasse og brukes om igjen, ved en kjemisk eller biologisk metode slik som en lengre utluft-ning f.eks.

Strømmen av væske og luft gjennom karet 50 er slik at den gjør leie av legemer 14 flytende i en slik grad at det muliggjør en fordeling av legemer 14 i leiet slik at apparaturen virker på den beskrevne måte.

På samme måte som den første form for apparatur

som ble beskrevet, kan konsentrasjonen av biomasse pr. volumenhet av reaksjonskaret bli betydelig større enn mulig med den konvensjonelle aktiverte slamprosess.

Videre vil overskuddet av gjenvunnet biomasse inneholde en mindre del fritt vann (dvs. ekstra-cellulært vann) enn konvensjonelt sekundært slam, og derved gjøres avvanningen til en forbrennbar tilstand enklere.

Forskjellige modifikasjoner er mulig.

Dersom, f.eks. legemene er laget av et ikke-forbrennbart materiale, kan overskudd av biomasse som inneholdes i disse fjernes ved forbrenning. På samme måte dersom legemene er laget av et forbrennbart materiale, kan disse brennes sammen med innhold av biomasse, idet nye legemer blir kontinuerlig matet inn i stedet for recyclisering av et gitt antall.

Dessuten kan f.eks. legemene dannes av et materiale som er tyngre enn vann, og føres gjennom karet i motsatt retning, dvs. fra bunn til topp.

Det vil være klart at i begge former for apparatur som er beskrevet, vil mengden av biomasse som er tilstede i reaksjonskaret ved en gitt tid, være rimelig nøyaktig kjent, og det er også størrelsen og formen av de enheter eller pakninger i hvilke biomassen er tilstede, og at kontrollen av reaksjonen derved kan bli mer presis og forutsigelig enn hva som hittil har

vært mulig med konvensjonell apparatur.

Forskjellige interessante muligheter eksisterer.

F.eks. kan legemene i begge former for apparatur som er beskre-

vet være av en slik størrelse at et tilstrekkelig stort volum med biomasse inneholdes i disse, hvorved praktisk talt aerobe prosesser kan finne sted på overflaten av hvert legeme og i et indre lag rett under en slik overflate, mens praktisk talt an-

aerobe prosesser slik som omhandling av nitrater til nitrogen-

gass finner sted inne i legemet i de dypre lag med biomasse.

Det må være klart at størrelsen av legeme som er

nødvendig for å sikre at både aerobe og anaerobe prosesser finner sted, vil være avhengig av oppløst oksygenmengde i re-aksj onkaret. Det følger derav at størrelsen på legemet kan velges til et gitt oppløst oksygennivå eller det oppløste ok-

sygennivå kan justeres til en gitt legemestørrelse for å gi den ønskede grad av både aerobe og anaerobe prosesser. Normalt vil det ønskede nivå være det som minimaliserer biomasse-produksj onen.

Et egnet legeme til bruk i apparatet som er be-

skrevet med referanse til enten fig. 1 eller fig. 2, er illu-

strert i fig. 3, og kan lages fra en sammenhengende lengde med plastmonofilament som strikkes slik at man får et stykke vev med form som et sylindrisk rør som så rulles til en

toroid form. I et typisk eksempel vil toroiden ha en diameter på 5 cm eller deromkring og en tykkelse på 2 cm eller deromkring.

Dette legeme kan masseproduseres på en enkel måte

og er billig og derfor attraktivt i tillempninger hvor store mengder trengs, f.eks. ved behandling av kloakk eller industri-

elt avløp.

Et annet egnet legeme er vist i fig. 4, og det

kan lages fra en sammenhengende lengde med rustfri stålwire som strikkes, igjen slik at man får et sylindrisk rør, der man tar en viss lengde av dette og presser sammen til en praktisk talt sfærisk form. Dette legeme er relativt dyrt, men er mer egnet for anvendelser hvor legemene skal ha en mindre størrelse, dvs.

en diameter på f.eks. 0,6 cm. Legemer av rustfritt stål kan være av spesiell interesse der hvor finkjemikalier som far-

masøytiske produkter skal fremstilles.

Legemer kan pakkes tett sammen i et reaksjonskar slik at de blir statiske når de materialer som trengs for reaksjonen, passerer gjennom karet. I dette tilfellet blir overskudd av biomasse fjernet kun ved væskeskjærkraft, og strømmen gjennom karet må være slik at dette sikres og til-stopning hindres.

På den annen side, i stedet for å ha legemene i

et statisk kar som det materialet eller de materialer som skal behandles, passerer igjennom, kan f.eks. legemene inneholdes i et åpent burlignende kar som i seg selv beveger seg gjennom det materialet som skal behandles. Et slik burlignende kar kan ha form som en roterbar trommel som i alle fall delvis er neddykket i en mengde væske som inneholder det materialet som skal reagere.

Dessuten kan f.eks. legemene inneholdes i et

åpent tanklignende kar som blir omrørt med en tilstrekkelig kraft slik at legemene avgir overskudd av biomasse ved væskeskjærkraft eller ved gnidning som oppstår ved kollisjon.

Selv om nødvendige næringsstoffer normalt vil passere over bærestrukturen for det biologiske materialet i form av en væske sammen med slike gassformige tilsetninger som kan være nødvendige for å opprettholde de ønskede reaksjon-ene, kan det være anvendelser hvor de nødvendige næringsstoffer kan være tilstede i gass, tåke eller dampform sammen med tilstrekkelig fuktighet for å opprettholde den biologiske reaksjonen.

Selv om vi har beskrevet oppfinnelsen med referanse til behandling av avløp, må det underforstås at teknikkene er anvendbare til en hvilken som helst prosess, hvor biologisk materiale dyrkes fra en næringskilde. Således kan teknikkene anvendes ved produksjon av farmasøytiske substanser og encelle-protein slik som gjær. Det forutsees f.eks. at fermenter som brukes i bryggeri og tilsvarende industrier med fordel kan inneholde den nødvendige gjær i legemer av den generelle typen som er beskrevet.

Det vil også være klart at legemene, selv når de

er tomme, kan tjene til å virke som filtere i det apparat som er

beskrevet med referanse til fig. 2, og i visse anvendelser kan en slik filtreringseffekt være fordelaktig.

Claims (5)

1. Bærermedium for biologisk materiale, karakterisert ved at det består av flere fritt bevegelige legemer som hvert har en vesentlig ensartet nettdannet struktur gjennom hele volumet av hvert legeme og med åpninger i hvert legemes ytre overflate, hvilket gir lett adkomst til alle deler av legemenes indre struktur slik at biologisk materiale vil vokse i den indre struktur av legemene.

2. Bærermedium ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert legeme har toroid form som er dannet ved å rulle en lengde av et rør som er strikket av et plastmonofilament, til en slik form.

3. Bærermedium ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert legeme har en generelt sfærisk form og består av en sammenkrøllet rørlengde som er strikket av et monofilament av rustfritt stål.

4. Bærermedium ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert legeme har generell kubisk eller lignende form og består av et nettdannet skumplastmateriale.

5 . Anvendelse av baerermateriale ifølge krav 1-4 i et apparat som omfatter en reaksjonsbeholder og anordning for sirkulasjon av næringsmedium for biologisk materiale.