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WO1990006176A1 - Synthetic, porous solid body - Google Patents

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WO1990006176A1
WO1990006176A1 PCT/EP1989/001485 EP8901485W WO9006176A1 WO 1990006176 A1 WO1990006176 A1 WO 1990006176A1 EP 8901485 W EP8901485 W EP 8901485W WO 9006176 A1 WO9006176 A1 WO 9006176A1
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WO
WIPO (PCT)
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solid body
body according
solid
density
bulk density
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP1989/001485
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Durst
H. Henning Vollmer
Manfred Salinger
Kristian Franz
Heinz Bettmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schumacher & Co KG GmbH
Original Assignee
Schumacher & Co KG GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Schumacher & Co KG GmbH filed Critical Schumacher & Co KG GmbH
Publication of WO1990006176A1 publication Critical patent/WO1990006176A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/28016Particle form
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J20/28054Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J20/28088Pore-size distribution
    • B01J20/28092Bimodal, polymodal, different types of pores or different pore size distributions in different parts of the sorbent

Definitions

  • the invention relates to synthetic, porous solid bodies in the form of a granular, pourable material.
  • Such solid bodies can be used primarily as carrier bodies in biochemical and chemical reactions.
  • any bio- or chemical catalyst the type and application of which is not the subject of the invention, can be bound to the porous solid body, so that a composite of support body and catalyst results.
  • Such solid bodies can, however, also be used in a different way, in particular as a fluidizable medium, for example as an adsorbent in purely physical processes.
  • the following description of the invention relates essentially to the use of the solid body as a support for catalysts. However, this description is only to be understood as an example.
  • Known carrier bodies can be present as organic substances (e.g. polymer foams, synthetic fiber knits, ion exchange resins) or as an inorganic substance (e.g. sand, aluminum oxide, activated carbon).
  • organic substances e.g. polymer foams, synthetic fiber knits, ion exchange resins
  • inorganic substance e.g. sand, aluminum oxide, activated carbon.
  • a wide field of application of the known and the solid support bodies according to the invention is in particular in the field of biotechnology, including biological wastewater treatment.
  • the fixation of a catalyst (in the case of biocatalysts one speaks of an “immobilization”) on solid support bodies is always of procedural and economic advantage if the catalyst is washed out after a short time during continuous operation or when flowing through a reactor containing no support bodies threatens.
  • the recovery of the catalyst from the effluent stream which usually contains by-products and unreacted feedstocks in addition to the desired product, is generally complex and therefore more expensive than constantly using new, otherwise obtained or commercially available catalysts. Flushing occurs particularly in the case of finely dispersed catalysts, since these, as easily suspendable particles, easily follow a flow around them. In catalytic processes, the use of finely dispersed substances is the rule because, owing to the favorable ratio of catalyst surface to catalyst quantity, higher activities and yields are achieved than with coarser particles.
  • the retention of the catalyst by fixing it to support bodies ensures that the catalyst can be used over a longer period of time and has to be regenerated less frequently.
  • the catalyst has a density similar to that of the surrounding medium (carrier body), what has been said above applies to an increased degree.
  • the presence of a small density difference applies in particular to reactions in which the catalyst is of biological origin and is used in the form of free cells, in the form of cell fragments, cell extracts or as a pure enzyme.
  • a biocatalyst must be finely distributed in a mostly aqueous liquid phase that contains the substrate to be treated.
  • the accessibility of the catalyst to the substrate must not be significantly impaired by immobilization.
  • the resulting reaction products must be easy to remove.
  • Suitable viable cells are those of microorganisms (bacteria, yeasts, fungi) and those of animal or vegetable origin.
  • the fixing of catalysts to the solid bodies the following explanations also apply in principle to the use of conventional chemical catalysts.
  • the immobilization (or fixation) of a catalyst on a carrier body ideally brings about a complete retention of the catalyst, so that regular regeneration of the catalyst becomes superfluous. Regeneration can be completely dispensed with when working with living cells.
  • the loss of washed-out cells during continuous operation is continuously compensated for by the cell propagation after reaching a steady operating state.
  • a state of equilibrium is established between adsorption (colonization) and desorption (detachment): dead or only loosely adsorbed cells are carried out of the system and make room for fresh, active cells.
  • adsorption colonization
  • desorption detachment
  • the biocatalysts can be fixed right from the start, because this helps to shorten the start-up phase in terms of discharge losses.
  • the adhesion of the cells to the carrier body enables them to face the biological selection pressure more successfully and to establish themselves more quickly. This in turn has a positive effect in the form of faster product sales and a higher yield.
  • the solid body according to the invention is advantageously used in the form of fluidizable particles (carrier particles).
  • REPLACEMENT B L ATT Another possible application is to introduce the solid bodies in the form of a bed into a fixed bed reactor. However, this can cause procedural difficulties in gas-forming reactions (“gas embolism”, channel formation, constipation).
  • the carrier bodies suspended in a liquid phase can be retained, for example, by sieves with a mesh size adapted to the respective grain size.
  • the retention of the carrier bodies will be based on the principle of "gravity sedimentation” or "buoyancy sedimentation”.
  • the synthetic, porous solid bodies used as carrier materials according to the invention should be inert and stable over a longer period of time. This includes sufficient chemical and mechanical resistance. Porous carrier materials also have further advantages owing to their large usable surface area for colonization with microorganisms.
  • Special carrier bodies are known, for example, from the patents and patent applications mentioned below: DE 28 39 580, DE 33 23 078, DE 34 02 697, DE 36 11 582, DE 36 13 575, DE 36 15 103, DE 37 35 680, EP 0 046 901, EP 0 112 597, EP 0 131 251, EP 0 155 669, EP 0 158 909, EP 0 186 125, EP 0 200 486, EP 0 216 272 and EP 0 245 088.
  • the known methods for connecting a catalyst to a support can be divided into several groups. in the
  • REPLACEMENT LEAF In the simplest case, spontaneous adsorption occurs as soon as the catalyst comes into contact with the support surface. However, this does not lead to a sufficiently strong bond in all cases, so that sufficient stability of the adsorption is often only achieved by coating the support with coupling agents which have suitable functional groups. In some cases, cross-linking of the catalyst with glutar (di) aldehyde brings about better catalyst stability. However, it must be taken into account that such measures can at least partially block active centers of the catalyst, so that natural adsorption should always be given preference if possible. Surface treatments of substrates are described, for example, in patent applications EP 0 131 251, EP 0 158 909 and EP 0245 088.
  • Another known method consists in embedding the catalyst in a polymer matrix which is permeable to the liquid phase. This can also be done by soaking a porous substance with a polymer that contains whole cells or enzymes and then allowing the polymer to harden to a gel. This is described in patent application DE 36 13 575.
  • the carrier bodies are not to be used as a bed or packing in a fixed bed reactor, they have to be fluidized. This can be accomplished by means of a stationary or rotating fluidized bed.
  • the fluidized bed can be formed in a fluidized bed reactor (sometimes also referred to as a fluidized bed or fluidized bed reactor), in the second case a loop reactor with internal or external loop flow is to be used.
  • a fluidized bed reactor sometimes also referred to as a fluidized bed or fluidized bed reactor
  • a loop reactor with internal or external loop flow is to be used.
  • the design of such reactors which are also suitable for the solid bodies according to the invention and in which further functions, such as calming sections, separators, heat exchangers and
  • REPLACEMENT LEAF The like are integrated, can be done in different ways and is already described in part of the above-mentioned documents.
  • Knowing the speed of movement W p of the carrier particle is important for the design of fluidized bed reactors. It can be calculated approximately as follows:
  • the Reynolds number is defined here as:
  • the bulk density is to be used instead of the pure density g of the solid.
  • the bulk density ⁇ of the carrier formerly also called the density, represents the density of the
  • REPLACEMENT LEAF porous carrier body including its air-filled pores. It is calculated by neglecting the density of the air from the pure density of the material forming the framework ⁇ s and the porosity6 p according to the equation:
  • the bulk density is determined according to DIN 51065, the porosity according to DIN 51056. If the bulk density of a solid body varies from the inside to the outside, one also speaks of the local bulk density.
  • the bulk density is to be used for porous bodies in equations 1 and 2 instead of p g:
  • the density according to equation 5 is at the same time also approximately disregarded for the density of an overgrown carrier body (gas inclusions).
  • the reactor must be flowed through from bottom to top in order to fluidize the carrier.
  • Examples of such reactors are the patent applications EP 0 090 450 and EP 0 168 283.
  • the aim is to use cell organisms capable of reproduction and these by their natural adhesive properties, ie. H. to be fixed on supports as far as possible without the use of further aids.
  • H. natural adhesive properties
  • it is often only through the use of entire cell organisms that it is ensured that all the necessary cofactors are present in order to achieve a rapid, selective implementation.
  • these factors may be missing.
  • the adhesion can be supported by a change in the composition of the medium to be treated compared to the fermentation with unfixed cells or by a different pH value.
  • Possible impairments when operating a system with immobilized microorganisms can consist of the following:
  • the carrier material is not reusable if you want to switch to another process or the material has to be regenerated because contamination with foreign germs has occurred.
  • Porous, rigid solid support bodies with a large surface / volume ratio are used, since mechanical forces (abrasion) or hydraulic forces (relative speed of the particles to the fluid) can act less strongly on the cell organisms.
  • the porosity enables the cells to settle in protected cavities; by choosing a rigid body that becomes Avoid squeezing cells, as z. B. occurs with foams. If this does not yet sufficiently secure the settlement, there is the possibility, already mentioned, of using adhesion promoters.
  • the porosity of the carrier body must not be chosen too high, since otherwise the carrier body cannot be mechanically loaded.
  • pore diameter for optimal colonization can be, for example, 5 times the diameter of the cells.
  • maximum population density does not necessarily mean maximum activity of the organisms and maximum yield.
  • a free exchange of liquid and gas in the pores is just as important, so that larger pores or a juxtaposition of micro and macro pores should be sought.
  • a carrier material is used which can be annealed or leached chemically in order to remove unwanted growth and to sterilize the material.
  • G. A colonization enveloping the carrier particle is prevented, so that after an accident the biofilms of neighboring carrier particles do not grow together in the bed immediately.
  • the layer thickness of the biofilm on the outer contour of the particles as well as the abrasion of the carrier body itself, which, however, only starts with far higher forces, can be determined by using a fluidized bed in a narrower range by the selected space velocity, which however influences the expansion of the fluidized bed, control in a larger area by the selected particle diameter. Also for other reasons, such.
  • B. diffusion limits it may be necessary to limit the growth of microorganisms to a certain level.
  • the invention proposes synthetic, porous solid bodies in the form of a granular, pourable material which are distinguished by the fact that they have a bulk density which varies from the inside out, and the local one
  • Percentage changes in the local bulk density are related to the local bulk density in the core area (center).
  • the local bulk density can in principle increase or decrease from the inside to the outside.
  • carrier bodies with a relatively large volume fraction of pores for which no significant diffusion limitations are to be expected, the core of the carrier particle being used at the same time to set a desired overall bulk density in order to achieve precisely that To make sedimentation properties favorable.
  • This can take place in particular through a multilayer structure of the solid body, in which the local bulk density and / or preferably the local porosity changes abruptly from the inside to the outside.
  • the carrier bodies can also be constructed in such a way that the local bulk density and / or possibly the local porosity changes continuously from the inside to the outside.
  • the invention can also be understood as consisting in the method according to which, starting from a porosity which is favorable for the application in question, the bulk density of the solid bodies with regard to the reaction system to be operated is adjusted in accordance with the above-mentioned values such that give the best sedimentation properties of the solid body for the application.
  • FIG. 1 shows a porous solid body with a continuously decreasing solid density from the inside to the outside
  • FIG. 2 shows a solid body with a continuously increasing porosity from the inside out
  • FIG. 3 shows a multilayer structure of a porous solid body
  • Figure 4 shows a solid body similar to Figure 3 with an internal cavity
  • FIG. 5 shows a solid body similar to FIG. 4 with an intermediate layer surrounding the inner cavity.
  • Figures 1 to 5 each consist of three superimposed partial representations.
  • the solid body is realistically depicted on the left side of the representations in the top row, while it is more or less schematized on the right side of this representation.
  • the solid which forms the framework of the solid body is in each case denoted by the reference symbol 1, and the pores contained in it are identified by the reference symbol 2.
  • the reference number 3 denotes the material from which the core of the body is made
  • an inner cavity of the solid body is designated with the reference number 4
  • the graphic representations in the middle and lower row of FIGS. 1 to 5 show the dependence of the relative bulk density measured in the radial direction (r) of the respective solid body or porosity- (£ p ) »With $ g the average density of the substance from which the solid body is made up as a whole is assumed, or the average density of certain sections of the solid body (e.g. core 3) designated.
  • the radius of the respective solid body is assumed to be R.
  • the solid support bodies shown in FIGS. 1 to 5 are the most important limit cases of the invention.
  • the pores in the solid body are at least partially connected to one another and the fluid flows through them for the most part and can therefore be populated.
  • the solid body consisting of material 1 has a bulk density that decreases continuously from the inside to the outside (cf. the middle representation in FIG. 1).
  • the porosity (lower representation in FIG. 1) is constant or uniform. It could also vary (as assumed in Figure 2); H. have a gradient.
  • a porous solid support body according to FIG. 1 can be produced in the following way: in a pellet mixer or by means of a build-up granulation, the bodies can be produced by time-dependent addition of different raw materials with different densities in such a way that a density gradient is established within the body .
  • the bodies can be produced by time-dependent addition of different raw materials with different densities in such a way that a density gradient is established within the body .
  • a porosity that is constant over the cross-section (in the direction r) can be achieved either by an equal particle size distribution of the various raw materials added or - more advantageously - by the addition of pore formers of known size distribution during the entire production process, the pore formers subsequently being removed, e.g. B. be drained or burned out.
  • FIG. 2 shows a solid body with a continuously increasing porosity from the inside out, in such a way that either the number of pores or the pore size increases locally from the inside out.
  • the core can be non-porous, while the outer layer exposed to the medium to be treated can have a maximum porosity, which is only limited by the desired mechanical stability of the solid body.
  • the pores are advantageously connected to one another and open to the outside (pores through which they can flow).
  • FIG. 3 shows a multi-layer structure of a solid support body, the inner or core area of the body, provided that it is made of the same material as the outer area of the body, has a relatively low or no porosity compared to the outer area or, if the inner area differs materially from the material of the outer area, has at least a significantly higher bulk density than the outer area.
  • the outer area which is exposed to the medium to be treated, can have a maximum porosity, which in turn only by
  • FIG. 5 corresponds to that according to FIG. 4, but the cavity of the carrier body is additionally encased by a non-porous, impermeable intermediate layer made of the same or a different material as the material of the outer region.
  • the density gradient within a particle and thus the effective porosity can be varied within wide limits by corresponding process parameters during production.
  • the size (as well as the internal and external density) can be adjusted according to the fluid dynamic requirements of the reactor via the method of manufacture (e.g. mixing duration, speed of rotation of a mixing drum for solid bodies to be produced from several starting materials).
  • the method of manufacture e.g. mixing duration, speed of rotation of a mixing drum for solid bodies to be produced from several starting materials.
  • the porosity can be specifically changed so that the difference in bulk density is at least 20%.
  • the core of the solid body has a higher density than the bulk density of the porous outer layer (s).
  • the core has a lower density than the bulk density of the porous outer layer (s).
  • solid bodies according to the invention are compared with a comparative solid body of a known type, the comparative solid body being uniformly porous throughout and also having a constant density from the inside to the outside.
  • the aim of the calculation examples below is to demonstrate that a solid body according to the invention, with an improved range of usable pores, has the same good sedimentation properties as conventional comparative material with uniform porosity and density.
  • the solid according to the invention and the comparative solid are spherical.
  • the heavy core of the solid body according to the invention is spherical and lies concentrically in the interior of the particle.
  • the heavy core of the solid body according to the invention is non-porous, but consists of the same substance as
  • the porosity of the coating layer of the solid body according to the invention is uniform, i. H. it has no local gradient. The same applies to the comparative solid body as a whole.
  • the outer surface of both the inventive and the comparison carrier body and an underlying, spherical shell-shaped layer with a thickness of 6 D are open-pore. Diffusion no longer takes place in radially underlying layers (infinitely large diffusion limitation).
  • the comparative solid body thus comprises an external, effective spherical shell with the thickness c Q / in which diffusion processes and thus reactions take place between the medium to be treated and the microorganisms located in the pores.
  • the above assumption applies to the conditions in practice: no appreciable diffusion takes place in the porous core located within the spherical shell. The cells that settle there are undersupplied and not very productive.
  • the core which is ineffective in this regard, is usefully used in the case of the carrier body according to the invention to set a desired overall bulk density.
  • the outer spherical shell layer (cladding layer) of the solid body according to the invention which in turn encloses a solid core, is selected in its layer thickness H so that this value corresponds to the above-mentioned value D.
  • the solid volume fraction w of the fluidized beds is specified as a fixed value.
  • the core consists of a different solid than the porous coating layer.
  • Diameter of the solid body according to the invention with the validity of the requirements a. to i. d " 1000.10 " 6
  • the core consists of a different solid than the porous coating layer.
  • Diameter of the comparative solid body 2000.10 -6 ⁇ m
  • REPLACEMENT LEAF viewed this can also mean that the fluidized bed or reactor volume can be significantly smaller in order to achieve corresponding yields. This could not be achieved by using a finely dispersed fraction of particles with a smaller diameter alone, since the particles can only be reduced in size to a limited extent because of the risk of discharge.

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Abstract

A synthetic, porous solid body in the form of a granular, pourable material, useful in particular as a carrier for microorganisms, has a density which varies from the interior to the exterior and the local apparent density varies by at least 20 % between the core region (centre) and the outer surface of the solid body.

Description

B e s c h r e i b u n g Description

Synthetische, poröse FeststoffkörperSynthetic, porous solid bodies

Die Erfindung betrifft synthetische, poröse Feststoffkörper in Form eines körnigen, schüttfähigen Materials.The invention relates to synthetic, porous solid bodies in the form of a granular, pourable material.

Derartige Feststoffkörper lassen sich in erster Linie als Trä¬ gerkörper bei biochemischen und chemischen Umsetzungen verwen¬ den. Hierzu kann ein beliebiger Bio- oder Chemiekatalysator, dessen Art und Aufbringung nicht Gegenstand der Erfindung ist, an dem porösen Feststoffkörper gebunden sein, so daß sich ein Kompositum aus Trägerkörper und Katalysator ergibt.Such solid bodies can be used primarily as carrier bodies in biochemical and chemical reactions. For this purpose, any bio- or chemical catalyst, the type and application of which is not the subject of the invention, can be bound to the porous solid body, so that a composite of support body and catalyst results.

Derartige Feststoffkörper lassen sich jedoch, insbesondere als fluidisierbares Medium, auch in anderer Weise einsetzen, bei¬ spielsweise als Adsorbens bei rein physikalischen Vorgängen. Die nachstehende Beschreibung der Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf eine Verwendung der Feststoffkörper als Träger für Katalysatoren. Diese Beschreibung ist jedoch lediglich bei¬ spielhaft zu verstehen.Such solid bodies can, however, also be used in a different way, in particular as a fluidizable medium, for example as an adsorbent in purely physical processes. The following description of the invention relates essentially to the use of the solid body as a support for catalysts. However, this description is only to be understood as an example.

Bekannte Trägerkörper können als organische Substanzen (z. B. Polymerschäume, Kunstfasergestricke, Ionenaustauscherharze), oder als anorganische Substanz (z. B. Sand, Aluminiumoxid, Aktivkohle) vorliegen. Ein breites Anwendungsfeld der bekannten und der erfindungsgemäßen Feststoff-Trägerkörper liegt insbe¬ sondere im Bereich der Biotechnik, einschließlich der biologi¬ schen Abwasserreinigung. Die Fixierung eines Katalysators (bei Biokatalysatoren spricht man von einer "Immobilisierung") auf Feststoff-Trägerkörpern ist immer dann von verfahrenstechnischem und wirtschaftlichem Vorteil, wenn der Katalysator bei kontinuierlichem Betrieb bzw. bei der Durchströmung eines keine Trägerkörper enthaltenden Reaktors nach kurzer Zeit ausgeschwemmt zu werden droht. Die Rückgewinnung des Katalysators aus dem Ablaufström, der neben dem angestrebten Produkt meist noch Nebenprodukte und nicht umgesetzte Einsatzstoffe enthält, ist in der Regel aufwendig und damit kostspieliger, als ständig neue, auf sonstigem Wege gewonnene oder käuflich erworbene Katalysatoren einzusetzen. Das Ausschwemmen tritt besonders bei feindispersen Katalysato¬ ren auf, da diese als leicht suspendierbare Teilchen leicht einer sie umspülenden Strömung folgen. Bei katalytischen Ver¬ fahren stellt die Anwendung feindisperser Stoffe den Regelfall dar, da man wegen des günstigen Verhältnisses von Katalysator- Oberfläche zu Katalysatormenge höhere Aktivitäten und Ausbeuten erreicht als mit gröberen Partikeln. Die Rückhaltung des Kata¬ lysators durch Fixierung an Trägerkörpern sorgt dafür, daß der Katalysator über einen längeren Zeitraum verwendet werden kann und seltener regeneriert werden muß.Known carrier bodies can be present as organic substances (e.g. polymer foams, synthetic fiber knits, ion exchange resins) or as an inorganic substance (e.g. sand, aluminum oxide, activated carbon). A wide field of application of the known and the solid support bodies according to the invention is in particular in the field of biotechnology, including biological wastewater treatment. The fixation of a catalyst (in the case of biocatalysts one speaks of an “immobilization”) on solid support bodies is always of procedural and economic advantage if the catalyst is washed out after a short time during continuous operation or when flowing through a reactor containing no support bodies threatens. The recovery of the catalyst from the effluent stream, which usually contains by-products and unreacted feedstocks in addition to the desired product, is generally complex and therefore more expensive than constantly using new, otherwise obtained or commercially available catalysts. Flushing occurs particularly in the case of finely dispersed catalysts, since these, as easily suspendable particles, easily follow a flow around them. In catalytic processes, the use of finely dispersed substances is the rule because, owing to the favorable ratio of catalyst surface to catalyst quantity, higher activities and yields are achieved than with coarser particles. The retention of the catalyst by fixing it to support bodies ensures that the catalyst can be used over a longer period of time and has to be regenerated less frequently.

Besitzt der Katalysator eine ähnliche Dichte wie das umgebende Medium (Trägerkörper), so gilt das oben Gesagte in verstärktem Maße. Das Vorliegen einer geringen Dichtedifferenz trifft ins¬ besondere für Umsetzungen zu, bei denen der Katalysator biolo¬ gischen Ursprungs ist und in Form freier Zellen, in Form von Zellbruchstücken, Zellextrakten oder als reines Enzym zum Ein¬ satz kommt. Ein Biokatalysator muß dabei in einer meist wässri- gen Flüssigphase, die das zu behandelnde Substrat enthält, fein verteilt sein. Durch ein Immobilisieren darf die Zugänglichkeit des Katalysators für das Substrat nicht wesentlich beeinträch¬ tigt werden. Außerdem müssen die entstehenden Reaktionsprodukte leicht abführbar sein. Da ein Schwerpunkt der Anwendung des erfindungsgemäßen Fest- stoffkörpers im Bereich der Biotechnik liegt, bezieht sich die nachfolgende Beschreibung überwiegend auf den Einsatz von sol¬ chen Feststoffkörpern bei biologischen Umsetzungen und hierbei wiederum auf den Hauptschwerpunkt, nämlich das Immobilisieren unversehrter, viabler Zellen auf einem derartigen Feststoff- Trägerkörper. Hierbei kommen als viable Zellen diejenigen von Mikroorganismen (Bakterien, Hefen, Pilze) und diejenigen tieri¬ schen oder pflanzlichen Ursprungs in Frage. Die nachfolgenden Ausführungen gelten mit Bezug auf die Fixierung von Katalysato¬ ren an den Feststoffkörpern aber grundsätzlich auch für den Einsatz üblicher chemischer Katalysatoren.If the catalyst has a density similar to that of the surrounding medium (carrier body), what has been said above applies to an increased degree. The presence of a small density difference applies in particular to reactions in which the catalyst is of biological origin and is used in the form of free cells, in the form of cell fragments, cell extracts or as a pure enzyme. A biocatalyst must be finely distributed in a mostly aqueous liquid phase that contains the substrate to be treated. The accessibility of the catalyst to the substrate must not be significantly impaired by immobilization. In addition, the resulting reaction products must be easy to remove. Since a focus of the use of the solid body according to the invention is in the field of biotechnology, the following description mainly relates to the use of such solid bodies in biological reactions and, in turn, to the main focus, namely the immobilization of intact, viable cells on such a body Solid support body. Suitable viable cells here are those of microorganisms (bacteria, yeasts, fungi) and those of animal or vegetable origin. With regard to the fixing of catalysts to the solid bodies, the following explanations also apply in principle to the use of conventional chemical catalysts.

Die Immobilisierung (oder Fixierung) eines Katalysators auf einem Trägerkörper bewirkt im Idealfall eine vollständige Rück¬ haltung des Katalysators, so daß ein regelmäßiges Regenerieren des Katalysators überflüssig wird. Ein Regenerieren kann voll¬ ständig entfallen, wenn mit lebenden Zellen gearbeitet wird. In diesem Fall wird nämlich der Verlust an ausgeschwemmten Zellen bei kontinuierlichem Betrieb (beispielsweise eines Fließbett¬ reaktors) nach Erreichen eines stationären Betriebszustands durch die ZeilVermehrung fortwährend ausgeglichen. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Adsorption (Besiede- lung) und Desorption (Ablösung) ein: abgestorbene oder nur lose adsorbierte Zellen werden aus dem System hinausgetragen und machen Platz für frische, aktive Zellen. Gleichzeitig findet auch eine Selektion zugunsten der Spezies mit höherer Adsorp¬ tionsbereitschaft statt.The immobilization (or fixation) of a catalyst on a carrier body ideally brings about a complete retention of the catalyst, so that regular regeneration of the catalyst becomes superfluous. Regeneration can be completely dispensed with when working with living cells. In this case, the loss of washed-out cells during continuous operation (for example a fluidized bed reactor) is continuously compensated for by the cell propagation after reaching a steady operating state. A state of equilibrium is established between adsorption (colonization) and desorption (detachment): dead or only loosely adsorbed cells are carried out of the system and make room for fresh, active cells. At the same time, there is also a selection in favor of the species with a higher willingness to adsorb.

Durch die Zurückhaltung der Zellen und die damit verbundene Entkoppelung der Verweilzeit der umzusetzenden Substanz von derjenigen des Katalysators wird eine Anreicherung des Kataly¬ sators und eine entsprechend gesteigerte Produktivität erhal¬ ten. In vielen Fällen kann auch eine verbesserte Selektivität der Umsetzung und eine erhöhte Prozeßstabilität festgestellt werden. Kontaminationen mit unerwünschten Fremdkeimen werden aufgrund der kürzeren Verweilzeiten, die nun unter der Genera¬ tionszeit des eingesetzten Mikroorganismus liegen dürfen, weni¬ ger wahrscheinlich.By restraining the cells and the associated decoupling of the residence time of the substance to be converted from that of the catalyst, an enrichment of the catalyst and a correspondingly increased productivity are obtained. In many cases, improved selectivity can also be achieved implementation and increased process stability. Contamination with undesired foreign germs is less likely due to the shorter dwell times, which may now be less than the generation time of the microorganism used.

Die Zurückhaltung des Katalysators in immobilisierter Form gelingt selbstverständlich nur dann, wenn der Trägerkörper selbst, an dem der Katalysator fixiert ist, im System (Reaktor) verbleibt bzw. durch geeignete Maßnahmen am Verlassen des Reak¬ tors gehindert wird. Dies ist jedoch wesentlich einfacher als die Rückhaltung des Katalysators selbst.Restraint of the catalyst in immobilized form is of course only possible if the support body itself, to which the catalyst is fixed, remains in the system (reactor) or is prevented from leaving the reactor by suitable measures. However, this is much easier than retaining the catalyst itself.

Die Vorteile der Immobilisierung werden bei Übergangszuständen und hier insbesondere bei Anlau orgängen relevant. Insbesonde¬ re anaerobe Mikroorganismen vermehren sich sehr langsam und sind daher in großer Anzahl nicht sofort und überall, z. B. in einem Bioreaktor verfügbar. Auch unterliegen lebende Zellorga¬ nismen speziellen Auslese- und Adaptionsprozessen, die sehr zeitaufwendig sein können und daher sehr langsam ablaufen.The advantages of immobilization become relevant in transition states and especially in start-up processes. In particular anaerobic microorganisms multiply very slowly and are therefore not immediately and everywhere in large numbers, e.g. B. available in a bioreactor. Living cell organisms are also subject to special readout and adaptation processes, which can be very time-consuming and therefore run very slowly.

Deshalb ist es einmal wichtig, daß die Biokatalysatoren bereits von Anfang an fixiert werden können, weil dies im Hinblick auf Austragsverluste erheblich dazu beiträgt, die Anlaufphase zu verkürzen. Andererseits ermöglicht es die Haftung der Zellen am Trägerkörper, daß sie sich dem biologischen Selektionsdruck erfolgreicher stellen und sich rascher durchsetzen. Dies wirkt sich wiederum positiv in Form eines schnelleren Produktumsatzes und einer höheren Ausbeute aus.It is therefore important that the biocatalysts can be fixed right from the start, because this helps to shorten the start-up phase in terms of discharge losses. On the other hand, the adhesion of the cells to the carrier body enables them to face the biological selection pressure more successfully and to establish themselves more quickly. This in turn has a positive effect in the form of faster product sales and a higher yield.

Bei Verfahren, bei denen im Verlauf der Umsetzung Gas gebildet wird, was bei den meisten biologischen Reaktionen der Fall ist, wird der erfindungsgemäße Feststoffkörper mit Vorteil in Form von fluidisierbaren Teilchen (Trägerpartikel) eingesetzt. EineIn processes in which gas is formed in the course of the reaction, which is the case with most biological reactions, the solid body according to the invention is advantageously used in the form of fluidizable particles (carrier particles). A

ERSATZBLATT andere prinzipiell mögliche Anwendungsweise besteht darin, die Feststoffkörper in Form einer Schüttung in einen Festbettreak¬ tor einzubringen. Dies kann jedoch bei gasbildenden Umsetzungen verfahrenstechnische Schwierigkeiten bereiten ( "Gasembolie", Kanalbildung, Verstopfung). Die Zurückhaltung der in einer Flüssigphase suspendierten Trägerkörper kann beispielsweise durch Siebe mit einer der jeweiligen Korngröße angepaßten Maschenweite erfolgen. In der Regel wird man, um einer Verstop¬ fungsgefahr von Sieben oder Membranfolien aus dem Weg zu gehen, die Rückhaltung der Trägerkörper auf dem Prinzip der "Schwer¬ kraft-Sedimentation" oder der "Auftrieb-Sedimentation" aufbauen.REPLACEMENT B L ATT Another possible application is to introduce the solid bodies in the form of a bed into a fixed bed reactor. However, this can cause procedural difficulties in gas-forming reactions (“gas embolism”, channel formation, constipation). The carrier bodies suspended in a liquid phase can be retained, for example, by sieves with a mesh size adapted to the respective grain size. As a rule, in order to avoid the risk of clogging of screens or membrane foils, the retention of the carrier bodies will be based on the principle of "gravity sedimentation" or "buoyancy sedimentation".

Im Hinblick auf die Immobilisierung von insbesondere Mikroorga¬ nismen, vor allem im Hinblick auf die aerobe und anaerobe Abwasserreinigung wird beispielsweise auf die folgenden vorver¬ öffentlichten Patente bzw. Patentanmeldungen verwiesen: DE 29.05 391, EP 0 021 378, EP 0 024 758, EP 0 058 247, EP 0 075 298, EP 0 119 430, EP 0 161 469 und EP 0 241 999.With regard to the immobilization of in particular microorganisms, especially with regard to aerobic and anaerobic wastewater treatment, reference is made, for example, to the following previously published patents or patent applications: DE 29.05 391, EP 0 021 378, EP 0 024 758, EP 0 058 247, EP 0 075 298, EP 0 119 430, EP 0 161 469 and EP 0 241 999.

Die als Trägermaterialien eingesetzten synthetischen, porösen Feststoffkörper gemäß der Erfindung sollten inert und über einen längeren Zeitraum stabil sein. Hierzu gehört eine ausrei¬ chende chemische und mechanische Beständigkeit. Poröse Träger¬ materialien weisen überdies aufgrund ihrer großen nutzbaren Oberfläche für die Besiedlung mit Mikroorganismen weitere Vor¬ teile auf. Spezielle Trägerkörper sind beispielsweise bekannt aus den nachstehend genannten Patenten und Patentanmeldungen: DE 28 39 580, DE 33 23 078, DE 34 02 697, DE 36 11 582, DE 36 13 575, DE 36 15 103, DE 37 35 680, EP 0 046 901, EP 0 112 597, EP 0 131 251, EP 0 155 669, EP 0 158 909, EP 0 186 125, EP 0 200 486, EP 0 216 272 und EP 0 245 088.The synthetic, porous solid bodies used as carrier materials according to the invention should be inert and stable over a longer period of time. This includes sufficient chemical and mechanical resistance. Porous carrier materials also have further advantages owing to their large usable surface area for colonization with microorganisms. Special carrier bodies are known, for example, from the patents and patent applications mentioned below: DE 28 39 580, DE 33 23 078, DE 34 02 697, DE 36 11 582, DE 36 13 575, DE 36 15 103, DE 37 35 680, EP 0 046 901, EP 0 112 597, EP 0 131 251, EP 0 155 669, EP 0 158 909, EP 0 186 125, EP 0 200 486, EP 0 216 272 and EP 0 245 088.

Die bekannten Methoden zur Verbindung eines Katalysators mit einem Träger können in mehrere Gruppen eingeteilt werden. ImThe known methods for connecting a catalyst to a support can be divided into several groups. in the

ERSATZBLATT einfachsten Fall tritt eine spontane Adsorption ein, sobald der Katalysator in Kontakt mit der Trägeroberfläche gelangt. Dies führt jedoch nicht in allen Fällen zu einer ausreichend starken Bindung, so daß oftmals erst durch Beschichten des Trägers mit Kopplungsmitteln, die geeignete funktioneile Gruppen besitzen, eine ausreichende Stabilität der Adsorption entsteht. In man¬ chen Fällen bewirkt eine Quervernetzung des Katalysators mit Glutar(di)aldehyd eine bessere Katalysatorstabilität. Bedacht werden muß jedoch, daß durch derartige Maßnahmen aktive Zentren des Katalysators zumindest teilweise blockiert werden können, so daß wenn möglich immer der natürlichen Adsorption der Vorzug zu geben ist. Oberflächenbehandlungen von Trägerstoffen sind beispielsweise beschrieben in den Patentanmeldungen EP 0 131 251, EP 0 158 909 und EP 0245 088.REPLACEMENT LEAF In the simplest case, spontaneous adsorption occurs as soon as the catalyst comes into contact with the support surface. However, this does not lead to a sufficiently strong bond in all cases, so that sufficient stability of the adsorption is often only achieved by coating the support with coupling agents which have suitable functional groups. In some cases, cross-linking of the catalyst with glutar (di) aldehyde brings about better catalyst stability. However, it must be taken into account that such measures can at least partially block active centers of the catalyst, so that natural adsorption should always be given preference if possible. Surface treatments of substrates are described, for example, in patent applications EP 0 131 251, EP 0 158 909 and EP 0245 088.

Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, den Katalysator in eine für die Flüss gphase durchlässige Polymermatrix einzu¬ betten. Dies kann auch in der Weise erfolgen, daß ein poröser Stoff mit einem Polymerisat, das ganze Zellen oder Enzyme ent¬ hält, getränkt wird und man anschließend das Polymerisat zum Gel aushärten läßt. Dies ist in der Patentanmeldung DE 36 13 575 beschrieben.Another known method consists in embedding the catalyst in a polymer matrix which is permeable to the liquid phase. This can also be done by soaking a porous substance with a polymer that contains whole cells or enzymes and then allowing the polymer to harden to a gel. This is described in patent application DE 36 13 575.

Sofern die Trägerkörper nicht als Schüttung oder Packung in einem Festbettreaktor eingesetzt werden sollen, müssen sie fluidisiert werden. Dies kann mittels einer stationären oder umlaufenden Wirbelschicht bewerkstelligt werden. Im ersten Fall kann die Wirbelschicht in einem Fließbettreaktor (manchmal auch als Schwebebett- oder Wirbelschichtreaktor bezeichnet) ausge¬ bildet werden, im zweiten Fall ist ein Schlaufenreaktor mit interner oder externer Schlaufenströmung einzusetzen. Die Gestaltung solcher Reaktoren, die sich auch für die erfindungs- gemäßen Feststoffkörper eignen und bei denen weitere Funktio¬ nen, wie Beruhigungsstrecken, Abscheider, Wärmetauscher undIf the carrier bodies are not to be used as a bed or packing in a fixed bed reactor, they have to be fluidized. This can be accomplished by means of a stationary or rotating fluidized bed. In the first case, the fluidized bed can be formed in a fluidized bed reactor (sometimes also referred to as a fluidized bed or fluidized bed reactor), in the second case a loop reactor with internal or external loop flow is to be used. The design of such reactors which are also suitable for the solid bodies according to the invention and in which further functions, such as calming sections, separators, heat exchangers and

ERSATZBLATT dergleichen integriert sind, kann in unterschiedlicher Weise erfolgen und ist bereits in einem Teil der oben genannten Druckschriften beschrieben.REPLACEMENT LEAF The like are integrated, can be done in different ways and is already described in part of the above-mentioned documents.

Zur Auslegung von Wirbelschichtreaktoren ist die Kenntnis der Bewegungsgeschwindigkeit Wp des Trägerpartikels (Sink- oder Aufstiegsgeschwindigkeit) von Wichtigkeit. Sie läßt sich nähe¬ rungsweise wie folgt berechnen:Knowing the speed of movement W p of the carrier particle (sinking or ascending speed) is important for the design of fluidized bed reactors. It can be calculated approximately as follows:

„ = V ,g.(?s-$L> Gl. 1"= V , g . ( ? s - $ L > Eq. 1

18.1,.18.1.

Es bedeuten: dp den Durchmesser des Trägerpartikels, g die Erd¬ beschleunigung, s die Stoffdiσhte des Trägerpartikels, ~> L die Dichte des fluiden Mediums der Wirbelschicht und <jL die dynami¬ sche Zähigkeit dieses Mediums.This means: d p the diameter of the carrier particle, g the acceleration due to gravity, s the material diameter of the carrier particle, ~ L the density of the fluid medium of the fluidized bed and j L the dynamic viscosity of this medium.

Je nach Dichtedifferenz ergibt sich eine positive (Trägerparti¬ kel sinkt ab) oder negative (Trägerpartikel steigt auf) Geschwindigkeit. Die Gleichung 1 gilt im strengen Sinn nur für kugelige Teilchen mit dem Durchmesser dp, die bei Reynoldszah- len Rep__=-0,5 in einem unendlich ausgedehnten, ruhenden Medium mit der Dichte

Figure imgf000009_0001
und der dynamischen Viskosität ff L infolge der Schwerkraft oder Auftriebskraft eine Bewegung ausführen. Die Reynoldszahl ist hier definiert als:Depending on the density difference, there is a positive (carrier particle decreases) or negative (carrier particle increases) speed. Equation 1 applies in the strict sense only to spherical particles with the diameter d p , which for Reynolds numbers Re p __ = - 0.5 in an infinitely extended, dormant medium with the density
Figure imgf000009_0001
and the dynamic viscosity ff L due to gravity or buoyancy. The Reynolds number is defined here as:

Figure imgf000009_0002
Figure imgf000009_0002

Bei porösen Trägern ist anstelle der Reindichte g des Fest¬ stoffes die Rohdichte zu setzen. Die Rohdichte ~ des Trägers, früher auch als Raumgewicht bezeichnet, stellt die Dichte desIn the case of porous supports, the bulk density is to be used instead of the pure density g of the solid. The bulk density ~ of the carrier, formerly also called the density, represents the density of the

ERSATZBLATT porösen Trägerkörpers einschließlich seiner mit Luft gefüllten Poren dar. Sie berechnet sich unter Vernachlässigung der Dichte der Luf aus der Reindichte des das Gerüst bildenden Stoffes σs und der Porosität6 p nach der Gleichung:REPLACEMENT LEAF porous carrier body including its air-filled pores. It is calculated by neglecting the density of the air from the pure density of the material forming the framework σ s and the porosity6 p according to the equation:

Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0001

Für keramische Güter wird die Rohdichte nach DIN 51065, die Porosität nach DIN 51056 bestimmt. Variiert die Rohdichte eines Feststoffkörpers von innen nach außen, so spricht man auch von örtlicher Rohdichte.For ceramic goods, the bulk density is determined according to DIN 51065, the porosity according to DIN 51056. If the bulk density of a solid body varies from the inside to the outside, one also speaks of the local bulk density.

Es gilt:The following applies:

g _ Volumen sämtlicher Poren des Träcrerkörpers Gl. 4g _ Volume of all pores of the carrier body Eq. 4

P Volumen des Trägerkörpers einschl. seiner PorenP Volume of the carrier body including its pores

Für das untergetauchte, vollständig mit der Flüssigkeit der Dichte 5^ getränkte Partikel ist die Rohdichte, die bei porösen Körpern in den Gleichungen 1 und 2 anstelle vonp g einzusetzen ist:For the submerged particle, completely saturated with the liquid with a density of 5 ^, the bulk density is to be used for porous bodies in equations 1 and 2 instead of p g:

=j ( 1-V + Λ.-ζ? Gl,= j (1 -V + Λ.- ζ ? Gl,

Da sich die Dichte von Mikroorganismen in der Regel kaum von der Dichte der benutzten (wässrigen) Lösungen unterscheidet, ist die Dichte nach Gleichung 5 gleichzeitig näherungsweise auch die Dichte eines bewachsenen Trägerkörpers (Gaseinschlüs¬ se) unberücksichtigt .Since the density of microorganisms generally hardly differs from the density of the (aqueous) solutions used, the density according to equation 5 is at the same time also approximately disregarded for the density of an overgrown carrier body (gas inclusions).

ERSATZBLATT Bei Suspensionen mit Feststoffgehalten τ> 0,05 läßt sich die Sinkgeschwindigkeit der Partikel im Schwarmkollektiv in erster Näherung berechnen nach der Gleichung:REPLACEMENT LEAF For suspensions with solids contents τ > 0.05, the sinking rate of the particles in the swarm collective can be calculated as a first approximation according to the equation:

m = W. n m = W. n

P* (1-*w> mit n = 4,65 Gl. 6P * (1 - * w> with n = 4.65 Eq. 6

Der Kenntnis der Schwarmsinkgeschwindigkeit Wτ kommt große Bedeutung zu, da sie der Flüssigkeits-Leerraumgeschwindigkeit gleichzusetzen ist, mit welcher der Reaktor durchströmt werden muß, um die Partikel als Wirbelschicht in Schwebe zu halten. Hierbei ist der Feststoffgehalt der Suspension bzw. Wirbel¬ schicht definiert als:Knowledge of the swarm sink rate W τ is of great importance, since it is to be equated to the liquid empty space speed with which the reactor must be flowed through in order to keep the particles in suspension as a fluidized bed. The solids content of the suspension or fluidized bed is defined as:

- _ Volumen sämtlicher Träqerkörper in.der Suspension Gl. 7 ''W ~ Volumen der Suspension- _ Volume of all carrier bodies in the suspension Eq. 7 '' W ~ volume of suspension

Für eine Reynoldszahl Rep> 0,5 werden verschiedene Berechnungs¬ sätze in der Literatur genannt. Sie sind meist wesentlich kom¬ plizierter als die Beziehung nach Gl. 1. Ähnliches gilt auch für Verfeinerungen von Gl. 6. Die folgenden Beispielrechnungen wurden unter Zugrundelegung der Angaben von P. Zehner (Chem. Eng. Process. 19 (1985) 57-65) durchgeführt.For a Reynolds number Re p > 0.5, various calculation sets are given in the literature. They are usually much more complicated than the relationship according to Eq. 1. The same applies to refinements of Eq. 6. The following example calculations were carried out on the basis of the information provided by P. Zehner (Chem. Eng. Process. 19 (1985) 57-65).

Ist die Rohdichte des Trägerkörpers größer als die Dichte des Mediums, so muß der Reaktor zum Fluidisieren des Trägers von unten nach oben durchströmt werden. Als Beispiele für derartige Reaktoren sind die Patentanmeldungen EP 0 090 450 und EP 0 168 283 zu nennen.If the bulk density of the carrier body is greater than the density of the medium, the reactor must be flowed through from bottom to top in order to fluidize the carrier. Examples of such reactors are the patent applications EP 0 090 450 and EP 0 168 283.

Ist die Rohdichte kleiner als die Dichte des Mediums, handeltIs the bulk density less than the density of the medium

ERSATZBLÄTT es sich also um aufschwimmendes Material, so ist eine umgekehr¬ te Strömungsführung erforderlich, wie beispielsweise in der Patentanmeldung EP 0 025 309 beschrieben.ERS A TZBLÄTT if the material is floating, a reverse flow guidance is required, as described for example in patent application EP 0 025 309.

Einen Sonderfall stellen Reaktoren mit umlaufenden Wirbel¬ schichten oder Reaktoren, die sowohl für sedimentierende als auch für aufschwimmende Trägerkörper geeignet sind, dar. In diesem Zusammenhang wird auf die Patentanmeldungen DE 34 29 355, EP 0 072 093 und EP 0 268 225 hingewiesen.Reactors with circulating fluidized beds or reactors which are suitable both for sedimenting and for floating support bodies are a special case. Reference is made in this connection to patent applications DE 34 29 355, EP 0 072 093 and EP 0 268 225.

Bei diesen Verfahren wird angestrebt, vermehrungsfähige Zellor¬ ganismen einzusetzen und diese durch ihr natürliches Adhäsions- vermögen, d. h. möglichst ohne Einsatz weiterer Hilfsmittel auf Trägern zu fixieren. So wird häufig erst durch den Einsatz gan¬ zer Zellorganismen gewährleistet, daß alle nötigen Cofaktoren vorhanden sind, um eine rasche, selektive Umsetzung zu bekom¬ men. Beim Einsatz eines reinen Enzyms können diese Faktoren gegebenenfalls fehlen. In manchen Fällen läßt sich die Adhäsion durch eine gegenüber der Fermentation mit unfixierten Zellen geänderte Zusammensetzung des zu behandelnden Mediums oder auch durch einen anderen pH-Wert unterstützen.In these methods, the aim is to use cell organisms capable of reproduction and these by their natural adhesive properties, ie. H. to be fixed on supports as far as possible without the use of further aids. Thus, it is often only through the use of entire cell organisms that it is ensured that all the necessary cofactors are present in order to achieve a rapid, selective implementation. When using a pure enzyme, these factors may be missing. In some cases, the adhesion can be supported by a change in the composition of the medium to be treated compared to the fermentation with unfixed cells or by a different pH value.

Beim Betreiben der vorerwähnten Systeme (Reaktoren) können unerwünschte Beeinträchtigungen auftreten, von denen die wich¬ tigsten nachstehend erwähnt werden. Durch spezielle Feststoff- Trägerkörper gemäß der Erfindung sollen diese unerwünschten Begleiterscheinungen zumindest reduziert werden.When operating the aforementioned systems (reactors), undesirable impairments can occur, the most important of which are mentioned below. These undesirable side effects are at least to be reduced by means of special solid support bodies according to the invention.

Mögliche Beeinträchtigungen beim Betreiben eines Systems mit immobilisierten Mikroorganismen können in folgendem bestehen:Possible impairments when operating a system with immobilized microorganisms can consist of the following:

a. Geringe natürliche Adhäsionskraft der Mikroorganismen.a. Low natural adhesive power of the microorganisms.

b. Abrieb an der Feststoffkörperoberflache oder mechanische Zerstörung dieses Trägerkörpers durch zu häufige und' zu heftige Kollisionen der Körper während des Fluidisierens.b. Abrasion on the solid surface or mechanical Destruction of this carrier body by too frequent and too violent collisions of the bodies during fluidization.

c. Ungenügende Diffusion, also Diffusionslimitierungen, durch zu enge und tiefe Poren oder durch zu starke Besiedlung der Poren, die im Grenzfall mit Mikroorganismen vollstän¬ dig angefüllt sein können.c. Inadequate diffusion, that is to say diffusion limitations, due to too narrow and deep pores or due to excessive colonization of the pores, which in the borderline case can be completely filled with microorganisms.

d. Ungenügende Zurückhaltung der Trägerpartikel im Reaktor, wobei die Trägerpartikel flotieren, obwohl sie aufgrund ihrer Rohdichte absinken sollten.d. Insufficient retention of the carrier particles in the reactor, the carrier particles floating, although they should decrease due to their bulk density.

e. Das Trägermaterial ist nicht wiederverwendbar, wenn auf einen anderen Prozeß umgestellt werden soll, oder das Material regeneriert werden muß, weil Kontaminationen mit Fremdkeimen aufgetreten sind.e. The carrier material is not reusable if you want to switch to another process or the material has to be regenerated because contamination with foreign germs has occurred.

f. Verunreinigungen durch Trübstoffe oder andere Feststoffe, die durch das zulaufende Medium eingetragen werden, rei¬ chern sich im Reaktor an.f. Contamination from turbid substances or other solids, which are introduced by the incoming medium, accumulate in the reactor.

g. Das Wiederanlaufen aus abgesetzter Suspension nach einem Störfall gestaltet sich schwierig.G. Restarting from suspended suspension after an accident is difficult.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten können grundsätzlich fol¬ gende Lösungsmöglichkeiten in Betracht gezogen werden.In principle, the following possible solutions can be considered to remedy these difficulties.

a. Man verwendet poröse, starre Feststoff-Trägerkörper mit großem Oberflächen/Volumen-Verhältnis, da mechanische Kräfte (Abrasion) oder hydraulische Kräfte (Relativge¬ schwindigkeit der Partikel zum Fluid) weniger stark auf die Zellorganismen wirken können. Durch die Porosität ist es den Zellen möglich, sich in geschützten Höhlungen anzu¬ siedeln; durch die Wahl eines starren Körpers wird das Herausquetschen von Zellen vermieden, wie es z. B. bei Schaumstoffen auftritt. Sollte dies die Besiedlung noch nicht ausreichend sichern, so besteht die bereits erwähnte Möglichkeit, Haftvermittler einzusetzen. Die Porosität der Trägerkörper darf nicht zu hoch gewählt werden, da sonst der Trägerkörper mechanisch nicht belastbar ist.a. Porous, rigid solid support bodies with a large surface / volume ratio are used, since mechanical forces (abrasion) or hydraulic forces (relative speed of the particles to the fluid) can act less strongly on the cell organisms. The porosity enables the cells to settle in protected cavities; by choosing a rigid body that becomes Avoid squeezing cells, as z. B. occurs with foams. If this does not yet sufficiently secure the settlement, there is the possibility, already mentioned, of using adhesion promoters. The porosity of the carrier body must not be chosen too high, since otherwise the carrier body cannot be mechanically loaded.

b. Man verwendet kleine Trägerpartikel mit niedriger Masse. Zum Suspendieren kleiner, leichter Partikel reichen mode¬ rate Fluidisierungsbedingungen aus. Nimmt man an, daß die Geschwindigkeit, mit der sich die Teilchen in einer Suspension bewegen und miteinander kollidieren, ihrer Relativgeschwindigkeit nach den obigen Gleichungen 1 bzw.b. Small carrier particles with a low mass are used. Moderate fluidization conditions are sufficient to suspend small, light particles. Assuming that the speed at which the particles move in a suspension and collide with one another depends on their relative speed according to Equations 1 and

6 proportional ist, so ergibt sich bei gleichem volumetri- schem Gehalt an Trägerkörpern zwar eine erhöhte Stoßzahl pro Zeiteinheit für das einzelne Teilchen in der Größen¬ ordnung von etwa l/dp, jedoch wird dies durch eine Ernie¬ drigung des Impulses bei der Teilchenkollision in der Grö- ßenordnung von etwa dp weit überkompensiert.6 is proportional, the same volumetric content of carrier bodies results in an increased number of impacts per unit of time for the individual particle in the order of about 1 / d p , but this is caused by a reduction in the momentum in the particle collision on the order of magnitude of about d p overcompensated.

c. Man setzt mit Vorteil große, miteinander verbundene, durchströmbare Poren ein. Der Porendurchmesser für eine optimale Besiedlung kann beispielsweise bei dem 5-fachen Durchmesser der Zellen liegen. Dabei bedeutet aber maxima¬ le Besiedlungsdichte nicht unbedingt auch maximale Aktivi¬ tät der Organismen und maximale Ausbeute. Hierzu ist ein freier Flüssigkeits- und Gasaustausch in den Poren ebenso wichtig, so daß eher größere Poren oder ein Nebeneinander von Mikro- und Makroporen anzustreben ist.c. It is advantageous to use large, interconnected, permeable pores. The pore diameter for optimal colonization can be, for example, 5 times the diameter of the cells. However, maximum population density does not necessarily mean maximum activity of the organisms and maximum yield. For this, a free exchange of liquid and gas in the pores is just as important, so that larger pores or a juxtaposition of micro and macro pores should be sought.

d. Man erhöht die Dichtedifferenz im Zähler von Gleichung 1.d. The density difference in the numerator of equation 1 is increased.

Da die Reindichte organischer Stoffe in der Regel über 2000 kg m liegt, sind anorganische Materialien zu bevor¬ zugen. Etwaige Gasentwicklung kann dazu führen, daß poröseSince the pure density of organic substances is generally above 2000 kg m, inorganic materials are preferred. Any gas evolution can cause porous

ERSATZBLATT Partikel sich mit Gas füllen und aufschwimmen, so daß eine größere Dichtedifferenz hier mehr Sicherheit bietet.ERS A T ZB LATT Particles fill with gas and float, so that a larger density difference offers more security here.

e. Man verwendet ein Trägermaterial, das sich ausglühen oder chemisch auslaugen läßt, um unerwünschten Bewuchs zu ent¬ fernen und das Material zu sterilisieren.e. A carrier material is used which can be annealed or leached chemically in order to remove unwanted growth and to sterilize the material.

f. Man erhöht (entsprechend Buchstaben d. ) die Dichtediffe¬ renz, so daß eingetragene feste, nicht abbaubare Inhalts¬ stoffe und Verunreinigungen durch Erhöhung der Durchströ¬ mungsgeschwindigkeit leichter durch den Reaktor hindurch¬ geschleust werden.f. The density difference is increased (corresponding to letter d.), So that solid, non-degradable constituents and impurities which have been introduced can be more easily passed through the reactor by increasing the flow rate.

g. Man verhütet eine das Trägerpartikel umhüllende Besied¬ lung, so daß nach einem Störfall kein augenblickliches Zusammenwachsen der Biofilme benachbarter Trägerteilchen in der Schüttung erfolgt. Die Schichtdicke des Biofilms auf der äußeren Kontour der Partikel wie auch der Abrieb des Trägerkörpers selbst, der jedoch erst bei weitaus höheren Kräften einsetzt, läßt sich bei Verwendung einer Wirbelschicht in einem engeren Bereich durch die gewählte Leerraumgeschwindigkeit, die allerdings die Expansion des Wirbelbetts beeinflußt, in einem größeren Bereich durch den gewählten Partikeldurchmesser steuern. Auch aus ande¬ ren Gründen, wie z. B. Diffusionslimitierungen, kann es notwendig sein, den Bewuchs mit Mikroorganismen auf ein bestimmtes Maß zu begrenzen.G. A colonization enveloping the carrier particle is prevented, so that after an accident the biofilms of neighboring carrier particles do not grow together in the bed immediately. The layer thickness of the biofilm on the outer contour of the particles as well as the abrasion of the carrier body itself, which, however, only starts with far higher forces, can be determined by using a fluidized bed in a narrower range by the selected space velocity, which however influences the expansion of the fluidized bed, control in a larger area by the selected particle diameter. Also for other reasons, such. B. diffusion limits, it may be necessary to limit the growth of microorganisms to a certain level.

Für die Lösung der im voranstehenden erwähnten Probleme werden erfindungsgemäß als Trägermaterial synthetische, poröse Fest- stoffkörper in Form eines körnigen, schüttfähigen Materials vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnen, daß sie eine von innen nach außen variierende Rohdichte haben, und die örtlicheTo solve the problems mentioned above, the invention proposes synthetic, porous solid bodies in the form of a granular, pourable material which are distinguished by the fact that they have a bulk density which varies from the inside out, and the local one

ERSATZBLATT Rohdichte zwischen dem Kernbereich (Mittelpunkt) und der äuße¬ ren Oberfläche des Feststoffkörpers um mindestens 20 % variiert.E R SET BLADE The bulk density between the core area (center point) and the outer surface of the solid body varies by at least 20%.

Prozentuale Änderungen der örtlichen Rohdichte sind dabei auf die örtliche Rohdichte im Kernbereich (Mittelpunkt) bezogen. Die örtliche Rohdichte kann prinzipiell von innen nach außen zu- oder abnehmen.Percentage changes in the local bulk density are related to the local bulk density in the core area (center). The local bulk density can in principle increase or decrease from the inside to the outside.

Es ist von Vorteil, Trägerkörper mit einem verhältnismäßig gro¬ ßen Volumenanteil von Poren herzustellen, für die keine wesent¬ lichen Diffusionslimitierungen zu erwarten sind, wobei gleich¬ zeitig der Kern des Trägerpartikels dazu benutzt wird, eine gewünschte Gesamt-Rohdichte einzustellen, um eben die Sedimen¬ tationseigenschaften günstig zu gestalten. Dies kann insbeson¬ dere durch einen mehrschichtigen Aufbau der Feststoffkörper erfolgen, bei dem sich die örtliche Rohdichte und/oder vorzugs¬ weise die örtliche Porosität von innen nach außen sprunghaft verändert. Man kann die Trägerkörper auch so aufbauen, daß sich die örtliche Rohdichte und/oder gegebenenfalls die örtliche Porosität von innen nach außen kontinuierlich verändert. In der Regel ist es günstig, die äußere, poröse Schicht des Trägerkör¬ pers unter dem Gesichtspunkt einer optimalen Besiedlungsfä- higkeit auszubilden, und den Kern des Körpers entsprechend den gewünschten Sedimentationseigenschaften (absinkend oder auf¬ schwimmend) zu gestalten.It is advantageous to produce carrier bodies with a relatively large volume fraction of pores for which no significant diffusion limitations are to be expected, the core of the carrier particle being used at the same time to set a desired overall bulk density in order to achieve precisely that To make sedimentation properties favorable. This can take place in particular through a multilayer structure of the solid body, in which the local bulk density and / or preferably the local porosity changes abruptly from the inside to the outside. The carrier bodies can also be constructed in such a way that the local bulk density and / or possibly the local porosity changes continuously from the inside to the outside. As a rule, it is expedient to design the outer, porous layer of the carrier body from the point of view of optimal colonization capacity and to design the core of the body in accordance with the desired sedimentation properties (sinking or floating).

Die Erfindung kann auch in dem Verfahren bestehend aufgefaßt werden, gemäß welchem man, ausgehend von einer für den betref¬ fenden Anwendungsfall günstigen Porosität, die Rohdichte der Feststoffkörper im Hinblick auf das zu betreibende Reaktions- system entsprechend den oben genannten Werten so einstellt, daß sich die für den Anwendungsfall besten Sedimentations¬ eigenschaften der Feststoffkörper ergeben.The invention can also be understood as consisting in the method according to which, starting from a porosity which is favorable for the application in question, the bulk density of the solid bodies with regard to the reaction system to be operated is adjusted in accordance with the above-mentioned values such that give the best sedimentation properties of the solid body for the application.

ERSATZBLATT Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbei¬ spiele im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung näher erläu¬ tert. Auf der Zeichnung zeigen:ER S ATZBLATT The invention is explained in more detail below on the basis of a number of exemplary embodiments in conjunction with the accompanying drawing. Show on the drawing:

Figur 1 einen porösen Feststoffkörper mit kon¬ tinuierlich von innen nach außen abneh¬ mender Feststoffdichte;FIG. 1 shows a porous solid body with a continuously decreasing solid density from the inside to the outside;

Figur 2 einen Feststoffkörper mit kontinuierlich von innen nach außen zunehmender Porosi¬ tät;FIG. 2 shows a solid body with a continuously increasing porosity from the inside out;

Figur 3 einen mehrschichtigen Aufbau eines porö¬ sen Feststoffkörpers;FIG. 3 shows a multilayer structure of a porous solid body;

Figur 4 einen Feststoffkörper ähnlich Figur 3 mit einem inneren Hohlraum undFigure 4 shows a solid body similar to Figure 3 with an internal cavity and

Figur 5 einen Feststoffkörper ähnlich Figur 4 mit einer den inneren Hohlraum umschlie¬ ßenden Zwischenschicht.5 shows a solid body similar to FIG. 4 with an intermediate layer surrounding the inner cavity.

Die Figuren 1 bis 5 bestehen jeweils aus drei übereinander angeordneten Teildarstellungen. Auf der linken Seite der Dar¬ stellungen in der obersten Reihe ist der Feststoffkörper reali¬ tätsnah abgebildet, während er auf der rechten Seite dieser Darstellung mehr oder weniger schematisiert ist. Der gewisser¬ maßen das Gerüst des Feststoffkörpers bildende Feststoff ist jeweils mit dem Bezugszeichen 1, die in ihm enthaltenen Poren sind mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. In Figur 3 bezeichnet das Bezugszeichen 3 den Stoff, aus dem der Kern des Körpers besteht, in Figur 4 und 5 ist ein innerer Hohlraum des Fest¬ stoffkörpers mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet, und in Figur 5 ist schließlich eine den Hohlraum 4 schließende ZwischenschichtFigures 1 to 5 each consist of three superimposed partial representations. The solid body is realistically depicted on the left side of the representations in the top row, while it is more or less schematized on the right side of this representation. The solid which forms the framework of the solid body is in each case denoted by the reference symbol 1, and the pores contained in it are identified by the reference symbol 2. In FIG. 3, the reference number 3 denotes the material from which the core of the body is made, in FIGS. 4 and 5, an inner cavity of the solid body is designated with the reference number 4, and in FIG. 5, finally, an intermediate layer closing the cavity 4

BSATZBLATT mit dem Bezugszeichen 5 versehen.REPLACEMENT LEAF provided with the reference number 5.

Die grafischen Darstellungen in der mittleren und unteren Reihe der Figuren 1 bis 5 zeigen die in radialer Richtung (r) des jeweiligen Feststoffkörpers gemessene Abhängigkeit der relati¬ ven Rohdichte

Figure imgf000018_0001
bzw. äer Porosität- (£p)» Mit $ g ist die mittlere Dichte des Stoffes angenommen, aus dem der insoweit einheitliche Feststoffkörper als Ganzes besteht, bzw. die mitt¬ lere Dichte bestimmter Abschnitte des Feststoffkörpers (z. B. Kern 3) bezeichnet. Der Radius des jeweiligen Feststoffkörpers ist mit R angenommen.The graphic representations in the middle and lower row of FIGS. 1 to 5 show the dependence of the relative bulk density measured in the radial direction (r) of the respective solid body
Figure imgf000018_0001
or porosity- (£ p ) »With $ g the average density of the substance from which the solid body is made up as a whole is assumed, or the average density of certain sections of the solid body (e.g. core 3) designated. The radius of the respective solid body is assumed to be R.

Bei den in Figur 1 bis 5 dargestellten Feststoff-Trägerkörpern handelt es sich um die wichtigsten Grenzfälle der Erfindung. Bei der Darstellung werden die Poren als leer betrachtet ( p = 0). Die Poren sind im Feststoffkörper zumindest teilweise mit¬ einander verbunden und zu einem ganz überwiegenden Teil vom Fluid durchströmt und damit potentiell besiedelbar.The solid support bodies shown in FIGS. 1 to 5 are the most important limit cases of the invention. In the illustration, the pores are considered empty ( p = 0). The pores in the solid body are at least partially connected to one another and the fluid flows through them for the most part and can therefore be populated.

In Figur 1 hat der aus dem Material 1 bestehende Feststoffkör¬ per eine kontinuierlich von innen nach außen abnehmende Roh¬ dichte (vgl. die mittlere Darstellung in Figur 1). Die Porosi¬ tät (untere Darstellung in Figur 1) ist konstant oder einheit¬ lich. Sie könnte (wie in Figur 2 angenommen) auch variieren, d. h. einen Gradienten aufweisen.In FIG. 1, the solid body consisting of material 1 has a bulk density that decreases continuously from the inside to the outside (cf. the middle representation in FIG. 1). The porosity (lower representation in FIG. 1) is constant or uniform. It could also vary (as assumed in Figure 2); H. have a gradient.

Ein poröser Feststoff-Trägerkörper gemäß Figur 1 kann auf fol¬ gende Weise hergestellt werden: in einem Pelletiermischer oder im Wege einer Aufbaugranulation kann durch zeitabhängige Zugabe verschiedener Rohmaterialien mit unterschiedlicher Dichte der Körper so hergestellt werden, daß sich ein Dichtegradient in¬ nerhalb des Körpers einstellt. Je nachdem, ob zuerst das spezi¬ fisch schwerere Material oder zuerst ein Stoff mit kleinererA porous solid support body according to FIG. 1 can be produced in the following way: in a pellet mixer or by means of a build-up granulation, the bodies can be produced by time-dependent addition of different raw materials with different densities in such a way that a density gradient is established within the body . Depending on whether first the speci¬ fisch heavier material or first a material with a smaller one

ERSATZBLATT Dichte zugegeben werden, wird die Rohdichte des entstehenden Trägerkörpers von innen nach außen abnehmen oder von innen nach außen zunehmen. Eine über dem Querschnitt (in Richtung r) kon¬ stante Porosität kann entweder durch eine gleiche Korngrößen¬ verteilung der verschiedenen, zugegebenen Rohmaterialien oder - vorteilhafter - durch die Zugabe von Porenbildnern bekannter Größenverteilung während des gesamten Herstellungsprozesses erreicht werden, wobei die Porenbildner anschließend entfernt, z. B. ausgelaugt oder ausgebrannt werden.ERS A TZ B LATT If the density is added, the bulk density of the resulting carrier body will decrease from the inside out or increase from the inside out. A porosity that is constant over the cross-section (in the direction r) can be achieved either by an equal particle size distribution of the various raw materials added or - more advantageously - by the addition of pore formers of known size distribution during the entire production process, the pore formers subsequently being removed, e.g. B. be drained or burned out.

Die Figur 2 zeigt einen Feststoffkörper mit kontinuierlich von innen nach außen zunehmender Porosität, dergestalt, daß entwe¬ der die Zahl der Poren oder die Porengröße örtlich von innen nach außen zunimmt. Durch einen solchen Aufbau des Körpers erhält man gleichzeitig eine Variation oder einen Gradienten der örtlichen Rohdichte. Der Kern kann hierbei unporös sein, während die äußere, dem zu behandelnden Medium ausgesetzte Schicht eine maximale Porosität aufweisen kann, welche nur durch die gewünschte mechanische Stabilität des Feststoffkör¬ pers begrenzt ist. Auch in diesem Fall wie auch in allen ande¬ ren Fällen sind die Poren vorteilhafterweise miteinander ver¬ bunden und nach außen offen (durchströmbare Poren).FIG. 2 shows a solid body with a continuously increasing porosity from the inside out, in such a way that either the number of pores or the pore size increases locally from the inside out. With such a structure of the body, a variation or a gradient of the local bulk density is obtained at the same time. The core can be non-porous, while the outer layer exposed to the medium to be treated can have a maximum porosity, which is only limited by the desired mechanical stability of the solid body. In this case too, as in all other cases, the pores are advantageously connected to one another and open to the outside (pores through which they can flow).

In Figur 3 ist ein mehrschichtiger Aufbau eines Feststoff-Trä¬ gerkörpers dargestellt, wobei der innere oder Kernbereich des Körpers, sofern er stofflich aus dem gleichen Material wie der Außenbereich des Körpers besteht, eine gegenüber dem Außenbe¬ reich vergleichsweise sehr geringe oder gar keine Porosität aufweist, oder, sofern sich der innere Bereich stofflich vom Material des Außenbereichs unterscheidet, zumindest eine deut¬ lich höhere Rohdichte als der Außenbereich aufweist. Der äußere Bereich, der dem zu behandelnden Medium ausgesetzt wird, kann eine maximale Porosität aufweisen, welche wiederum nur durchFIG. 3 shows a multi-layer structure of a solid support body, the inner or core area of the body, provided that it is made of the same material as the outer area of the body, has a relatively low or no porosity compared to the outer area or, if the inner area differs materially from the material of the outer area, has at least a significantly higher bulk density than the outer area. The outer area, which is exposed to the medium to be treated, can have a maximum porosity, which in turn only by

ERSATZBLAT die gewünschte mechanische Stabilität begrenzt ist, die insbe¬ sondere durch den inneren oder Kernbereich vermittelt wird.REPLACEMENT BLADE the desired mechanical stability is limited, which is conveyed in particular by the inner or core area.

Das Beispiel gemäß Figur 4 entspricht demjenigen gemäß Figur 3, wobei jedoch der Kernbereich als Hohlraum (Porosität = 1) aus¬ gebildet ist und somit eine niedrigere Rohdichte als der Außen¬ bereich aufweist.The example according to FIG. 4 corresponds to that according to FIG. 3, but the core area is designed as a cavity (porosity = 1) and thus has a lower bulk density than the outer area.

Die Ausführungsform gemäß Figur 5 entspricht derjenigen nach Figur 4, wobei jedoch der Hohlraum des Trägerkörpers zusätzlich durch eine unporöse, undurchlässige Zwischenschicht aus dem gleichen oder einem anderen Stoff als das Material des Außenbe¬ reiches ummantelt ist.The embodiment according to FIG. 5 corresponds to that according to FIG. 4, but the cavity of the carrier body is additionally encased by a non-porous, impermeable intermediate layer made of the same or a different material as the material of the outer region.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Feststoffkörper aus anorganischem Material zur Fixierung von Mikroorganismen, ins¬ besondere nach Figur 1 bis 5, kann der Dichtegradient innerhalb eines Partikels und damit die effektive Porosität durch ent¬ sprechende Verfahrensparameter bei der Herstellung in weiten Grenzen variiert werden. Zum Beispiel kann über die Herstel¬ lungsweise (z. B. Mischdauer, Umlaufgeschwindigkeit einer Mischtrommel bei aus mehreren Ausgangsstoffen herzustellenden Feststoffkörpern) sowohl die Größe als auch die innere und äußere Dichte entsprechend den fluiddynamischen Anforderungen des Reaktors eingestellt werden. Weiter ist es möglich, durch entsprechende Rohstoffzusammensetzungen oder Mischungsrezep¬ turen, z. B. durch die Reihenfolge der Zugabe der einzelnen Komponenten, den Dichtegradienten öder eine unterschiedliche Porosität in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser einzustellen. Bei Verwendung eines Rohstoffs mit einheitlicher Feststoffdich¬ te über den gesamten Durchmesserbereich des Partikels kann __ . B. durch die Zugabe von Porenbildnern die Porosität gezielt so verändert werden, daß der Unterschied in der Rohdichte wenig¬ stens 20 % beträgt.When producing the solid bodies according to the invention from inorganic material for fixing microorganisms, in particular according to FIGS. 1 to 5, the density gradient within a particle and thus the effective porosity can be varied within wide limits by corresponding process parameters during production. For example, the size (as well as the internal and external density) can be adjusted according to the fluid dynamic requirements of the reactor via the method of manufacture (e.g. mixing duration, speed of rotation of a mixing drum for solid bodies to be produced from several starting materials). It is also possible to use appropriate raw material compositions or mixture recipes, e.g. B. by the order of addition of the individual components, the density gradient or a different porosity depending on the particle diameter. When using a raw material with a uniform solid density over the entire diameter range of the particle, __. B. by adding pore formers, the porosity can be specifically changed so that the difference in bulk density is at least 20%.

ERSATZBLATT In den Fällen, in denen es sich um poröse Trägermaterialien mit einem scharfen Dichtegradienten (stufenweise Dichtevariation) im Inneren des Materials handelt, können zur Realisierung die¬ ser Anforderung z. B. folgende Herstellungsweisen zum Ziel füh¬ ren:REPLACEMENT LEAF In the cases in which porous carrier materials with a sharp density gradient (gradual density variation) in the interior of the material are involved, this requirement can be met, for example. B. the following production methods lead to the goal:

a. Der Kern des Feststoffkörpers hat eine höhere Dichte als die Rohdichte der porösen, äußeren Schicht(en).a. The core of the solid body has a higher density than the bulk density of the porous outer layer (s).

In diesem Falle setzt man mit Vorteil dichte, runde und einfach verfügbare, kugelförmige Grundmaterialien ein, beispielsweise Quarzsand (Dichte = 2200 kg/m ), Alumi- niumoxid (Korund; Dichte % = 4000 kg/m ), Siliziumcarbid (Dichte ^ = 3200 kg/m3), Siliziumdioxid (Glas; Dichte ? = 2400 kg/m3), Mullit (Dichte J? = 3160 kg/m3) oder in extre¬ men Fällen - unter Berücksichtigung der hohen Brenntempe- raturen - auch Kerne aus Metall (Dichte j 7000 kg/m ).In this case, it is advantageous to use dense, round and readily available, spherical base materials, for example quartz sand (density = 2200 kg / m), aluminum oxide (corundum; density% = 4000 kg / m), silicon carbide (density ^ = 3200 kg / m 3 ), silicon dioxide (glass; density? = 2400 kg / m 3 ), mullite (density J? = 3160 kg / m 3 ) or in extreme cases - taking into account the high firing temperatures - also cores Metal (density j 7000 kg / m).

b. Der Kern hat eine geringere Dichte als die Rohdichte der porösen äußeren Schicht(en).b. The core has a lower density than the bulk density of the porous outer layer (s).

Diese Anwendungsfälle lassen sich zum Beispiel dadurch realisieren, daß organische Kerne wie Holz- oder Kunst¬ stoffkugeln (z. B. Styropor) als entsprechende Unterlagen für die aufzubringende, poröse, keramische Masse dienen. In dem nachfolgenden Hochtemperaturbrand über 1000° C wird das Material der Unterlage verbrannt, so daß ein entspre¬ chender Hohlraum entsteht. In diesem Fall kann natürlich das Eindringen von Flüssigkeiten in das Kerninnere nicht so ohne weiteres verhindert werden. Abhilfe ergibt sich dadurch, wenn als Kernmaterial für den porösen Außenbe¬ reich bereits eine geschlossene Hohlkugel, z. B. Kugelko¬ rund, eingesetzt wird.These applications can be realized, for example, by using organic cores such as wooden or plastic spheres (eg polystyrene) as appropriate supports for the porous, ceramic mass to be applied. In the subsequent high-temperature fire above 1000 ° C., the material of the base is burned, so that a corresponding cavity is created. In this case, of course, the penetration of liquids into the core cannot be prevented easily. This can be remedied if a closed hollow sphere, e.g. B. Kugelko¬ round, is used.

ERSATZBLATT Bei dem erfindungsgemäßen Material wird also immer davon ausgegangen, daß die äußeren Schichten den inneren Kernbe¬ reich komplett umschließen, also im Falle kugeliger Fest¬ stoffkörper als in sich geschlossene Kugel ausgebildet sind. Nicht geschlossene Beschichtungen, d. h. beispiels¬ weise nur einseitig auf einen Kern aufgebrachte Schichten, werden nicht in Betracht gezogen. Hingegen liegen von der Kugelform abweichende Formen von Feststoffkörpern, insbe¬ sondere auch Ringformen, durchaus im Bereich der Erfindung.REPLACEMENT LEAF In the case of the material according to the invention, it is therefore always assumed that the outer layers completely surround the inner core area, that is to say, in the case of spherical solid bodies, they are designed as a self-contained sphere. Coatings which are not closed, that is to say, for example, only layers applied to one core on one side, are not taken into account. In contrast, shapes of solid bodies deviating from the spherical shape, in particular also ring shapes, are definitely within the scope of the invention.

In den nachstehenden Beispielen werden erfindungsgemäße Feststoffkörper ähnlich Figur 3 mit einem Vergleichs-Fest- stoffkörper an sich bekannter Art verglichen, wobei der Vergleichs-Feststoffkörper durchgehend gleichförmig porös ist und auch von innen nach außen eine konstante Dichte besitzt.In the examples below, solid bodies according to the invention, similar to FIG. 3, are compared with a comparative solid body of a known type, the comparative solid body being uniformly porous throughout and also having a constant density from the inside to the outside.

Ziel der nachstehenden Berechnungsbeispiele ist der Nach¬ weis, daß ein erfindungsgemäßer Feststoffkörper bei ver¬ bessertem Angebot an nutzungsfähigen Poren gleich gute Sedimentationseigenschaften besitzt wie konventionelles Vergleichsmaterial mit gleichförmiger Porosität und Dichte.The aim of the calculation examples below is to demonstrate that a solid body according to the invention, with an improved range of usable pores, has the same good sedimentation properties as conventional comparative material with uniform porosity and density.

Für die Berechnung werden folgende Annahmen getroffen:The following assumptions are made for the calculation:

a. Der erfindungsgemäße und der Vergleichs-Feststoffkörper sind kugelförmig.a. The solid according to the invention and the comparative solid are spherical.

b. Der schwere Kern des erfindungsgemäßen Feststoffkörpers ist kugelförmig und liegt konzentrisch im Inneren des Partikels.b. The heavy core of the solid body according to the invention is spherical and lies concentrically in the interior of the particle.

c. Der schwere Kern des erfindungsgemäßen Feststoffkörpers ist unporös, besteht jedoch aus dem gleichen Stoff wiec. The heavy core of the solid body according to the invention is non-porous, but consists of the same substance as

ERSATZBLATT der Außenbereich (Hüllschxσht).REPLACEMENT LEAF the outside area (envelope).

d. Die Porosität der Hüllschicht des erfindungsgemäßen Feststoffkörpers ist gleichförmig, d. h. sie besitzt keinen örtlichen Gradienten. Das Gleiche gilt für den Vergleichs-Feststoffkörper insgesamt.d. The porosity of the coating layer of the solid body according to the invention is uniform, i. H. it has no local gradient. The same applies to the comparative solid body as a whole.

e. Die äußere Oberfläche sowohl des erfindungsgemäßen als auch des Vergleichs-Trägerkörpers und eine darunter liegende, kugelschalenförmige Schicht mit der Dicke 6 D sind offenporig. In radial darunter liegenden Schichten findet keine Diffusion mehr statt (unendlich große Diffusionslimitierung). Der Vergleichs-Feststoffkörper umfaßt also eine außen gelegene, wirksame Kugelschale mit der Dicke c Q/ in welcher Diffusionsvorgänge und somit Reaktionen zwischen dem zu behandelnden Medium und den in den Poren angesiedelten Mikroorganismen stattfinden. Die obige Annahme trifft die Verhältnisse in der Praxis: In dem innerhalb der Kugelschale gelege¬ nen, porösen Kern findet keine nennenswerte Diffusion statt. Die dort siedelnden Zellen sind unterversorgt und wenig produktiv. Der insoweit unwirksame Kern wird im Falle des erfindungsgemäßen Trägerkörpers dagegen zur Einstellung einer gewünschten Gesamt-Rohdichte sinnvoll genutzt.e. The outer surface of both the inventive and the comparison carrier body and an underlying, spherical shell-shaped layer with a thickness of 6 D are open-pore. Diffusion no longer takes place in radially underlying layers (infinitely large diffusion limitation). The comparative solid body thus comprises an external, effective spherical shell with the thickness c Q / in which diffusion processes and thus reactions take place between the medium to be treated and the microorganisms located in the pores. The above assumption applies to the conditions in practice: no appreciable diffusion takes place in the porous core located within the spherical shell. The cells that settle there are undersupplied and not very productive. The core, which is ineffective in this regard, is usefully used in the case of the carrier body according to the invention to set a desired overall bulk density.

f. Die äußere Kugelschalenschicht (Hüllschicht) des erfindungsgemäßen Feststoffkörpers die ihrerseits einen massiven Kern umschließt, wird in ihrer Schichtdicke H so gewählt, daß dieser Wert dem oben genannten Wert D entspricht.f. The outer spherical shell layer (cladding layer) of the solid body according to the invention, which in turn encloses a solid core, is selected in its layer thickness H so that this value corresponds to the above-mentioned value D.

g. Die Porosität , p des kugelschalenförmigen Außenbe¬ reichs des erfindungsgemäßen Feststoffkörpers und des Vergleichs-Feststoffkörpers stimmen insgesamt überein.G. The porosity, p of the spherical shell-shaped outer area of the solid body according to the invention and the Comparative solid bodies agree overall.

h. Der Feststoff-Volumenanteil w der Wirbelschichten ist als Festwert vorgegeben.H. The solid volume fraction w of the fluidized beds is specified as a fixed value.

x. Die Schwarmsinkgeschwindigkeiten der Suspensionen von erfindungsgemäßen und Vergleichs-Feststoffkörpern sind gleich.x. The swarm sinking rates of the suspensions of inventive and comparative solids are the same.

Beispiel 1example 1

Gegeben:Given:

Durchmesser des Vergleichs- FeststoffkörpersDiameter of the comparative solid body

Schichtdicke ohne Diffusions- limitierungLayer thickness without diffusion limitation

Porositätporosity

Dichte des FeststoffsDensity of the solid

Dichte des MediumsDensity of the medium

Viskosität des MediumsViscosity of the medium

Feststoffgehalt der Wirbelschichten

Figure imgf000024_0001
Solids content of the fluidized beds
Figure imgf000024_0001

Ergebnis:Result:

ERSATZBLATT Schwarmsinkgeschwindigkeit beider Feststoffkörpersus¬ pensionen ^p = 0,013 m.sHE SAT ZBLATT Swarm sink rate of both solid body suspensions ^ p = 0.013 ms

Durchmesser des erfindungs- gemäßen Feststoffträgerkör¬ pers unter Gültigkeit der Voraussetzungen a. bis i. p = 750.10 mDiameter of the solid support body according to the invention, subject to the conditions a. to i. p = 750.10 m

Rohdichte des erfindungsge¬ mäßen Feststoffkörpers p - 1811 kg.m"3 Gross density of the solid body according to the invention p - 1811 kg.m "3

Volumenzuwachs bezüglich der effektiven, Diffusions-unlimi- tierten Schichten durch denVolume increase with regard to the effective, diffusion-unlimited layers through the

Einsatz des erfindungsgemäßenUse of the invention

Feststoffkörpers f = 30 %Solid body f = 30%

Beispiel 2Example 2

Im Unterschied zu Beispiel 1 gilt hier die Annahme c nicht: der Kern besteht aus einem anderen Feststoff als die poröse Hüllschicht.In contrast to example 1, assumption c does not apply here: the core consists of a different solid than the porous coating layer.

Gegeben:Given:

Durchmesser des Vergleichs-Diameter of the comparison

Feststoffkörpers cjp = 2000.10~6 mSolid body cj p = 2000.10 ~ 6 m

Schicht ohne Diffusionslm.it- tierung <^D = 142.10"6 mLayer without diffusion imitation <^ D = 142.10 "6 m

Porosität £" p = 0,50 m3.m-3 Porosity £ " p = 0.50 m 3 .m -3

ERSATZBLATT

Figure imgf000026_0001
REPLACEMENT LEAF
Figure imgf000026_0001

Ergebnis :Result :

Schwarmsinkgeschwindigkeit beider Feststoffkörpersus¬ pensionen W 0,028 m.s -1Swarm sink rate of both solid body suspensions W 0.028 m.s -1

Dichte des Feststoffs im Kernbereich des erfindungs- gemäßen Feststoffkörpers ?κ = 4000 kg.m -3Density of the solid in the core area of the solid body according to the invention? Κ = 4000 kg.m -3

Durchmesser des erfindungs- gemäßen Feststoffkörpers unter Gültigkeit der Voraus¬ setzungen a. bis i. d„ = 1000.10"6 Diameter of the solid body according to the invention with the validity of the requirements a. to i. d "= 1000.10 " 6

Rohdichte des erfindungsge¬ mäßen Feststoffkörpers 5JP - 2418 kg.m -3Bulk density of the solid body according to the invention 5 J P - 2418 kg.m -3

Volumenzuwachs bezüglich der effektiven, Diffusions-unli- mitierten Schichten durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Feststoffkörpers f = 72 %Volume increase with regard to the effective, diffusion-unlimited layers through the use of the solid body according to the invention f = 72%

ERSATZBLA Beispiel 3REPLACEMENT BLA Example 3

Im Unterschied zu Beispiel 1 gilt hier die Annahme c nicht: der Kern besteht aus einem anderen Feststoff als die poröse Hüllschicht.In contrast to example 1, assumption c does not apply here: the core consists of a different solid than the porous coating layer.

Gegeben:Given:

Durchmesser des Vergleichs- Feststoffkörpers = 2000.10 -6 ~ mDiameter of the comparative solid body = 2000.10 -6 ~ m

Schicht ohne Diffusions- limitierungLayer without diffusion limitation

Porositätporosity

Dichte des FeststoffsDensity of the solid

Dichte des MediumsDensity of the medium

Viskosität des MediumsViscosity of the medium

Feststoffgehalt der Wirbelschichten

Figure imgf000027_0001
Solids content of the fluidized beds
Figure imgf000027_0001

Ergebnis:Result:

Schwarmsinkgeschwindigkeit beider Feststoffkörpersus¬ pensionen w. 0,041 m.s -1Swarm sink rate of both solid body suspensions w. 0.041 ms -1

ERSATZBLAT Dichte des Feststoffs imE RSAT ZBLAT Density of the solid in

Kernbereich des erfindungs- gemäßen Feststoffkörpers <? κ = 4000 kg.m -3Core area of the solid body according to the invention? κ = 4000 kg.m -3

Durchmesser des erfindungs¬ gemäßen Feststoffkörpers unter Gültigkeit der Voraussetzun¬ gen a. bis i. dp = 750.10 mDiameter of the solid body according to the invention, with the validity of the conditions a. to i. d p = 750.10 m

Rohdichte des erfindungs- gemäßen Feststoffkörpers -^p = 3142 kg.mBulk density of the solid body according to the invention - ^ p = 3142 kg.m

Volumenzuwachs bezüglich der effektiven, Diffusions-unli- mitierten Schichten durch denVolume increase with regard to the effective, diffusion-unlimited layers by the

Einsatz des erfindungsgemäßenUse of the invention

Feststoffkörpers f = 150 %Solid body f = 150%

Die obigen Beispiele beruhen auf simplifizierenden Rech¬ nungen. Für genauere Betrachtungen wäre noch der Stoffü- bergang an der Feststoffkörperoberfläche und in den Poren (Porendiffusion) heranzuziehen. Da in den gewählten Bei¬ spielen jedoch bei beiden Arten von Trägerkörpern (erfin¬ dungsgemäßer und Vergleichs-Feststoffkörper) gleichartige Poren und gleiches Material zumindest im Außenbereich der Körper vorausgesetzt wurden, ist die Rechnung als Abschät¬ zung gerechtfertigt. Der StoffÜbergang an der Feststoff- körperoberfläche spielt gegenüber der Porendiffusion eine weitaus geringere Rolle.The above examples are based on simplifying calculations. The substance transition on the solid body surface and in the pores (pore diffusion) would have to be used for more detailed considerations. However, since in the selected examples both types of carrier bodies (inventive and comparative solid bodies), the same pores and the same material were assumed, at least in the outer region of the body, the calculation is justified as an estimate. The mass transfer on the solid body surface plays a much smaller role compared to pore diffusion.

Das Ergebnis der drei Beispiele zeigt deutlich, daß bei gleichem Wirbelschichtvolumen erheblich mehr an nutzbarem Porenvolumen bereitgestellt werden kann, wenn erfindungs¬ gemäße Feststoffkörper verwendet werden. Aus anderer SichtThe result of the three examples clearly shows that, with the same fluidized bed volume, considerably more usable pore volume can be provided if solid bodies according to the invention are used. From a different perspective

ERSATZBLATT betrachtet kann dies auch bedeuten, daß das Wirbelschicht¬ oder Reaktorvolumen deutlich kleiner sein kann, um einan¬ der entsprechende Ausbeuten zu erreichen. Dies wäre durch den Einsatz einer feindispersen Fraktion von Partikeln mit kleinerem Durchmesser allein nicht zu erreichen, da wegen der Austragungsgefahr eine Verkleinerung der Partikel nur in beschränktem Maß möglich ist.REPLACEMENT LEAF viewed this can also mean that the fluidized bed or reactor volume can be significantly smaller in order to achieve corresponding yields. This could not be achieved by using a finely dispersed fraction of particles with a smaller diameter alone, since the particles can only be reduced in size to a limited extent because of the risk of discharge.

ZBLATT ZBLATT

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims 1. Synthetische, poröse FestStoffkörper in Form eines körni¬ gen, schüttfähigen Materials, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Feststoffkörper eine von innen nach außen variie¬ rende Rohdichte haben und die örtliche Rohdichte zwischen dem Kernbereich (Mittelpunkt) und der äußeren Oberfläche des Feststoffkörpers um mindestens 20 % variiert.1. Synthetic, porous solids in the form of a granular, pourable material, characterized in that the solids have a bulk density which varies from the inside out and the local bulk density between the core area (center) and the outer surface of the solid body by at least 20 % varies. 2. Feststoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Rohdichte von innen nach außen kontinuierlich variiert.2. Solid body according to claim 1, characterized in that its bulk density varies continuously from the inside to the outside. 3. Feststoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Rohdichte von innen nach außen stufenweise vari¬ iert.3. Solid body according to claim 1, characterized in that its bulk density varies from inside to outside step by step. 4. Feststoffkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Variation der Rohdichte durch eine Variation der Feststoffdichte erreicht ist.4. Solid body according to claim 1, 2 or 3, characterized gekenn¬ characterized in that the variation in bulk density is achieved by varying the solid density. 5. FestStoffkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Variation der Rohdichte durch eine Variation der Porosität erreicht ist.5. solid body according to claim 1, 2 or 3, characterized gekenn¬ characterized in that the variation in bulk density is achieved by varying the porosity. 6. Feststoffkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ihre Porosität von ihnen nach außen variiert.6. Solid body according to claim 1, 2 or 3, characterized gekenn¬ characterized in that their porosity varies from them to the outside. 7. FestStoffkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,7. solid material body according to claim 6, characterized in that ERSATZBLATT daß ihre Porosität stufenweise variiert.REPLACEMENT LEAF that their porosity varies gradually. 8. Feststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie im inneren Kernbereich einen geschlossenen Hohlraum aufweisen.8. Solid body according to one of claims 1 to 7, characterized in that they have a closed cavity in the inner core region. 9. Feststoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie im inneren Kernbereich unporös sind.9. Solid body according to one of claims 1 to 7, characterized in that they are non-porous in the inner core region. 10. Feststoffkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Poren unterschiedlicher Größe enthalten.10. Solid body according to one of the preceding claims, characterized in that it contains pores of different sizes. 11. Feststoffkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren chemisch unterschiedlichen Substanzen bestehen.11. Solid body according to one of the preceding claims, characterized in that they consist of several chemically different substances. 12. Feststoffkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Hohlraum von einer metallischen oder kera¬ mischen Zwischenschicht umschlossen ist.12. Solid body according to claim 8, characterized in that the inner cavity is enclosed by a metallic or ceramic interlayer. 13. Feststoffkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie von im wesentlichen kuge¬ liger Gestalt sind.13. Solid body according to one of the preceding claims, characterized in that they are of substantially spherical shape. 14. Feststoffkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer anorganischen Substanz bestehen.14. Solid body according to one of the preceding claims, characterized in that they consist of an inorganic substance. 15. Feststoffkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ihr äußerer Bereich aus Silikat besteht.15. Solid body according to claim 14, characterized in that at least its outer region consists of silicate. 16. Feststoffkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche,16. Solid body according to one of the preceding claims, ERSATZBLATT dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsfläche einer volumengleichen Kugel einen Durchmesser von 100 u.m bis 15 mm aufweist.REPLACEMENT LEAF characterized in that the projection surface of a volume of the same volume has a diameter of 100 µm to 15 mm. 17. Feststoffkörper nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsfläche der volumengleichen Kugel einen Durchmesser von 200 μm bis 3 mm aufweist.17. Solid body according to claim 16, characterized in that the projection surface of the same volume ball has a diameter of 200 microns to 3 mm. 18. Feststoff örper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ihre äußeren Bereiche porös sind.18. Solid body according to one of the preceding claims, characterized in that at least its outer regions are porous. ERSATZBLATT ER S A T ZBLATT
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