用于固定微生物的载体物质的制作方法

专利名称:用于固定微生物的载体物质的制作方法
本发明是关于一种用于在一个固定床或流化床生物反应器中固定微生物的载体物质。
本发明是一种由多孔性烧结物组成的，用于在一个固定床或流化床反应器中固定微生物和动物细胞的载体物质，其特征是这些多孔性烧结物是球状的，并且球的密度和直径是这样来选择的，即在一个给定的流化床湍流中，在球的表面上形成如此大的剪切力，使那些从球的内部生长出的和/或在表面上存在的微生物或动物细胞能被剪掉。这里所说的多孔性烧结物是由开放性多孔无机烧结材料，特别是烧结玻璃构成的，并且具有内部贯通、向外开放的微孔。在这些微孔中，微生物和动物细胞可以固定和繁殖。其中特别是开放性多孔烧结物的贯通微孔的大小是微生物及细胞尺寸的数倍，并且保证微生物和动物细胞与球的内部进行自由的液体和气体的交换。
一种这样的载体物质由DE-OS3410650已为人知。它使得既在需氧菌也在厌氧菌的生物技术过程中能有高的空间-时间产率(每单位体积和时间的增殖比)。
在厌氧菌体系条件下，通常要求反应器中的生物物质必须保留和浓缩。在厌氧菌体系下，生物物质可以达到的增殖速率和浓度，比在需氧菌体系下明显地小。因此，一般说来一个固定床循环反应器是合适的。其中，微生物固定在上面的载体物质，在相当大的程度上是位置固定的，并且在载体物质旁边流过促进物质交换的液体。因此微生物能不受干扰地繁殖。在厌氧菌过程，也可以达到比较高的空间-时间产率。这个方法的主要缺点在于液体必须是基本上没有固体。此外，必须在一定时间后清洗生物反应器，因为不然的话，固定床很容易被微生物、反应产物或有机化合物如金属硫化物所堵塞。最后，固定床反应器根本的缺点在于物质交换慢和没有规律、且不均匀。
在需氧菌过程中大多存在着迅速的微生物生长，因此通常总是必须不断地从生物反应器中去掉一部分生物物质，例如通过漂浮法，以便在生物反应器中恒定保持一个所希望的生物物质浓度。此外必须迅速传送大量的营养物质和分解产物。因而可知，要用流化床生物反应器;用这种反应器，人们可以期待，由于载体和作为流化介质的营养液在不停地运动，微生物可得到很好的营养物质供应和在需氧过程中使用氧气。为了广泛地利用这种所期望的更好的供应(和撤出)，较长久以来已知要用多孔性的载体物质，并由此增大单位载体的微生物量(DE3410650)。它还表明，物质交换-转换的提高比预料的要低些，而载体物容易由于生物物质的过分增殖而粘堵，这同样对于能达到的物质交换-转换不利。
本发明从这个任务出发，要制造一种对固定床和流化床生物反应器特别适合的载体物质，在它上面，微生物或动物细胞能以高的容积浓度被固定，并且使生物反应器能在大大减少堵塞危险的情况下运行。
这个任务已由上述的载体物质而得以解决。
用本发明的载体物质，有可能使固定床反应器与流化床反应器的优点结合起来。在一个流化床中，不常用的球形烧结载体物使得有可能通过适当选择烧结体的直径和密度，将流化介质的催长作用减少到在烧结物表面和流化湍流之间有高的相对速度，并且由此既可以在高的浓度梯度下达到较快的物质交换，又可以剪切掉长出来的生物物质。其中通过球与球相互之间的接触，有效地促进这种剪切，并且同时也完全实现了。这特别适用于当本发明的载体物质烧结物能在比较高的密度的情况，如象能毫无困难地由烧结玻璃制备的烧结物。这还有这样的优点，即球相对于其表面有一个最大的容积，这样就能在球形烧结体的开放性微孔中固定相对多的微生物和/或细胞，并且使在流化床中应用烧结体时与在固化床反应器中相似，可不受干扰地增殖。这样对缓慢生长的微生物来说，也有一个好的生活条件。通过上面提到的与周围良好的物质交换，在比较大的浓度和球直径情况下保证微生物或细胞足够的营养和排除废物。在本发明面前看起来有上述已知流化床生物反应器的缺点，主要的是在流化床中通常为非球形载体时，贴近载体物表面处的表面和液流之间的相对速度比较小，因而在那个地方营养物质和氧只能是十分贫竭。这样，空间-时间产率下降。
已经知道，在一个用于固定生物活性物质的载体上，使用一种一定聚合塑料涂层的基础材料。此外，它可以呈小球形，并可以由多微孔性的或非多微孔性的玻璃制成(DE-PS3105768)，然而这样的话，本发明所说的载体物质既不具有多微孔结构，而且也不用于流化床生物反应器，当然也就不考虑同时所能达到的特殊的作用和优点了。
对按照本发明的开放性微孔的球形烧结体的微孔直径的选取，既取决于微生物和/或动物细胞的大小和形式，也取决于要用的生物反应器。为了能使微生物和/或动物细胞不受干扰地生长，微孔直径一般是大于10μm，多数甚至大于100μm。依赖于自身增殖的微生物的结构有时还要求更大的微孔直径。
开放性微孔容积一般在40至75体积%之间。当微孔容积超过75%时，机械强度很快减低。
按照本发明载体物质必需的球形烧结物的大小，取决于要选用的生物技术方法。通常球的大小在1到10mm直径之间。
按照本发明的载体物质，特别适合于用强力微生物分解需氧菌，尤其适用于净化城镇和工业废水中。堵塞问题在那里很严重。使用大家所熟悉的固定床反应器的结果表明，短时间后反应器就粘堵了。而与所用的载体物质的种类无关。微生物固定在表面并妨碍进入载体内部。因而试验了用开放性多孔烧结玻璃制的、拉西环形式的载体物质，在一个流化床中生物净化城镇废水(DE-OS3410650)。这个试验只有部分成功。如同在固化床反应器中拉西环的内部空腔完全被粘堵，而外表面则部分被粘堵那样。因此改变拉西环的总密度，并被卸出来。这样流化床反应器就不可能继续运行。与此相反，在流化床中用按照本发明的载体物质，从球内部长出的和表面存在的微生物都被剪切掉，且剪掉的生物物质被带出来;因此在流化床反应器中基本上维持一个恒定的活性生物物质的量。因为在球的内部增殖不受干扰，增殖缓慢的微生物也能增殖并起作用，因为它们不再被带出来。这样用本发明的载体物质在一个流化床反应器中，难分解的物质也能附加着被分解。
本发明的载体物质并不一定只限用于净化城镇和工业废水;这种载体材料也能用于采取生物技术制取营养必需品、药理学上的物质和发酵产品。在此上述优点针对有关的形式。如同在其它应用类型中那样，使用所用载体物质还具有进一步的优点，即微生物在有利的条件下固定且增殖，反应产物也能容易地分开。
它还令人惊异地表明，通过适当选择多微孔的形式和球的直径，本发明的载体物质可以同时调节需氧菌和厌氧菌的比例，即在微生物或动物细胞存在的情况下，在需氧菌介质中，球中的氧含量从外向里如此剧烈地减少，以至于在外部球区提供一个需氧菌的条件，而在内部球区提供一个厌氧菌的条件。这样一种可同时提供需氧菌和厌氧菌的条件，对于许多生物技术有很大的意义，特别是对于把水中的亚硝酸根和硝酸根成分分解成分子形式的氮来说。
与此有关还表明，用本发明的载体物质净化水族馆的水有很大优点。
本发明的载体物质的球形烧结物的抗磨损的机械强度可以通过下述办法来提高，即在开放性多微孔的表面涂一层薄的塑料层。特别是由烧结玻璃制成的烧结物，因为塑料吸收了大部分碰撞能，使其对碰撞载荷不敏感。
按照微生物和动物细胞的种类和生物反应器本身，可能有必要在保持开放多微孔性的条件下，在内部表面加上无机和/或有机涂层。这种涂层既能改善微生物和动物细胞的固定，也使其能够吸收气体或其它物质。
为了制造本发明的载体物质，首先是由一种可烧结的物质的细粒和一种能从烧结产物中溶出的、其熔点要高于可烧结物质的烧结温度的物质的粗颗粒，制成的一种粉末状混合物，在此粉末状混合物中加入一种粘合剂，并在一个粒化器中粒化成所希望的直径的球，烧结和冷却后把能溶出的物质洗掉。
例如，为了制造由硼硅酸盐玻璃(SCHOTT GLASWERKE公司，玻璃型号8330)和K2SO4组成的开放性多孔烧结玻璃球，在8330玻璃和硫酸钾的混合物中加入水溶性纤基乙酸钠溶液。在一个混合粒化机中，要一直粒化到达到所希望的直径的球。然后干燥，最后烧结。根据应用的需要把烧结好的球进行分级，然后洗出。
为了制造由石灰-碳酸氢钠-硅酸盐玻璃(窗玻璃)和NaCl制成的具有开放性多孔烧结玻璃球，在窗玻璃和NaCl的混合物中加入NaCl饱和的纤基乙酸钠溶液，并且以上述相似的方法进行粒化，干燥并烧结。
通过粒化、干燥和烧结来制备本发明载体物质的球形烧结物，比制备复杂形式的烧结物如拉西环的形式要简单得多。球形烧结物的密度以及开放性微孔的容积可以通过选择适当的可烧结物质和可溶出物质的重量比例来调整。而微孔大小则由选择适当的可溶出物质的粒度大小来决定。作为可溶出物质首先自然是考虑价格合适的水溶性盐，特别是NaCl和K2SO4，因为可烧结物质的烧结温度应该比可溶出物质的熔点低些，适于此的首先是玻璃或由天然矿物和作为粘合剂的低熔点玻璃组成的一种混合物。
本发明的载体物质能用在固定床或流化床反应器中，特别有利的是用在一个固定反应器中，其中为了清除球表面的微生物和动物细胞，能短暂地调节到相似于流化床的条件。以这种方式能够清洗载体物质的表面和用反应器的流动相排掉清洗下来的物质，而不需打开反应器。
本发明的载体物质既可以用于需氧菌也能用于厌氧菌过程。关于堵塞，这两种过程互相之间的区别不是根本的，区别仅仅在于速度，由于速度不同而形成堵塞。
实施例1在对照实验中，开放性多微孔烧结玻璃体在一个浸没体反应器、固定床循环反应器和流化床反应器中试验。
开放性多孔烧结玻璃在浸没体反应器中是以管状形式，在固定床反应器中是以拉西环的形式，而在流化床反应器中是以拉西环和球(与实施例1相似)的形式加入。管和拉西环是由40重量%的玻璃粉和60%重量的盐粉的混合物经挤压、烧结和洗去盐而制成。如在实施例1中，玻璃是涉及到SCHOTT GLASWERE公司的8330型硼-硅酸盐玻璃，盐则涉及到K2SO4。
在试验中测试了微生物随时间的固定性和分解效率。载体物质提供的表面为每升反应器体积0.7m2。在试验过程中是按每一升合成的废水加入1000mg化学需氧物质。在反应器中加入等量的空气。接着是在10小时的水压停留时间下观察固定性，在6小时的停留时间期间内得出了结果。
在浸没体反应器中的管形载体和在固定床反应器中的拉西环载体都是在短时间内即被完全长满了，因为需氧菌增殖迅速。
在流化床反应器中，经过一些时间后，拉西环的中间孔即由生物物质凝聚物所充满。在孔中低的湍流足以促成堵塞。通过在流化床湍流中的剪切力把拉西环的棱角锉圆，并且使相当大部分的外部表面没有微生物。拉西环孔中的生物物质凝聚物足以把流化床中的拉西环带走和拖出。此外孔中的生物物质阻碍了载体物质的自由穿流，因而孔的表面上不能发生需氧菌的转变。
只有在拉西环的外表面上微生物植被的最上层，才对纯需氧菌的转变有贡献。不过因为半需氧菌和厌氧菌反应步骤能参加总的矿物化过程，故从某微孔深度起能容忍氧的极限。
在从60到300μm的微孔宽度和从55%到65%的容积百分数的开放性微孔体积中，微生物在微孔空间的植被深度为2-3mm，到这个深度就发生矿物化。
按照实施例1制造的直径从5到6mm的球表明，在流化层反应器中只是在微孔空间内生长生物物质。重新生长出来的，即从微孔出来到球表面的微生物部分就被剪切掉。微生物生长以后，由于生物物质的弹性使得载体物质磨损明显地降低。
在流化床的球形载体物上，固定的微生物的分解效率是固定床循环反应器的1.5倍，是浸没体反应器的1.8倍。
实施例2为生产抗菌素，如链霉素，tendae在开放性微孔，球状烧结玻璃载体物质上固定真菌形成的细菌已有一些困难。细菌虽然在提供的表面生长但没有相互连接的膜。微孔空间只是偶尔地被长上。
通过特殊的涂层能使生长明显提高，例如在链霉素tendae的情况下用含有氨基或硫基的硅烷涂层是卓有成效的。
同样重要的是载体生长的生物物质的形式和生理学上的状态。它们决定了那些在流化床中对生产率提供决定性贡献的微孔空间里的生长密度，因为一部分表面上生长的生物物质被剪切掉了。
因为在二级新陈代谢的生产中(被看作是抗菌素物质交换技术)剪切生物物质不象在生长相连过程中那样起重要的作用。为了高的百分率，给定了生长的分解和生产效率。在这里一定的物质传送限制有重要的影响，它能预先确定球中生长的微孔的各种不同直径。
权利要求
1.由多孔性烧结物组成的，用于在一个固定床或流化床反应器中固定微生物和动物细胞的载体物质，其特征是这些多孔性烧结物是球状的，并且球的密度和直径是这样来选择的，即在一个给定的流化床湍流中，在球的表面上形成如此大的剪切力，使那些从球的内部生长出的和/或在表面上存在的微生物或动物细胞能被剪掉。这里所说的多孔性烧结物是由开放性多孔无机烧结材料，特别是烧结玻璃构成的，并且具有内部贯通，向外开放的微孔。在这些微孔中，微生物和动物细胞可以固定和繁殖。其中特别是开放性多孔烧结物的贯通微孔的大小是微生物及细胞尺寸的数倍，并且保证微生物和动物细胞与球的内部进行自由的液体和气体的交换。
2.根据权利要求
1的载体物质，其特征是这些球的直径和微孔结构是这样来选择的，即在一个需氧菌介质中，当存在微生物或动物细胞时，球中的含氧量从外到里如此急剧地减少，使产生一个球的外面部分是需氧菌的，而内部则是厌氧菌的条件。
3.根据权利要求
1或2的载体物质，其特征是为了提高其耐磨性，在保持多孔性条件下，在其表面涂上一层薄的塑料层。
4.根据权利要求
1或2的载体物质，其特征是在保持多孔性条件下，在其表面有无机和/或有机层，它们改善了微生物或动物细胞的固定作用。
5.用于制备根据上述权利要求
之一的一种载体物质的方法，其特征是在烧结前将粉末混合物和一种粘结剂一起在制粒机中形成所希望大小的球。即把一种由细颗粒的可烧结材料与可从烧结产品中溶解出来的粗颗粒物质形成的混合粉末进行烧结，然后冷却。冷却后再把可溶出的物质洗出。这种可溶出物质的熔融温度比可烧结材料的烧结温度高。这里，载体物质的密度和开放性微孔的容积通过可烧结材料与可溶出物质的重量比来调节，而微孔的大小通过可溶出物质粉末的颗粒大小来确定。
6.根据权利要求
1至4之一的载体物质在一个固定床连续反应器中的应用。为了清除球表面的微生物和动物细胞，在固定床连续反应器中可以短暂地调节类似流化床的条件。
7.根据权利要求
1至4之一的载体物质在一种需氧菌过程中的应用。
8.根据权利要求
1至4之一的载体物质在一种厌氧菌过程中的应用。
9.根据权利要求
1至4之一的载体物质在一种需氧菌和厌氧菌混合的过程中的应用。
10.根据权利要求
1至4之一的载体物质在生物净化城镇污水和工业废水上的应用。
11.根据权利要求
1至4之一的载体物质在降低水中硝酸根和亚硝酸根含量上的应用。
12.根据权利要求
1至4之一的载体物质在净化水族池水上的应用。
13.根据权利要求
1至4之一的载体物质在用生物技术方法获得营养必需的和药理学的物质，以及获得发酵制品上的应用。
专利摘要
一种用来固定微生物的球状载体物质，它由无机烧结物组成、具有内部连续并向外开放的开放性微孔。微生物和动物细胞能以高体积浓度在孔内固定和增殖，微孔具有一定的密度和直径，因此在临时旋涡床流动中球的剪切力足以切掉从球内部长出的和/或在表面存在的微生物或动物细胞。使用本发明的载体，生物反应器不会发生堵塞并可使固定床反应器与旋涡床反应器的优点相结合而避免两者的缺点。本载体可用于分解社会和工业废水及用于对必需营养物、药理物质和发酵产品的生物提取。
文档编号B01J21/16GK87107298SQ87107298
公开日1988年8月31日 申请日期1987年11月14日
发明者W·确施, 维尔纳·几发, 卡尔海因茨·洛曼, 汉斯·迪罗夫 申请人:肖特玻璃制造厂