SE444322B - Forfarande for immobilisering av biologisk katalysator i matris av mineralull samt fluidpermeabel mineralullsmatris - Google Patents

Description

8500207-9 '10 15 20 25 30 35 2 la biologiska förfaranden. Så t ex genomföras förfarandet normalt vid omgivningstryck, medan temperaturen är ca 0-IOOOC, vanligtvis 20-BOOC och företrädesvis 20-40°C.

Allmänt bestäms produktiviteten vid aeroba biolo- giska processer av storleken hos den tillgängliga gräns- ytan mellan de olika faserna: syreinnehållande gas (gas- fas)/substratlösning (vätskefas)/katalysator (fast fas).

Ju större den tillgängliga gränsytan är, desto högre blir produktiviteten. Även vid anaeroba processer gäller att produktiviteten är beroende av den tillgängliga gränsytan, varvid det dock föreligger den skillnaden att det inte föreligger någon syreinnehållande gas. Cell- koncentrationen eller produktiviteten önskas nästan undan- tagslöst så hög som möjligt vid biologiska förfaranden.

För att den biologiska processen skall förlöpa så gynnsamt som möjligt är det av betydelse att tillför- Å seln av substratlösning och (vid aeroba processer) syre- innehållande gas (i det följande för enkelhets skull kallad luft) man vanligen åstadkomma detta genom att nedföra kata- í lysatorn i substratlösningen och syrsätta substratlös- ' ningen genom att låta luft i finfördelad form genom- bubbla subtratlösningen. Graden av finfördelning och där- är effektiv. Vid aeroba processer försöker med syreöverföringseffektiviteten bestäms huvudsakligen av omröringsintensiteten i bioreaktorn. En övre gräns l för denna omröringsintensitet sätts av katalysatorns A l fysiologi. Alla organismer och speciellt mycelbildande i svampar och bakterier, animala celler och växtceller är känsliga för de skjuvspänningar som uppstår vid intensiv omröring. Ett annat mycket vanligt sätt är att anordna f katalysatorn på en inert bärare, såsom krossad slagg, å makadam, pimpsten, etc, och låta substratlösningen spola i över en bädd av den på bäraren belagda katalysatorn Å samtidigt som bädden luftas. Ett exempel härpå är de biologiska bäddar som används vid rening av avloppsvatten. i Vid dessa kända förfaranden är det svårt att åstadkomma . en optimalt effektiv syretillförsel till katalysatorn. 10 15 20 25 30 35 “850-0207-9 3 För att katalysatorn skall kunna tillgodogöra sig syret måste detta nämligen diffundera genom den vätskefas av substratlösning som omger katalysatorn. Denna dif- fusion genom vätskefasen är normalt mycket långsam och utgör det hastighetsbestämmande steget för hela processen.

Man försöker därför att på olika sätt underlätta och V påskynda syreöverföringen, t ex genom omröring, fin-, fördelning av luften, finfördelning av substratlösningen i droppar, etc. Dessa åtgärder åstadkommer en viss för- bättring, men är samtidigt relativt energikrävande.

. T ex utgör kostnaden för luftning den, näst rå- material- och utrustningskostnaden, ofta största kost- naden vid industriella biologiska förfaranden. Dessutom är den finfördelning som göres för att öka vätska- -gaskontaktytan, i regel inte särskilt effektiv. Även om sålunda substratlösningen finfördelas till droppar, har varje droppe en avsevärd massa eller bulk, som luften endast efter relativt lång tid kan diffundera in-i helt och hållet.

Av det ovan sagda framgår att den för aeroba bio- logiska förfaranden hastighetsavgörande syreöverförings- förmågan hos systemet inte är optimal hos tidigare kända system och att detta utgör en allvarlig nackdel, bl a genom att detta sätter en övre gräns för slutlig cell- koncentration eller -produktivitet i substratet. Denna koncentration eller produktivitet önskas nästan undan- tagslöst så hög som möjligt vid biologiska förfaranden.

Det är därför ett primärt ändamål med uppfinningen att åstadkomma ett biologiskt förfarande, vid vilket ovannämnda nackdelar är undanröjda och vilket uppvisar en effektiv tillförsel av substratlösning, och vid aeroba förfaranden luft, på ett för katalysatorn skon- samt sätt.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en matris, med vilken förfarandet kan genom- föras på ett framgångsrikt sätt. 8500207-9 10 15 20 25 30 35 4 Ovanstående ändamål uppnås genom att man vid upp- finningen upptäckt att produktiviteten vid biologiska processer överraskande förbättras om man som matris för katalysatorn använder en mineralullsmatris med I höggradigt orienterade fibrer, varvid substratlösningena får passera matrisen i fibrernas huvudorienteringsplan.

-Orsakerna till att produktiviteten oväntat ökar' vid användning av en höggradigt orienterad mineralulls- matris på ovanstående sätt är inte helt klarlagda, men av allt att döma synes det bero på att fiberorienteringen medför att katalysatorerna fästs till matrisen i form av tunna filmer mellan korsande fibrer och särskilt vid korsningspunkterna mellan fibrerna. Dessa filmer har en »tjocklek av endast ett mycket begränsat antal katalysa- torer, vilket medför att kontakt- eller gränsytan mot substratlösning resp luft blir mycket stor och, såsom nämnts tidigare, ökar produktiviteten med ökande till- gänglig gränsyta. Varför katalysatorerna fixeras på matrisen i form av tunna filmer mellan fibrerna vid upp- finningen är inte klarlagt och normalt skulle man förvänta sig att katalysatorerna fixerades i större eller mindre, klumpformade aggregat. Vid dylika klumpformade aggregat är de inuti aggregaten belägna katalysatorerna dåligt till- gängliga för substratlösning resp luft, dvs den tillgäng- liga gränsytan är väsentligt mindre än vid uppfinningen.

Ett villkor för att uppfinningseffekten skall er- hållas är att matrisen är en mineralullsmatris med den ovannämnda höggradiga fiberorienteringen och att man vid genomförande av förfarandet enligt uppfinningen låter substratlösningen passera matrisen i fibrernas huvud- orienteringsplan.

Enligt uppfinningen åstadkommas sålunda ett biolo- giskt förfarande, vid vilket en i en fluidumpermeabel matris immobiliserad biologisk katalysator tillföres en substratlösning och, vid ett aerobt förfarande, en syre- innehållande gas, kännetecknat därav, att den biologiska katalysatorn immobiliseras i en matris av mineralull, vars fibrer uppvisar ett huvudorienteringsplan, varvid 10 15 20 25 30 35 850020749 5 minst 60 % av matrisens totala fiberlängd avviker högst 20° från huvudorienteringsplanet, och att substratlös- ningen tillföres så att den passerar matrisen i huvud- orienteringsplanet.

Enligt uppfinningen åstadkommes vidare en fluidumper- meabel matris för genomförande av förfarandet, vilken matris kännetecknas därav, att den utgöres av mineralull, vars fibrer uppvisar ett huvudorienteringsplan, varvid I minst 60 % av matrisens totala fiberlängd avviker högst '20° från huvudorienteringsplanet. Å Ytterligare kännetecken hos uppfinningen framgår av de osjälvständiga patentkraven. ' g Det skall i detta sammanhang nämnas att det är i och för sig känt att använda en matris av exempelvis mineralull som biologisk bädd vid rening av vatten.

Detta framgår t ex av SE patentansökan 7308380-0 och 7502057-a§ Vid uppfinningen utnyttjas en fibermatris av mineral- ull, företrädesvis glasull. Dylika fibermatriser har alla de egenskaper som erfordras av en matris vid före- liggande uppfinning, såsom inerthet, lågt motstånd mot gas- och vätskeflöde, god formstabilitet, etc, och kan dessutom framställas till låg kostnad.

En matris av glasull med densiteten 23 kg/m3, som är ett normalt värde för en byggisoleringsskiva av glas- ull, består av ca l vo1% glas och 99 vol% hålrum.

Matrisens fibrer har en medeldiameter av ca 1-500 um, företrädesvis ca l-100 um och mest föredraget ca 1-20 um.

Enligt uppfinningen uppvisar fibrerna i mineralulls- matrisen ett huvudorienteringsplan, varvid minst 60 % av matrisens totala fiberlängd avviker högst 20° från huvudorienteringsplanet. Företrädesvis är avvikelsen högst 20° hos minst 70 %, och helst minst 80 % av matri- sens totala fiberlängd.

Huvudorienteringsplanet för fibrerna_hos mineralulls- 8500207-9 6 matrisen enligt uppfinningen àstadkommes t ex genom att vid framställningen av matrisen öka rörelsehastigheten jämfört med den normala rörelsehastigheten hos det under- lag varpå fibrerna utlägges, varvid underlagets plan 5 kommer att motsvara matrisfibrernas huvudorienteringsplan.

Uppfinningen är dock inte begränsad till någon speciell metod för att åstadkomma den dominerande fiberoriente- ringen, utan varje matris som uppvisar det aktuella huvudorienteringsplanet och hos vilken minst 60 % av den 10 totala fiberlängden avviker högst 20° från huvudoriente- ringsplanet, inbegripes oavsett framställningsmetoden.

Såsom nämnts tidigare, är matrisen vid föreliggande. uppfinning tredimensionell, varmed menas att den har en utsträckning i vartdera av tre mot varandra vinkelrätal 15 plan av minst 10 ggr fiberdiametern. För att öka den. tredimensionella fibermatrisens självbärande förmåga kan matrisens fibrer vid sina korsningspunkter vara samman- bundna genom kemisk eller mekanisk bindning. Som exempel pà kemisk bindning kan nämnas sammanbindning av fibrerna 20 vid deras korsningspunkter med hjälp av polymerbindemedel, t ex av fenolhartstyp. Som ytterligare exempel på bindning kan nämnas sammansmältning av fibrerna vid deras korsninga- punkter med hjälp av värme eller lösningsmedel. Som exem- pel på mekanisk bindning kan nämnas nålning av fibermate- 25 rialet. En på detta sätt bunden, tredimensionell matris är väsentligen självbärande, vilket gör att någon speciell utrustning för inkapsling av matrisen vanligen inte är nödvändig. Det kan emellertid i vissa fall vara önskvärt eller lämpligt att förse matriselementet med yttre stöd- 30 organ, vilka dock kan utformas som gasgenomsläppliga väg- gar på ett enkelt och billigt sätt av exempelvis metall- trådnät eller perforerade plåtar.

I sin enklaste utföringsform utgöres matrisen av en homogen fiberkropp, dvs av fibrer med väsentligen 35 samma storlek och egenskaper. För att motverka vätske- genomträngning av den nedåtströmmande vätskan vid matri- sens vertikala begränsningsväggar kan matrisens_vertikala 10 15 20 25 30 35 8500207-9 7 ytterytor göras hydrofoba genom behandling av fibrerna i dessa ytterskikt med hydrofoberande oljor, vaxer eller polymerer på i och för sig känt sätt. Hos dessa ytter- skikt väts således inte fibrerna av vätskan, varför vätskegenomträngningsmotståndet är högt medan gastryck- fallet är bibehållet lågt. Detta innebär att ytterskikten utgör en yttre begränsning mot matrisens inre, vätta skikt och släpper igenom gasen men hindrar genomträngning av vätskan.

Ytterligare alternativa utföringsformer av matrisen enligt uppfinningen inbegriper flerskiktade matriser, vid vilka matriskroppen är uppbyggd av ett flertal distinkta, eller kontinuerligt i varandra övergående, olika fiberskikt, som skiljer sig åt genom fiberdiameter, spridning i fiberdiamter, fiberlängd, densitet, etc.

Dessa fiberskikt är lämpligen anordnade parallellt bred- vid eller koncentriskt omkring varandra i vätskans ström- ningsriktning. När det är fråga om distinkta fiberskikt kan skikten antingen anligga direkt mot varandra eller åtskiljas av mellanskikt som företrädesvis är hydrofoba.

Vid genomförandet av förfarandet enligt uppfinningen införes först katalysatorn i fibermatrisen, dvs matrisen “ympas" med katalysatorn. Detta går till så, att kata- lysatorn som sådan eller uppslammad i en lämplig vätska tillföres fibermatrisen och kvarhålles i denna genom dess filterverkan.

Såväl initialkvarhållning som senare kvarhållning av eventuellt nybildade celler kan förutom en renodlad "silverkan" (mekanisk kvarhàllning) också utgöras av andra interaktioner mellan katalysatorn och fibern, såsom elektriska attraktionskrafter, kemiska bindningar, ytkemiska eller ytfysikaliska adhesionsfenomen, ström- ningsfenomen och fastväxning.

Det är inte säkert att alla katalysatorerna omedelbart fastnar och kvarhålles i matrisen. Om så är fallet recirkuleras lämpligen vätskan med den upp- 8500207-9 10 15 20 25 30 35 8 slammade katalysatorn och införes på nytt i'matrisen.

I Denna recirkulation upprepas tills önskad grad av ympning av matrisen med katalysatorn erhållits.

,Den vätska som katalysatorn är uppslammad i vid ympningen kan antingen utgöras av en fullständig sub- 'stratlösning, som innehåller alla för katalysatorns tillväxt väsentliga näringsämnen, eller av en ofullstän- dig substratlösning, som saknar ett eller flera närings- ämnen, varigenom katalysatorns önskade metaboliska akti- vitet upprätthålles medan dess tillväxt motverkas.

När matrisen ympats med katalysatorer genomföres det biologiska förfarandet genom att leda substratlös- ning och, om det är fråga om en aerob process, luft genom matrisen, varvid substratlösningen leds i riktningen för huvudorienteringsplanet. Det föredrages att genomföra detta på så sätt att matrisen anordnas med huvudorien- V teringsplanet vertikalt, varefter substratlösning till- föres matrisen ovanifrån och på grund av tyngdkraften rinner igenom matrisen. Det förstås emellertid att sub- strattillförseln och matrislokaliseringen även kan ut- formas på andra sätt så länge villkoret att suhstrat- lösningen passerar matrisen i huvudorienteringsplanet är uppfyllt. Det vid aeroba processer förekommande luft- flödet kan anordnas på valfritt sätt i förhållande till flödet av substratlösning, såsom t ex tvärflöde, mot- strömsflöde eller medströmsflöde, varvid dock tvär- strömsflöde föredrages för närvarande. Eventuellt kan även lufttillförseln arrangeras genom att substratlös- ningen mättas med luft före tillsättning till matrisen, dvs ett särskilt luftflöde till matrisen saknas.

För att uppfinningen och dess fördelar skall förstås bättre kommer i det följande ett belysande, men ej be- gränsande exempel att ges. 10 15 20 25 30 35 ssoozov-9 J 9 EXEMPEL 'Bakterien Kleibsiella pneumoniae ATCC 15380, som förvarades på snedagarrör med nutrient agar (Difco), ympades till 200 ml tillväxtmedium i en 500 ml E~ko1v med bomullspropp. Tillväxtmediet hade följande samman- sättning: Glukos 10 g/liter (NH4)2S04 5,5 g/liter KHZPQ4 2,0 9/liter Na2HPo4 _ 2,0 g/liter MgSO¿.7H20_ 0,4 g/litera Spårämneslösning innehållande CaC12, ' FESOÅ, ZHSO4, Na2MOO4, COCI2, MnSQ4, Na2B4O7 1 ml/liter pH justeras till 7,0.

E-kolven placerades på ett skakbord vid 37°C ocn skakades vid 200 r/min, 30 mm cirkelgående rörelse.

I slutet av den logaritmiska tillväxtfasen skördades K. pneumoniae och 40 ml av en cellsuspension med en turbi- ditet av 6,0 vid 620 nm inympades i en reaktor, som innehöll 360 ml av det ovan beskrivna tillväxtmediet.

Reaktorn innefattade en glasullsmatris med en volym av 0,36 liter, vilken matris var anordnad med glasulls- fibrernas huvudorienteringsplan vertikalt. Reaktorn var försedd med utrustning för vätsketillförsel vid toppen av reaktorn och för avlägsnande eller recirkula- tion av vätska vid reaktorns botten. Vidare var reaktorn försedd med utrustning för genomströmning av luft genom reaktorn i ett väsentligen horisontellt, mot vätske- strömningen i reaktorn tvärriktat flöde. Syrehalten i ingående och utgående luft kunde mätas för att bestäm- ma mängden syre som förbrukats i reaktorn. V Reaktorn drevs först under 6 h som en satsvis reaktor, varvid K. pneumoniae fick tillväxa och förbruka tillväxtmediet. Förhållandena i reaktorn under detta satsvisa skede var följande: 8500207-9 10 15 20 30 35 10 Luftflöde genom reaktorn 0,5 liter/min Recirkulationsflöde 200 ml/min Recirkulerad mediumvolym 400 ml Temperatur 37°C pH i 7,0.

V Under bibehållande av ovanstående betingelser med recirkulation startades efter 6 h ett kontinuerligt flöde genom reaktorn av ett sparmedium, som utgjordes av det ovan angivna tillväxtmediet, men i vilket kon- centrationen av de ingående komponenterna reducerats till 1/10. Reaktorn användes härvid som en kemostat med en utspädningshastighet av 1,25 h-1. Efter 48 h mättes syreupptagningshastigheten per volymsenhet av reaktorn.

Försöket ovan med mätning av syreupptagningshastig- heten per volymsenhet av reaktorn upprepades, men med den skillnaden att glasullsmatrisen utbyttes mot andra glasullsmatriser med annan grad av fiberorientering.

Son ett mått på fiberoríenteringen togs antalet procent av den totala fiberlängden i matrisen som avviker med högst 200 från fibrernas huvudorienteringsplan i matri- sen. Genom att avsätta den relativa syreförbrukningen (i procent) per reaktorvolymsenhet som en funktion av matrisens fiberorienteringsgrad uttryckt i procent av den totala fiberlängden som avviker med högst 200 från huvudorienteringsplanet för fibrerna erhölls kurvan i fig 1. Av kurvan framgår klart att en markant ökning av den relativa syreförbrukningen, dvs en förbättring av reaktorns effektivitet, sker när matrisfibrerna är kraftigt orienterade i huvudorienteringsplanet och när- mare bestämt när minst 60 % av den totala fiberlängden avviker högst 20° från fibrernas huvudorienteringsplan i matrisens (vätskans strömningsriktning genom matrisen).

Claims (6)

1. 0 15 20 25 30 3500207-9 ll I PATENTKRAV l.

2. Biologiskt förfarande, vid vilket en i en fluidumpermeabel matris immobiliserad biologisk kataf lysator tillföres en substratlösning och, vid ett aerobt förfarande, en syreinnehállande gas, k ä n n e - t e c k n a t därav, att den biologiska katalysatorn immobiliseras i en matris av mineralull, vars fibrer uppvisar ett huvudorienteringsplan, varvid minst 60 %M av matrisens totala fiberlängd avviker högst 20° från huvudorienteringsplanet, och att substratlösningen till- föres så att den passerar matrisen i huvudorienterings- planet. ” 2; Förfarande enligt kravet 1,' k ä n n e - t e c k n a t därav, att minst 70 % av matrisens totala fiberlängd avviker högst 20” från huvudorienteringsplanet.

3. Förfarande enligt kravet 2, k ä n n e - t evc k n a t därav, att minst 80 % av matrisens totala fiberlängd avviker högst 20” från huvudorienteringsplanet.

4. Fluidumpermeabel matris för genomförande av för- farandet enligt något av kraven 1-3, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den utgöres av mineralull, vars fibrer uppvisar ett huvudorienteringsplan varvid minst 60 % av matrisens totala fiberlängd avviker högst 20° från huvudorienteringsplanet.

5. Matris enligt kravet 4, k ä n n e t e c k - n a d att minst 70 % längd avviker högst 20° från huvudorienteringsplanet. därav, av matrisens totala fiber-

6. Matris enligt kravet 5, k ä n n e t e c k - n a d därav, att»minst 80 % av matrisens totala fiber- längd avviker högst 20° från huvudorienteringsplanet.