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Die Erfindung bezieht sich auf einen
hydratisierten und kornigen Träger
für eine
Vorrichtung zur biologischen Behandlung und ein Verfahren zur Herstellung
desselben und insbesondere auf einen Träger zur Immobilisierung eines
lebenden Mikroorganismus, der für
eine biologische Vorrichtung zur Behandlung von Abwasser und Auspuffgasen
verwendet wird, das/die sowohl in einem lebenden System als auch
in einem Industriesystem produziert wird/werden und auf ein Verfahren
zur Herstellung desselben.
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Ein Träger zur Immobilisierung eines
lebenden Mikroorganismus für
eine Vorrichtung zur biologischen Behandlung, die derzeit in die
Praxis umgesetzt wird, ist ein körniger
Träger,
der vollständig
verseifte körnige
PVA-Teilchen und feingemahlenes anorganisches Pulver wie feingemahlenes
Aktivkohlepulver umfaßt,
mit dem die körnigen
Teilchen beschichtet werden und ist geeignet zum Einsatz der Absorptionseigenschaften
des feingemahlenen anorganischen Pulvers, mit dem die körnigen Teilchen
beschichtet werden. Ein derartiger herkömmlicher
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Träger ist typischerweise jeweils
in den japanischen Patentschriften
JP 01060318 B4 und
JP 02021317 B4 und in Chem.
Abstr. Vol. 108, Nr. 10, March. 7, 1988, The American Chemical Society,
Columbus, Ohio, USA, Zusammenfassungsnummer 108:81393d;
JP 62-269 797 A und
in
JP 03083-585 A offenbart.
Die Immobilisierung des lebenden Mikroorganismus wird durch Eintauchen
der Trägerteilchen
in eine wässrige
Lösung
durchgeführt,
in der die lebenden Mikroorganismen gezüchtet werden. Der Träger wird
in Form eines Festbettes oder Fließbettes in der Vorrichtung
zur biologischen Behandlung verwendet. Wenn der Träger in Form
eines Festbettes verwendet wird, ist es erforderlich, in einer Behandlungsvorrichtung
die Volumenänderung
auf das Gewicht des Trägers
zu reduzieren, der Wasser adsorbiert hat, wogegen bei Verwendung
in Form eines Fließbettes
es erforderlich ist, daß die
körnigen
Teilchen erhöhte
Festigkeit aufweisen und die körnigen Teilchen
mit erhöhter
Festigkeit mit dem feingemahlenen anorganischen Pulver beschichtet
werden.
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Zur wirksamen Immobilisierung von
lebenden Mikroorganismen auf einer Trägeroberfläche ist es wesentlich, daß das feingemahlene
anorganische Pulver auf der Oberfläche der körnigen Teilchen ausreichende
Absorptionseigenschafen aufweist und die körnigen Teilchen zufriedenstellende
Wässerabsorptionseigenschaften
aufweisen. Die Wasserabsorptionseigenschaften des Trägers hängen ab
von der Wasserrückhaltefähigkeit
des Polymers, aus denen die körnigen
Teilchen für
den Träger
gebildet werden und von der Innenstruktur der körnigen Teilchen. Die Haltbarkeit
des Trägers
hängt auch
von der Innenstruktur der körnigen
Teilchen und der Beschichtungsfestigkeit des feingemahlenen anorganischen Pulvers
auf den körnigen
Teilchen ab.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen
hydratisierten körnigen
Träger
für eine
Vorrichtung zur biologischen Behandlung bereitzustellen, der zufriedenstellende
Wirkungsweise bei der Immobilisierung von lebenden Mikroorganismen
aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch den hydratisierten körnigen Träger nach
Anspruch 1 beziehungsweise durch das Verfahren nach Anspruch 2 gelöst. Eine vorteilhafte
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in Anspruch 3 charakterisiert.
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Es die ein Vorteil der Erfindung,
daß ein
hydratisierter körniger
Träger
für eine
Vorrichtung zur biologischen Behandlung bereitgestellt wird, der
verringerte Volumenänderung
bei der Beladung ermöglicht
und zufriedenstellende Haltbarkeit aufweist.
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Es ist auch ein Vorteil der Erfindung,
daß ein hydratisierter
körniger
Träger
für eine
Vorrichtung zur biologischen Behandlung bereitgestellt wird, der
erhöhte
mechanische Festigkeit aufweist.
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Ein Vorteil des Verfahren zur Herstellung
eines hydratisierter. körnigen
Trägers
besteht darin, dass einen hydratisierten körnigen Träger zur Verfügung stellen
kann, der eine verringerte Volumenänderung bei der Beladung aufweist
und zufriedenstellende Haltbarkeit und erhöhte mechanische Festigkeit
besitzt.
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Erfindungsgemäß wird Pulver eines hydrophilen
Polymermaterials wie etwa PVA oder ein Derivat davon für die hydratisierten
körnigen
Gelteilchen verwendet und zu diesem Zweck wird zweckmäßigerweise
Pulver aus PVA verwendet, das unlöslich in kaltem Wasser und
löslich
in heißem
Wasser ist, und einen Verseifungsgrad von etwa 95 mol% oder mehr besitzt.
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Im allgemeinen ist es für zufriederistellende Wasserabsorptionseigenschaften
der körnigen
Polymerteilchen erforderlich, daß die Innenstruktur der Teilchen
geeignete Hohlräume
aufweist und Bestandteile der Polymerteilchen, aus denen die körnigen Teilchen
gebildet werden, durch eine Kontaktfläche zwischen diesen fest und
gleichmäßig miteinander
verbunden sind. Die Innenstruktur der körnigen Teilchen mit derartigen
Eigenschaften wird in einem anfänglichen
Granulierungsschritt durch augenblickliches Schmelzen einer Oberfläche der
Bestandteile der Polymerteilchen gewonnen, mit der die Teilchenbestandteile
miteinander kontaktiert werden, so daß die Teilchenbestandteile
sich miteinander verbinden, wodurch die Bestandteile der Polymerteilchen
miteinander über
die geschmolzene Oberfläche
koaleszieren und folglich körnige
Teilchen hergestellt werden. In dieser Hinsicht ist die Erfindung
so aufgebaut, daß auf
eine Temperatur von 40 bis 100°C
erhitztes Wasser zu dem Polymer in einer Menge von 50 bis 150 Gewichtsteilen
bezogen auf 100 Gewichtsteile des Polymers unter Rühren bei
erhöhter
Geschwindigkeit zugegeben wird, wodurch die vorstehend beschriebenen
hydratisierten körnigen
Gelteilchen hergestellt werden. Durch einen derartigen Aufbau der
Erfindung ist es möglich,
daß Bereiche
der Bestandteile der Polymerteilchen miteinander kontaktiert werden, so
da sie sich miteinander gelartig und gleichmäßig und vom Inneren der körnigen Teilchen
bis zu deren Oberfläche
innig verbinden.
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Dann wird das feingemahlene anorganische Pulver
zusammen mit 5 bis 20 Gew.-% des erhitzten Wassers zu den so hergestellten
körnigen
Gelteilchen unter Hochgeschwindigkeitsrühren zugegeben, wodurch sich
der hydratisierte körnige
Träger
ergibt, der einen Wassergehalt von etwa 30–60% besitzt und 3 Gew.-% oder
mehr des feingemahlenen anorganischen Pulvers gebunden hat.
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Ein Wassergehalt des Trägers zwischen 30%
und 60% ist wünschenswert,
da die Herstellung der hydratisierten körnigen Gelteilchen sichergestellt wird
und das anorganische Pulver die Wirkungsweise eines Bindemittels
aufweisen kann.
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Beim Verfahren der Erfindung, das
so aufgebaut ist, daß die
Oberfläche
der Bestandteile der Polymerteilchen, mit der die Teilchenbestandteile
miteinander kontaktiert werden, in einem anfänglichen Granulierungsschritt
augenblicklich schmelzen, so daß die
Teilchenbestandteile miteinander verbunden werden, wodurch die Bestandteile
der Polymerteilchen über
die geschmolzene Oberfläche
miteinander koaleszieren, und sich folglich körnige Teilchen bilden, sind
die Temperatur des erhitzten Wassers, die Menge seiner Zugabe, die
Geschwindigkeit der Zugabe und die Art der Zugabe bedeutende und
wichtige Faktoren. Die erforderliche Temperatur zur augenblicklichen
Schmelze der Kontaktfläche
der Bestandteile der Polymerteilchen zur Bindung der Teilcheibestandteile
durch die geschmolzene Kontaktfläche liegt
zwischen 40 und 100W und vorzugsweise zwischen 60 und 80°C. Ein Temperaturabfall
des erhitzten Wassers auf einen Wert unterhalb des Temperaturbereiches
verursacht mangelnde Koaleszenz zwischen den Bestandteilen der Polymerteilchen.
Eine obere Temperaturgrenze des erhitzten Wassers zur Koaleszenz
der Bestandteile der Polymerteilchen ist nicht spezifiziert. Jedoch
ist eine Tmperatur von 800 C oder mehr im allgemeinen nicht bevorzugt,
da sie übermäßige Koaleszenz
der Teilchenbestandteile verursacht, die zur Bildung von Agglomeraten
der Teilchenbestandteile ausreicht, die nicht durch ein Sieb mit
vorbestimmter μm-Größe hindurchlaufen, wodurch
die Ausbeute der körnigen
Teilchen verschlechtert wird.
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Das erhitzte Wasser wird vorzugsweise
mittels eines Sprays zugegeben, da dies die gleichmäßige Verteilung
des Wassers auf den Bestandteilen der Polymerteilchen ermöglicht.
Die Geschwindigkeit der Zugabe des erhitzten Wassers, das geeignet
ist zur augenblicklichen Schmelze der Oberfläche der Bestandteile der Polymerteilchen,
mit der die Teilchenbestandteile miteinander kontaktiert werden,
so daß sie
sich miteinander verbinden, wodurch die Bestandteile der Polymerteilchen über die
geschmolzene Oberfläche
miteinander koaleszieren, ist etwa 10–15 l/min bei einer Rührgeschwindigkeit
von bis zu 500 bis 1000 U/min. Die Menge des in Abhängigkeit von
der Granulierungszeit zugegebenen erhitzten Wassers ist 50 bis 150
Gewichtsteile und vorzugsweise 60 bis 120 Gewichtsteile. Eine Menge
des erhitzten Wassers unterhalb des Bereichs verursacht einen erhöhten Ausfall
der Koaleszenz zwischen den Bestandteilen der Polymerteilchen, wohingegen
eine Menge oberhalb des beschriebenen Bereichs übermäßige Koaleszenz der Teilchenbestandteile
in einem Ausmaß verursacht,
das zur Bildung von Agglomeraten der Teilchenbestandteile ausreicht,
die durch ein Sieb mit vorbestimmter μm-Größe nicht hindurch laufen, wodurch
die Ausbeute der körnigen Teilchen
verschlechtert wird. Die Gesamtmenge des erhitzten Wassers, durch
das dem Trägerprodukt
ein Wassergehalt von 30 bis 60% verliehen wird, ist 55 bis 170 Gewichtsteile.
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Das feingemahlene anorganische Pulver, das
während
der Granulierung zugegeben wird, besitzt die Wirkung, daß das Abbinden
der hergestellten körnigen
Gelteilchen verhindert wird. Eine Zugabemenge des feingemahlenen
anorganischen Pulvers unterhalb von 3 Gewichtsteilen Führt nicht
zu einer Beschichtung auf der gesamten Oberfläche der Teilchen. Dies verursacht
das Abbinden der körnigen Gelteilchen,
was zu einer Verringerung der Teilchenausbeute Führt, wogegen eine Menge oberhalb
von 30 Gewichtsteilen eine Verringerung der Kontaktoberfläche des
Pulvers mit den hydratisierten körnigen Gelteilchen
verursacht, was zum Ablösen
des Pulvers von den Teilchen während
der Verwendung führt.
Eine Art der Zugabe des erhitzten Wassers unter Hochgeschwindigkeitsrühren zu
den körnigen Gelteilchen,
denen das feingemahlene anorganische Pulver zugegeben wurde, wodurch
die Kontaktfläche zwischen
den körnigen
Teilchen und dem anorganischen Pulver augenblicklich schmilzt, was
zur Koaleszenz zwischen den Teilchen und dem Pulver führt, ist
im wesentlichen die gleiche wie die vorstehend beschriebene Koaleszenz
zwischen den Bestandteilen der Polymerteilchen. So können die
Faktoren wie die Temperatur des erhitzten Wassers, die Menge dessen
Zugabe die Geschwindigkeit der Zugabe des erhitzten Wassers, die
Art dessen Zugabe und dergleichen wie vorstehend beschrieben eingestellt
werden, wobei die Menge der Zugabe des erhitzten Wassers 5–20 Gewichtsteile,
bezogen auf die Gesamtmenge des zugegebenen Materials beträgt.
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Wie vorstehend beschrieben, sind
in dem herkömmlichen
Träger
die Elemente der Polymerteilchen in jedem der körnigen Teilchen nicht fest
miteinander verbunden, obwohl die Elemente der Polymerteilchen im
Oberflächenbereich
eines jeden körnigen Teilchens
fest miteinander verbunden sind, da die Herstellung der körnigen Teilchen
vor Vollendung der Bindung zwischen den Elementen der Polymerteilchen
aufgrund der Erhöhung
des für
das Schmelzen der Elemente der Polymerteilchen und der Bindung zwischen
diesen erforderlichen Zeitraums ausgeführt wird. Auch hat der herkömmliche
Träger
einen weiteren Nachteil, da das feingemahlene Pulver zugegeben wird,
nachdem die Oberfläche
der körnigen
Teilchen erhärtet
ist, wodurch die körnigen
Teilchen folglich nicht mit dem Pulver in einer
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Menge von 3% oder mehr beschichtet
werden und keine zufriedenstellende Beschichtungsfestigkeit aufweisen.
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Ferner weist der herkömmliche
Träger
keine zufriedensfellende mechanische Festigkeit
auf und besitzt während
der Verwendung eine erhöhte
Volumenänderung
bei der Beladung, da die Bestandteile der Polymerteilchen gleichmägig in einem
Ausmaß geschmolzen
werden, das zum Ausfall der Gelierung der Teilchenbestandteile ausreichend
ist.
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Im Gegensatz dazu ermöglicht es
die Erfindung, daß die
Gelierung gleichmäßig und
innig vom Inneren der Teilchenbestandteile, die die körnigen Teilchen
bilden, bis zu deren Oberfläche
durchgeführt
wird, und die Bestandteile der Polymerteilchen miteinander über den
dazwischenliegenden Kontaktbereich in gelartiger Weise verbunden
werden, wodurch der Träger
der Erfindung folglich eine beträchtlich
verringerte Volumenänderung
bei der Beladung und zufriedenstellende Haltbarkeit aufweist.
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Erfindungsgemäß kann das feingemahlene anorganische
Pulver, das die Adsorptionseigenschaften des Trägers beeinflußt, zusammen
mit dem erhitzten Wasser in Beschichtungsschritt anschließend an
die Granulierung zugegeben werden, so daß das Pulver in erhöhter Menge
zu den körnigen
Teilchen zugegeben werden kann, wodurch sich die Beschichtungsfestigkeit
des Pulvers erhöht
und die Haltbarkeit des Trägers
sichergestellt wird.
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Die folgenden Ausführungsbeispiele
und Vergleichsbeispiele verdeutlichen die Erfindung, wobei diese
Beispiele jedoch zur Erläuterung
der Erfindung und nicht zur Einschränkung des Schutzbereiches dienen.
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Beispiel 1
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Ein Henschel-Mischer wurde mit 100
Gewichtsteilen vollständig
verseiftem PVA (Polymerisationsgrad: 1000–2500, Verseifungsgrad 98 mol% oder
mehr) gefüllt
und dann wurde der Mantel des Mischers mit heißem Wasser gefüllt, um
die Temperatur in dem Mixer bei etwa 700 C zu halten. Danach wurde
das PVA mit 90 Gewichtsteilen Wasser, das auf eine Temperatur von
80°C erhitzt
wurde und einer Geschwindigkeit von 12 l/min unter Hochgeschwindigkeitsrühren bei
500 U/min besprüht,
wodurch hydratisierte körnige
Gelteilchen aus PVA hergestellt wurden.
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Anschließend wurden 18 Gewichtsteile
feingemahlene Aktivkohle mit einer Teilchengröße von 200 μm oder weniger in den Mischer
gefüllt
und mit 12 Gewichtsteilen Wasser, das auf eine Temperatur von 800
C erhitzt wurde bei den vorstehend beschriebenen Bedingungen unter
Hochgeschwindigkeitsrühren
besprüht,
was zur Herstellung eines mit feingemahlener Aktivkohle beschichteten
Träger
führte. Der
so hergestellte hydratisierte körnige
Gelträger mit
2–12 mm
Teilchendurchmesser, der mit feingemahlener Aktivkohle beschichtet
war, besaß eine Ausbeute
von bis zu 90% oder mehr und einen Wassergehalt von 45%. Beim Eintauchen
in kaltes Wasser wurde der gesamte Träger ausgefällt und das Ablösen der
feingemahlenen Aktivkohle vom Träger wurde
im wesentlichen nicht beobachtet. Auch wies der Träger eine
Wasserabsorption von 40–70%
nach eintägigem
Eintauchen in Wasser und eine Volumenänderung von 25% oder weniger
bei Beladung mit 100 g/cm2 auf.
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Beisipel 2
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Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde
im wesentlichen wiederholt, außer
daß die Rührgeschwindigkeit
des Mischers auf 500 U/min eingestellt wurde und 90 Gewichtsteil
erhitztes Wasser mit einer Geschwindigkeit von 10/1 min eingesprüht wurde,
wodurch hydratisierte körnige
Gelteilchen aus PVA hergestellt wurden. Dann wurden 30 Gewichtsteile
feingemahlene Aktivkohle mit einer Teilchengröße von 250 μm oder weniger in den Mischer
gefüllt
und mit 20 Gewichtsteilen Wasser, das auf eine Temperatur von 80%
C erhitzt wurde mit der gleichen Geschwindigkeit wie vorstehend
beschrieben unter Hochgeschwindigkeitsrühren besprüht, wodurch ein Träger mit
2–4 mm
Teilchendurchmesser hergestellt wurde, der mit feingemahlener Aktivkohle
beschichtet war. Der hergestellte hydratisierte körnige Gelträger besaß eine Ausbeute von
bis zu 88% oder mehr und einen Wassergehalt von 50%, wodurch sich
im wesentlichen die gleiche Leistungsfähigkeit wie die in Beispiel
1 erhaltene ergab.
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Vergleichsbeispiel
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Der Henschel-Mischer wurde mit 100
Gewichtsteilen vollständig
verseiftem PVA gefüllt
und dann mit 15 Gewichtsteilen kaltem Wasser im wesentlichen auf
die gleiche Weise wie in den vorstehend beschriebenen Beispielen
besprüht,
wobei die Temperatur in dem Mischer bei 50 bis 800 C gehalten wurde
und mit Hochgeschwindigkeit von 500 U/m gerührt wurde, wodurch hydratisierte
körnige
Teilchen aus PVA gewonnen wurden. Dann wurde feingemahlene Aktivkohle
mit einer Teilchengröße von 200 μm oder weniger
in einer Menge von 3 Gewichtsteilen als obere Grenze der Zugabe
in den Mischer schrittweise zugegeben, wodurch die körnigen Teilchen
mit feingemahlener Aktivkohle beschichtet wurden, was zur Herstellung
eines hydratisierten körnigen
Trägers führte, der
mit feingemahlener Aktivkohle beschichtet war. Dieses Granulierungsverfahren
bei Zugabe der Aktivkohle in einer Menge von mehr als 3 Gewichtsteilen
verursacht ein erhöhtes
Ablösen
der Aktivkohle von den körnigen
Teilchen, wodurch die Teilchen nicht in erhöhtem Maße mit Aktivkohle beschichtet werden
können.
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Der so hergestellte hydratisierte
körnige
Träger
mit 2–12
mm Teilchengröße besaß eine Ausbeute von
etwa 80%. Bei Eintauchen des Trägers
in kaltes Wasser schwamm etwa die Hälfte des Trägers, so daß mehr als ein Tag erforderlich
war, um den gesamten Träger
auszufällen.
Auch löste
sich eine beträchtliche
Menge der feingemahlenen Aktivkohle von den körnigen Teilchen ab. Der Träger wies
eine Wasserabsorption von 20 bis 50% nach eintägigem Eintauchen und eine Volumenänderung
von 40 bis 50% bei Beladung mit 100 g/cm2 auf.