DE29619016U1 - Biodegradable plastic product - Google Patents
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Description
Anmelder:Applicant:
Herr Dr.-Ing. ( Herr Dipl.-Biol.Mr. Dr.-Ing. ( Mr. Dipl.-Biol.
Wolf-Rüdiger Müller ' Dietmar Schönberger Honigwiesenstr. 3 7 Lehenstraße 9aWolf-Rüdiger Müller ' Dietmar Schönberger Honigwiesenstr. 3 7 Lehenstraße 9a
70563 Stuttgart 70180 Stuttgart70563 Stuttgart 70180 Stuttgart
2921 007 W/sch 31.10.1996-2921 007 W/sch 31.10.1996-
WP96/4WP96/4
Titel: Biologisch abbaubares Kunststoffprodukt Title: Biodegradable plastic product
Die Erfindung betrifft ein biologisch abbaubares Kunststoffprodukt nach dem Oberbegriff des AnspruchsThe invention relates to a biodegradable plastic product according to the preamble of claim
Biologisch abbaubare Kunststoffe und Kunststoffprodukte stehen heute in großer Zahl zur Verfügung. Die Abbaubarkeit dieser Substanzen beruht auf ihrem jeweiligen strukturellchemischen Aufbau. Sie sind entweder natürlichen Ursprungs oder werden künstlich oder biotechnisch synthetisiert.Biodegradable plastics and plastic products are available in large numbers today. The degradability of these substances is based on their respective structural and chemical composition. They are either of natural origin or are artificially or biotechnologically synthesized.
Zu den natürlich vorkommenden Polymeren zählen Polysaccharide wie Cellulose und ihre durch chemische Umsetzung erhältlichen Derivate, z.B. Zellglas, Cellulosenitrate, Celluloseacetate und Cellulosebutyrate sowie Stärke und ihre Derivate (Lit.: A. Pfeil: BiologischNaturally occurring polymers include polysaccharides such as cellulose and its chemically obtained derivatives, e.g. cellophane, cellulose nitrates, cellulose acetates and cellulose butyrates, as well as starch and its derivatives (Lit.: A. Pfeil: Biological
abbaubare Kunststoffe, Bd 425, Renningen: Expert-Verlag 1994). Weitere wichtige Polysaccharide sind Xanthan, Dextran und Pullulan. Polysäuren hingegen können natürlichen oder künstlichen Ursprungs sein. Besondere Bedeutung haben die Polyoxysäuren, z.B. Polyglycolsäure und die Polyhydroxysäuren erlangt. Zu den wichtigsten Vertretern zählen die Polyhydroxyfettsäuren, insbesondere die Poly-(3-Hydroxybuttersäure) PHB und ihr Copolymer mit Hydroxyvaleriansäure, die Poly-(3-Hydroxybuttersäureco-)hydroxyvaleriansäure PHB/HV. Wichtig sind ferner biologisch abbaubare Wachse und Öle, deren Derivate sowie Polymere auf Basis der Milchsäure, sogenannte Polylactide.degradable plastics, Vol. 425, Renningen: Expert-Verlag 1994). Other important polysaccharides are xanthan, dextran and pullulan. Polyacids, on the other hand, can be of natural or artificial origin. Polyoxyacids, e.g. polyglycolic acid and polyhydroxy acids, have gained particular importance. The most important representatives include polyhydroxy fatty acids, in particular poly-(3-hydroxybutyric acid) PHB and its copolymer with hydroxyvaleric acid, poly-(3-hydroxybutyric acid co-)hydroxyvaleric acid PHB/HV. Also important are biodegradable waxes and oils, their derivatives and polymers based on lactic acid, so-called polylactides.
Zu den synthetisch hergestellten bioabbaubaren Polymeren zählen Polyalkohole, Polyether, Polyester und die Polyurethane. Wichtige Vertreter dieser Stoffgruppen sind Poly-£-Caprolacton (PCL; Union Carbide, USA), unter dem Handelsnamen BIONOLLE (Showa Denko, Japan) erhältliche aliphatische Polyester aus Glykolen und Carbonsäuren, Copolyester (Presseinformation K'95, 2102 der BASF AG), Polyesteramide (Pressemitteilung ATI 968 d, e der Bayer AG) und Mischpolymerisate davon. Biologisch abbaubar sind auch Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Substanzen, als gefüllte und/oder faserverstärkte Systeme sowie in Form von homo- oder heterophasigen Polymerblends, auch in gefüllten und verstärkten Modifikanten. Beispiele dafür sind zum einen mit nativen oder derivatisierten Fasern (Zellulose, Flachs,Synthetically produced biodegradable polymers include polyalcohols, polyethers, polyesters and polyurethanes. Important representatives of these groups of substances are poly-£-caprolactone (PCL; Union Carbide, USA), aliphatic polyesters made from glycols and carboxylic acids available under the trade name BIONOLLE (Showa Denko, Japan), copolyesters (press release K'95, 2102 from BASF AG), polyesteramides (press release ATI 968 d, e from Bayer AG) and copolymers thereof. Mixtures of two or more of these substances are also biodegradable, as filled and/or fiber-reinforced systems and in the form of homo- or heterophasic polymer blends, also in filled and reinforced modifiers. Examples of this are, on the one hand, with native or derivatized fibers (cellulose, flax,
Hanf, Holzschliff, Ramie, Jute, Sisal, Kenaf u.a.) verstärkte und/oder mit granulärer, nativer oder modifizierter Stärke gefüllte und biologisch abbaubare Polymere. Zum anderen sind dies Polymerblends aus destrukturierter, thermoplastisch verarbeitbarer Stärke (TPS) und einem Polymeranteil, bestehend aus einem oder mehreren, biologisch abbaubaren, synthetisch oder biotechnologisch hergestellten Polymeren. Bekannte Handelsnamen für letztere Stoffgruppe sind zum Beispiel MATER BI und NOVON.Hemp, groundwood, ramie, jute, sisal, kenaf, etc.) reinforced and/or filled with granular, native or modified starch and biodegradable polymers. On the other hand, these are polymer blends made of destructured, thermoplastically processable starch (TPS) and a polymer component consisting of one or more biodegradable, synthetically or biotechnologically produced polymers. Well-known trade names for the latter group of materials include MATER BI and NOVON.
Biologisch abbaubare Kunststoffprodukte können natürlich auch zahlreiche Additive, wie Stabilisatoren, Gleitmittel, Emulgatoren, Härter, Weichmacher, Pigmente, Füllstoffe etc. enthalten. Zu den Additiven zählen auch Trennmittel, Antistatika und Flammschutzmittel. Eine Übersicht bietet Elias: "Polymere: Von Monomeren und Makromolekülen zu Werkstoffen/ eine Einführung", 1996. Diese Additive werden zusammen mit den Polymer durch einen dynamischen Schmelzemischprozeß, unter Verwendung eines Extruders, Walzwerkes, Mischers, Kneters oder eines anderweitigen Plastifizier-, Misch- und Hotnogenisierungsaggregats in eine Formmasse mit homogener Additiwerteilung überführt.Biodegradable plastic products can of course also contain numerous additives such as stabilizers, lubricants, emulsifiers, hardeners, plasticizers, pigments, fillers, etc. Additives also include release agents, antistatic agents and flame retardants. Elias provides an overview: "Polymers: From monomers and macromolecules to materials/ an introduction", 1996. These additives are converted together with the polymer into a molding compound with homogeneous additive distribution through a dynamic melt mixing process using an extruder, rolling mill, mixer, kneader or another plasticizing, mixing and hot-nogenizing unit.
Der biologische Abbau kann unter aeroben, anoxischen oder anaeroben Bedingungen stattfinden. Die Polymere dienen als Wasserstoff- und Kohlenstoffdonatoren für dieThe biological degradation can take place under aerobic, anoxic or anaerobic conditions. The polymers serve as hydrogen and carbon donors for the
Mikroorganismen. Für einen Abbau unter aeroben Bedingungen ist Sauerstoff als terminaler Wasserstoffakzeptor erforderlich. Der Vorgang kann bei vollständigem Abbau des Polymers summarisch wie folgt charakterisiert werden:Microorganisms. For degradation under aerobic conditions, oxygen is required as a terminal hydrogen acceptor. The process can be summarised as follows if the polymer is completely degraded:
P1 + O2 + X0 => SIP + X + CO2 + H2O + &Dgr;&EEgr;P 1 + O 2 + X 0 => S IP + X + CO 2 + H 2 O + Δ�EEgr;
P1 :' Polymer VersuchsbeginnP 1 :' Polymer test start
XOi : Biomasse VersuchsbeginnX Oi : Biomass test start
X : Biomasse VersuchsendeX : Biomass end of test
SIP : IntermediärprodukteS IP : Intermediary products
&Dgr;&EEgr; : Volumenbezogene Reaktionswärme&Dgr;&EEgr; : volume-related heat of reaction
Bei dem unter Anoxie erfolgenden Abbau findet als Atmungsprozess die sogenannte Nitratatmung statt, bei der an Stelle von Sauerstoff Nitrat als terminaler Wasserstoffakzeptor genutzt wird. Summarisch lässt sich die Gleichung bei vollständigem Abbau des Polymers wie folgt beschreiben:When degradation occurs under anoxia, the respiratory process known as nitrate respiration takes place, in which nitrate is used as a terminal hydrogen acceptor instead of oxygen. In summary, the equation for complete degradation of the polymer can be described as follows:
Unter anaeroben Bedingungen ist der letzte Elektronenakzeptor eine reduzierbare Verbindung, jedoch nicht Luftsauerstoff oder Nitrat. Im Allgemeinen kommt es bei anaeroben Prozessen zu einer geringeren Biomassenbildung.Under anaerobic conditions, the last electron acceptor is a reducible compound, but not atmospheric oxygen or nitrate. In general, anaerobic processes result in less biomass formation.
Der anaerobe Abbau lässt sich in mehrere Schritte einteilen (vgl. Schlegel, Allgemeine Mikrobiologie, 7. Auflage 1992, Thieme-Verlagt, Stuttgart). Summarisch lässt sich dieser anaerobe Abbau bei vollständigem Abbau des Polymers wie folgt beschreiben:Anaerobic degradation can be divided into several steps (cf. Schlegel, Allgemeine Mikrobiologie, 7th edition 1992, Thieme-Verlagt, Stuttgart). In summary, this anaerobic degradation with complete degradation of the polymer can be described as follows:
Die biologische Abbaubarkeit von Polymeren wird unter wohldefinierten standardisierten Testbedingungen ermittelt. Das Abbauverhalten in der Umwelt hängt jedoch ganz wesentlich von den Bedingungen ab. Dazu zählen Anwesenheit aktiver Mikroorganismen, Qualität und Quantität der Nährstoffe, pH-Wert, Temperatur und die An- oder Abwesenheit von Hemmstoffen. Hinzu kommen Faktoren, die sich aus Struktur und Verarbeitung der Kunststoffe ergeben (vgl. hierzu A. Pfeil, a.a.O.). Das eigentliche Abbaugeschehen in der Natur entspricht somit nicht den idealen Verhältnissen, welche in den Abbauuntersuchungen eingestellt sind. Der biologische Abbau erfolgt also oft langsamer als theoretisch ermittelt, manchmal sogar überhaupt nicht.The biodegradability of polymers is determined under well-defined standardized test conditions. However, the degradation behavior in the environment depends largely on the conditions. These include the presence of active microorganisms, the quality and quantity of nutrients, pH value, temperature and the presence or absence of inhibitors. In addition, there are factors that result from the structure and processing of the plastics (see A. Pfeil, op. cit.). The actual degradation process in nature therefore does not correspond to the ideal conditions that are set in the degradation tests. Biological degradation often occurs more slowly than theoretically determined, sometimes not at all.
Diese Überlegungen gelten vor allem für die biologische Abbaubarkeit von Kunststoffabfällen. Ein weiteres Anwendungsgebiet für biologisch abbaubare Polymere liegt in der Aufbereitung von Grundwasser oder Oberflächenwasser, insbesondere zu Trinkwasser oder Aquarienwasser. DiesesThese considerations apply above all to the biodegradability of plastic waste. Another area of application for biodegradable polymers is the treatment of groundwater or surface water, especially into drinking water or aquarium water. This
Anwendungsgebiet ist in den deutschen Patenten DE 34 10 412 C3 und DE 4 0 28 312 C2 beschrieben. Für die Denitrifikation von Wasser können heterotrophe Denitrif!kanten zusammen mit biologisch abbaubaren, als Wasserstoff-und Kohlenstoffdonatoren dienenden Kunststoffen wie z.B. Polyhydroxybuttersäure in einer Trägermatrix immobilisiert werden. Je schneller der Kunststoff abgebaut wird, desto besser kann das Wasser denitrifiziert werden.The field of application is described in the German patents DE 34 10 412 C3 and DE 4 0 28 312 C2. For the denitrification of water, heterotrophic denitrifiers can be immobilized in a carrier matrix together with biodegradable plastics that serve as hydrogen and carbon donors, such as polyhydroxybutyric acid. The faster the plastic is broken down, the better the water can be denitrified.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein biologisch "abbaubares Kunststoffprodukt der o.g. Art bereitzustellen, dessen Abbaubarkeit von den Milieubedingungen weitgehend unabhängig ist.The object of the invention is to provide a biodegradable plastic product of the above-mentioned type, the degradability of which is largely independent of the environmental conditions.
Die Lösung besteht darin, dass es mindestens ein die biologische Abbaubarkeit unterstützendes Additiv enthält.The solution is that it contains at least one additive that supports biodegradability.
Der Abbau sowohl der konventionellen als auch der erfindungsgemäßen Kunststoffprodukte erfolgt durch Enzyme, die im Biofilm durch die Mikroorganismen gebildet werden. Damit ist der Abbau gekoppelt mit dem Wachstum der Biomasse (der Mikroorganismen im Biofilm), die vereinfacht durch sog. "Biomassengleichungen" wiedergegeben werden kann. Das Biomassenwachstum wurde bisher durch die Zufuhr von Nährstoffsalzen, Spurenelementen u. dgl. limitiert, während Kohlenstoff im Kunststoffprodukt im Überschuß vorhanden ist. Diese Zufuhr war bisher abhängig von den DiffusionsströmenThe degradation of both conventional and inventive plastic products is carried out by enzymes, which are formed in the biofilm by the microorganisms. The degradation is thus coupled with the growth of the biomass (the microorganisms in the biofilm), which can be represented in a simplified manner by so-called "biomass equations". The biomass growth has so far been limited by the supply of nutrient salts, trace elements, etc., while carbon is present in excess in the plastic product. This supply has so far been dependent on the diffusion currents
auf den Biofilm hin, die wiederum von den Einzelkonzentrationen im umgebenden Milieu bestimmt werden. Das Abbauverhalten war also nur dann befriedigend, wenn genügend Biomasse zur Verfügung stand, wobei die Anwesenheit von Mikroorganismen ansich nicht limitierend ist, weil diese ubiquitär, also überall vorhanden sind.on the biofilm, which in turn are determined by the individual concentrations in the surrounding environment. The degradation behavior was therefore only satisfactory when sufficient biomass was available, whereby the presence of microorganisms in itself is not limiting because they are ubiquitous, i.e. present everywhere.
Die im wesentlichen limitierenden Nährstoffe werden nun erfindungsgemäß in die Polymermatrix eingearbeitet. Damit wird erfindungsgemäß die Diffusionsstromlimitierung in einem nährstoffarmen Milieu durch entsprechende Nährstoffversorgung aufgehoben. Damit wird die Milieuabhängigkeit des Abbauverhaltens wesentlich verringert. Durch die Wahl der Konzentrationen kann das Abbauverhalten von biologisch abbaubaren Polymeren unter unterschiedlichen Milieubedingungen in wässrigen Systemen, im Kompost und im Boden gezielt eingestellt werden. Biologisch abbaubare Polymere können somit schneller und einfacher in verschiedenen Milieus, z.B. im aquatischen Milieu, auf dem Kompost, unter aeroben, anoxischen oder anaeroben Bedingungen, abgebaut werden. Außerdem wird die Leistungsfähigkeit der Mikroorganismen zur Denifitrizierung verbessert, d.h. es können größere Stickstofffrächten behandelt werden.The essentially limiting nutrients are now incorporated into the polymer matrix according to the invention. In this way, the diffusion flow limitation in a nutrient-poor environment is eliminated by appropriate nutrient supply. This significantly reduces the environment dependency of the degradation behavior. By choosing the concentrations, the degradation behavior of biodegradable polymers can be specifically adjusted under different environment conditions in aqueous systems, in compost and in the soil. Biodegradable polymers can thus be degraded faster and more easily in different environments, e.g. in the aquatic environment, on the compost, under aerobic, anoxic or anaerobic conditions. In addition, the performance of the microorganisms for denitrification is improved, i.e. larger nitrogen loads can be treated.
Zum Beispiel ist ein Abbau in oligotrophen Gewässern oder auf dem Kompost möglich. In nährstoffarmen Ökosystemen (zumFor example, degradation is possible in oligotrophic waters or on compost. In nutrient-poor ecosystems (for example
Beispiel Meeres- oder Seegrund) wird ein Abbau dieser beaufschlagten Polymere trotz Mangel an Phosphat und anderen Salzen möglich. Große Mengen an solchem "Plastik"-Müll, der ins Meer oder in Seen gelangt, kann ohne limitierende Faktoren abgebaut werden. Es ist z.B. denkbar, dass bei geeignetem Material, das insbesondere den anaeroben Abbau ermöglicht, verlorengegangene Fischernetze somit in absehbarer Zeit zersetzt würden.In the case of a surface (e.g. sea or lake bed), the degradation of these polymers is possible despite the lack of phosphate and other salts. Large quantities of such "plastic" waste that ends up in the sea or lakes can be degraded without limiting factors. It is conceivable, for example, that with suitable material that enables anaerobic degradation, lost fishing nets could be decomposed in the foreseeable future.
Das erfindungsgemäße biologisch abbaubare Kunststoffprodukt kann auch z.B. als Granulat bei nitrathaltigem Trinkwasser in einem Denitrifikationsreaktor eingesetzt werden. Hierbei kann ein Austragen von zusätzlichen Nährstoffen und Biomasse minimiert werden, da die Biomasse am Granulat als Film festhaftet und die Nährstoffe von der Polymermatrix sukzessive bei deren Abbau freigegeben werden. Durch die gezielte Wahl der Nährstoff-Konzentration im erfindungsgemäßen Kunststoffprodukt kann das Abbauverhalten je nach Stickstofffrächt gezielt eingestellt werden.The biodegradable plastic product according to the invention can also be used, for example, as granules in drinking water containing nitrates in a denitrification reactor. In this case, the loss of additional nutrients and biomass can be minimized, since the biomass adheres to the granules as a film and the nutrients are gradually released from the polymer matrix as it degrades. By selecting the nutrient concentration in the plastic product according to the invention, the degradation behavior can be specifically adjusted depending on the nitrogen load.
In der Abwasserreinigung können Missverhältnisse der Nährstofffrächten (z.B. bei einseitigen Industrieabwässern und Färbeabwässern) durch geeignete Zusammensetzung der Granulate ausgeglichen werden.In wastewater treatment, imbalances in nutrient loads (e.g. in one-sided industrial wastewater and dyeing wastewater) can be compensated by a suitable composition of the granules.
Denkbar ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen Kunststoffprodukts in Reaktoren zur Nitrifikation undIt is conceivable that the plastic product according to the invention could be used in reactors for nitrification and
Denitrifikation der Aquarienwässer. Hierbei ist vor allem zu bemerken, dass die Nitrifikation und Denitrifikation gleichzeitig in einem Reaktor stattfinden können, wenn die Granulate Poren aufweisen, in denen aufgrund der Diffusionsverhältnisse anoxische Zonen entstehen können. Durch die Zugabe von Phosphat zur Steigerung des Bakterienwachstums und Eisensalzen als Ko-Faktoren für die Nitrat-Reduktase und die Stickstoff-Monoxid-Reduktase wird die Denitrifikation in den Polymerporen gesteigert.. Im größeren Maßstab ist dasselbe System in der Fischintensivhaltung bei Kreislaufanlagen einsetzbar. Der Frischwasserverbrauch kann dadurch deutlich gesenkt werden.Denitrification of aquarium water. It is important to note that nitrification and denitrification can take place simultaneously in one reactor if the granules have pores in which anoxic zones can form due to the diffusion conditions. By adding phosphate to increase bacterial growth and iron salts as co-factors for nitrate reductase and nitrogen monoxide reductase, denitrification in the polymer pores is increased. On a larger scale, the same system can be used in intensive fish farming in recirculation systems. This can significantly reduce fresh water consumption.
Bei einem Überschuss an Pflanzennährstoffen in der Matrix erfindungsgemäßer Kunststoffprodukte können diese bei der allmählichen Freigabe von den Pflanzen als Dünger genutzt werden. Auf ähnliche Weise können statt Pflanzennährstoffen auch Pflanzenschutzmittel u.dgl. in die Matrix eingearbeitet und beim Abbau langsam freigesetzt werden. Denkbar hierfür ist die Wiederverwertung von solchen Polymerabfällen als verottbare Pflanztöpfe oder Abdeckfolien, Mulchfolien, Samenbänder, Wirkstoffdispenser etc. oder in geschredderter Form als eine Art Langzeitdünger. Zudem wird durch die Förderung des Wachstums der Mikroorganismen der Boden nachhaltig belebt, was zu einer Strukturverbesserung führt. Für diese Anwendungen ist z.B. PCL wegen seiner gutenIf there is an excess of plant nutrients in the matrix of plastic products according to the invention, these can be used as fertilizer when they are gradually released by the plants. In a similar way, instead of plant nutrients, plant protection agents and the like can also be incorporated into the matrix and slowly released during decomposition. One conceivable way of doing this is to reuse such polymer waste as decomposable plant pots or covering films, mulch films, seed tapes, active ingredient dispensers, etc. or in shredded form as a type of long-term fertilizer. In addition, by promoting the growth of microorganisms, the soil is sustainably revitalized, which leads to an improvement in its structure. For these applications, PCL, for example, is suitable due to its good
Verarbeitungseigenschaften' (gute Form- und Mischbarkeit, niedriger definierter Schmelzpunkt) geeignet.processing properties' (good formability and miscibility, low defined melting point).
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten zur Herstellung des erfindungsgemäßen biologisch abbaubaren Kunststoffprodukts. Grundsätzlich werden die - je nach Anwendung - gewünschten Additive üblicherweise homogen in den vorliegenden Kunststoff eingearbeitet. Dieser Prozeßschritt erfolgt vorzugsweise im Schmelzezustand des Kunststoffes, unter Verwendung eines Extruders, Walzwerkes, Mischers, Kneters oder eines anderweitigen Plastifizier-, Misch- und Homogenisisierungsaggregats. Des resultierende Plastifikat aus Kunststoff und den homogen verteilten Additiven kann granuliert oder direkt zu Halbzeugen, Profilen, Folien, Bändern, Hohlkörpern, Fasern und anderen Gebrauchsgegenständen oder Industrieprodukten verarbeitet werden.There are numerous possibilities for producing the biodegradable plastic product according to the invention. Basically, the desired additives - depending on the application - are usually incorporated homogeneously into the existing plastic. This process step is preferably carried out in the melt state of the plastic, using an extruder, rolling mill, mixer, kneader or another plasticizing, mixing and homogenizing unit. The resulting plasticized product made of plastic and the homogeneously distributed additives can be granulated or processed directly into semi-finished products, profiles, films, tapes, hollow bodies, fibers and other consumer goods or industrial products.
Zur Herstellung des für die weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiele benötigten erfindungsgemäßen Kunststoffprodukts wurde ein Extruder Typ ZSK 3 0 der Fa. Werner & Pfleiderer verwendet. Dabei handelt es sich um einen gleichsinnig drehenden, dicht kämmenden Doppelschneckenextruder. Dieser Extrudertyp wird gerne zum Compoundieren (Füllen, Verstärken, Einmischen, Destrukturieren, Ver- und Zerteilen, Homogenisieren, Blenden, Durchführen chemischer Reaktionen) verwendet. DieTo produce the plastic product according to the invention required for the embodiments described below, an extruder type ZSK 3 0 from Werner & Pfleiderer was used. This is a co-rotating, closely meshing twin-screw extruder. This type of extruder is often used for compounding (filling, reinforcing, mixing, destructuring, dividing and separating, homogenizing, blending, carrying out chemical reactions).
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im Vergleich zum Füllen von Kunststoffen relativ geringen Mengen an einzuarbeitendem Additiv erlauben jedoch auch den Einsatz von Einschneckenextrudern, wie sie bei den dem Stand der Technik entsprechenden Extrusionsanlagen (Folien-, Hohlkörperblas-, Platten-, Profil- und Spinnanlagen) Verwendung finden.However, the relatively small amounts of additive to be incorporated compared to filling plastics also allow the use of single-screw extruders, as used in state-of-the-art extrusion systems (film, hollow body blow molding, sheet, profile and spinning systems).
Neben der Vormischung aus Kunststoff und den Additiven können die Additive, einzeln oder getrennt, an verschiedenen Stellen des Extruders direkt in die Kunststoffschmelze eingebracht werden. Dadurch werden die bei der Vormischung auftretenden Entmischungsprobleme umgangen, die Additive werden geringer beansprucht und es kann sehr flexibel auf resultierende Verweilzeit, thermische Beanspruchung und Homogenität Einfluss genommen werden. Es lassen sich so auchIn addition to the premix of plastic and additives, the additives can be introduced directly into the plastic melt, individually or separately, at various points in the extruder. This avoids the problems of segregation that occur during premixing, the additives are subjected to less stress and the resulting residence time, thermal stress and homogeneity can be influenced very flexibly. This also makes it possible to
> mittels Pumpe und Einspritzventil flüssige Additive> liquid additives using a pump and injection valve
zumischen.to mix.
Denkbar ist auch die Einarbeitung der Additive ohne Durchlaufen des Schmelzezustandes der Kunststoffkomponente, d.h. die Herstellung von Granulatagglomeraten. Ausgehend von einer homogenen Vormischung aus den Additiven und dem als Pulver vorliegenden Kunststoff braucht diese nur gepreßt und eventuell gesintert zu werden, sofern die Granulate direkt (z.B. zur Denitrifizierung u.a.) eingesetzt werden können. Auch als Vorprodukt zum Spritzgießen oder Hohlkörperblasen können derartige Granulate geeignet sein. EmpfindlicheIt is also conceivable to incorporate the additives without passing through the melt state of the plastic component, i.e. the production of granulate agglomerates. Starting from a homogeneous premix of the additives and the plastic in powder form, this only needs to be pressed and possibly sintered, provided that the granules can be used directly (e.g. for denitrification, etc.). Such granules can also be suitable as a precursor for injection molding or blow molding. Sensitive
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Additive werden bei dieser Vorgehensweise nur einmal der Schmelzetemperatur des Kunststoffes ausgesetzt und nicht zweimal wie bei der Extrudercompoundierung. Dieser Sinterprozeß würde auch die Herstellung einer porösen . Struktur mit vergrößerter Oberfläche gestatten und eine rasche Freisetzung von Nährstoffen (sofern nötig) ermöglichen.In this approach, additives are exposed to the melting temperature of the plastic only once and not twice as in extruder compounding. This sintering process would also allow the production of a porous structure with increased surface area and enable rapid release of nutrients (if necessary).
Eine derartige Schaumstruktur der Granulate, mit den Vorteilen der daraus resultierenden Oberflächenvergrößerung und Mikrokavitätenbildung kann bei stärkehaltigen Kunststoffprodukten auch mittels des in der Stärkekomponente enthaltenen Wassers bzw. eines bioverträglichen Schäummittels (z.B. Natriumbikarbonat'+ Zitronensäure) erhalten werden.Such a foam structure of the granules, with the advantages of the resulting surface enlargement and microcavity formation, can also be obtained in starch-containing plastic products using the water contained in the starch component or a biocompatible foaming agent (e.g. sodium bicarbonate + citric acid).
Die oben erwähnte Vormischung aus den Additiven und dem Kunststoff (Pulver oder Granulat) könnte aber auch direkt mit einer Spritzgießmaschine zu Formteilen verarbeitet werden, sofern das Plastifizieraggregat dieser Maschine eine ausreichende Homogenisierwirkung aufweist.The above-mentioned premix of the additives and the plastic (powder or granulate) could also be processed directly into molded parts using an injection molding machine, provided that the plasticizing unit of this machine has a sufficient homogenizing effect.
Bei mehrphasigen Systemen müssen die Additive nicht gleichmäßig (über die Phasen) verteilt sein. Vielmehr können die Additive oder auch nur einzelne Additivkomponenten in einer Phase konzentriert sein, je nach Erfordernis in derIn multiphase systems, the additives do not have to be evenly distributed (across the phases). Rather, the additives or even individual additive components can be concentrated in one phase, depending on the requirements in the
leichter oder schwerer abbaubaren Phase. Dadurch kann eine gezielte Beeinflussung der Abbaukinetik realisiert werden.more or less easily degradable phase. This allows a targeted influence on the degradation kinetics to be achieved.
Die Additive können also grundsätzlich so eingearbeitet werden wie die oben beschriebenen Füllstoffe und andere bekannte Additive. Ihre Konzentration ist vom Fachmann je nach gewünschter Anwendung zu berechnen. Sie liegt im Allgemeinen bei bis zu etwa 10 Gew.% und ist demnach so bemessen, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kunststoffs nicht nachhaltig beeinflusst werden.The additives can therefore basically be incorporated in the same way as the fillers described above and other known additives. Their concentration must be calculated by the specialist depending on the desired application. It is generally up to about 10% by weight and is therefore measured in such a way that the physical and chemical properties of the plastic are not permanently affected.
Die Nährstoffe werden vorzugsweise in Form von Nährstoffsalzen zugefügt. Dazu zählen in erster Linie Phosphor-, Eisen- und Stickstoffsalze. Je nach Anwendung kommen aber auch Vitamine, Enzyme, Spurenelemente, Mineralstoffe u. dgl. in Frage. Zusätzlich können noch weitere Additive zugefügt werden, die die Bindungen zwischen den Monomeren zumindest zum Teil spalten können, so dass der biologisch abbaubare Kunststoff für die Mikroorganismen "leichter verdaulich" wird. Dazu sind generell organische und anorganische Säuren oder Basen geeignet, da es sich in den meisten Fällen um eine hydrolytische Spaltung handelt. Diese Maßnahme ist insbesondere bei der Verwendung von Polylactiden zu empfehlen. Auch können stabilisierende Matrixbestandteile Verwendung finden. Für die Verwendung als Biokatalysator kann es von Vorteil sein, ferner Alginate undThe nutrients are preferably added in the form of nutrient salts. These primarily include phosphorus, iron and nitrogen salts. Depending on the application, vitamins, enzymes, trace elements, minerals, etc. are also possible. In addition, other additives can be added that can at least partially break the bonds between the monomers, so that the biodegradable plastic becomes "easier to digest" for the microorganisms. Organic and inorganic acids or bases are generally suitable for this, since in most cases it is a hydrolytic split. This measure is particularly recommended when using polylactides. Stabilizing matrix components can also be used. For use as a biocatalyst, it can also be advantageous to also add alginates and
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Carrageenane einzusetzen. Diese wirken z.B. als durchlässige Hülle für feingemahlenes Polymer und Mikroorganismen.Carrageenans are used. These act as a permeable coating for finely ground polymer and microorganisms.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below using the attached figures. They show:
Figur 1 schematische Darstellungen der Denitrifikation mit einem Biokatalysator unter Verwendung von konventionellem Granulat bzw. des erfindungsgemäßen Kunststoffprodukts;Figure 1 schematic representations of denitrification with a biocatalyst using conventional granulate or the plastic product according to the invention;
Figur 2 ein Verfahrensfließbild eines Festbettreaktors im Batchbefrieb nach DIN 28004;Figure 2 shows a process flow diagram of a fixed bed reactor in batch operation according to DIN 28004;
Figur 3 eine Darstellung der auf die Granulatoberfläche bezogenen Nitratreduktionsraten in einem Festbettreaktor nach Figur 1 unter Verwendung eines konventionellen Kunststoffprodukts bzw. eines erfindungsgemäßen Kunststoffprodukts;Figure 3 shows a representation of the nitrate reduction rates related to the granulate surface in a fixed bed reactor according to Figure 1 using a conventional plastic product or a plastic product according to the invention;
Figur 4 Schema zur Nährstoffversorgung beim aeroben Abbau in wäßrigem Milieu und Kompost;Figure 4 Scheme of nutrient supply during aerobic decomposition in aqueous environment and compost;
Figur 5a Schema zur Nährstoffversorgung beim anoxischen Abbau in wäßrigem Milieu und Kompost;Figure 5a Scheme of nutrient supply during anoxic degradation in aqueous environment and compost;
Figur 5b Schema.zur Nährstoffversorgung beim anoxischen Abbau während der Denitrifikation in wäßrigem Milieu;Figure 5b Scheme of nutrient supply in anoxic degradation during denitrification in an aqueous environment;
Figur 6 Schema zur Nährstoffversorgung beim anaeroben Abbau in wäßrigem Milieu und Kompost.Figure 6 Scheme of nutrient supply during anaerobic degradation in aqueous environment and compost.
Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Kunststoffprodukts, nämlich für Biokatalysatoren zur Denitrifikation. Das Kunststoffprodukt dient in Granulatform als Träger l für einen Biofilm 2 aus heterotrophen Denitrifikanten. Bei der Denitrifikation wird Nitrat zu Stickstoff umgewandelt. Da der Träger 1 als C- und &EEgr;-Quelle dient, wird er allmählich abgebaut. Zusätzlich können aber noch stabilisierende Trägermaterialien, insbesondere Carrageene und/oder Alginate, im Träger 1 vorhanden sein (vgl. linke Seite). Besonders geeignet sind z.B. Polyhydroxybuttersäure (PHB) und Polycaprolacton (PCL) sowie Copolymerisate dieser Substanzen. Erfindungsgemäß ist in diesen Trägern 1 nun mindestens ein die biologische Abbaubarkeit unterstützendes Additiv 3 enthalten. Dabei kann es sich um Nährstoffsalze, Spurenelemente, Vitamine, Enzyme, Mineralstoffe etc. handeln.Figure 1 shows schematically a preferred possible use of the plastic product according to the invention, namely for biocatalysts for denitrification. The plastic product serves in granulate form as a carrier 1 for a biofilm 2 made of heterotrophic denitrifiers. During denitrification, nitrate is converted to nitrogen. Since the carrier 1 serves as a C and Ω source, it is gradually broken down. In addition, stabilizing carrier materials, in particular carrageenans and/or alginates, can be present in the carrier 1 (see left side). Particularly suitable are, for example, polyhydroxybutyric acid (PHB) and polycaprolactone (PCL) as well as copolymers of these substances. According to the invention, these carriers 1 now contain at least one additive 3 that supports biodegradability. These can be nutrient salts, trace elements, vitamins, enzymes, minerals, etc.
Eine Variante eines solchen Biokatalysators erhält man durch das an sich bekannte Verfahren der Co-Immobilisation .(Hartmeier, Immobilisierte Biokatalysatoren, Springer VerlagA variant of such a biocatalyst is obtained by the well-known process of co-immobilization. (Hartmeier, Immobilized Biocatalysts, Springer Verlag
Berlin 1988). Dabei werden mindestens ein erfindungsgemäßes Kunststoffprodukt in Pulverform, Mikroorganismen und etwaige sonstige Additive in einem stabilisierenden Matrixbestandteil, z.B. Alginat oder Carrageenan vorhomogenisiert und unter Rühren in eine Calciumchloridlösung getropft. Dabei bilden sich Gelkugeln, in denen das Kunststoffprodukt, die Mikroorganismen und die sonstigen Additive gleichmäßig verteilt sind. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines solchen erfindungsgemäßen biologisch abbaubaren Kunststoffprodukts enthält Polyhydroxybuttersäure (PHB) mit einem Stoffmengenanteil von 6 % an Hydroxyvaleriansäure (PHB/HV). Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel enthält Polycaprolactone (PCL).Berlin 1988). At least one plastic product according to the invention in powder form, microorganisms and any other additives are pre-homogenized in a stabilizing matrix component, e.g. alginate or carrageenan, and added dropwise to a calcium chloride solution while stirring. Gel balls are formed in which the plastic product, the microorganisms and the other additives are evenly distributed. A preferred embodiment of such a biodegradable plastic product according to the invention contains polyhydroxybutyric acid (PHB) with a molar fraction of 6% of hydroxyvaleric acid (PHB/HV). Another preferred embodiment contains polycaprolactones (PCL).
Die theoretisch benötigte Menge an Additiven kann unter den verschiedenen Bedingungen jedes Einzelfalls berechnet werden. Die theoretisch benötigten Mengen an Stickstoff und Phosphat resultieren aus den Anteilen der Elemente C, N und ' P an der Biomasse (Trockenmasse). Nach Schlegel (a.a.O) sind dies A0 = 0,5; An = 0,14/ Ap = 0,03. Eine weitere Grundannahme für die Berechnung sind die verschiedenen Ertragskoeffizienten für die jeweiligen biologisch abbaubaren Substanzen. Der Ertragskoeffizient gibt den Anteil an Kohlenstoff an, welcher in die Biomasse eingeht. Der Ertrag ist die Differenz zwischen der anfänglichen und der maximalen Bakterienmasse in Gramm Trockenmasse: X =The theoretically required amount of additives can be calculated under the different conditions of each individual case. The theoretically required amounts of nitrogen and phosphate result from the proportions of the elements C, N and ' P in the biomass (dry mass). According to Schlegel (loc. cit.) these are A 0 = 0.5; A n = 0.14/ A p = 0.03. Another basic assumption for the calculation are the different yield coefficients for the respective biodegradable substances. The yield coefficient indicates the proportion of carbon that goes into the biomass. The yield is the difference between the initial and the maximum bacterial mass in grams of dry mass: X =
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Xmax - X0.Das Verhältnis des Ertrages zum Substratverbrauch X/S (jeweils in Gramm) wird als Ertragskoeffizient bezeichnet: Y = X/S). Die Ertragskoeffizienten mit PHB als Substrat können aufgrund von Vorversuchen zu Yaerob = 0,5 für den aeroben, Yanoxisch = 0,46 für den anoxischen und Yanaerob = 0,1 für den anaeroben Abbau geschätzt werden. Daraus lassen sich die Mengen von Stickstoff und Phosphor sowie anderen Nährstoffen zum Biomassenaufbau rechnerisch bestimmen.X max - X 0 .The ratio of the yield to the substrate consumption X/S (each in grams) is called the yield coefficient: Y = X/S). The yield coefficients with PHB as substrate can be estimated based on preliminary tests to be Y aerobic = 0.5 for aerobic, Y anoxic = 0.46 for anoxic and Y anaerobic = 0.1 for anaerobic degradation. From this, the amounts of nitrogen and phosphorus as well as other nutrients for biomass build-up can be calculated.
Beispielhaft werden überschlägige Berechnungen für Stickstoff und Phosphor bei der Verwendung von PHB als Substrat dargestellt:As an example, rough calculations for nitrogen and phosphorus when using PHB as a substrate are shown:
Die Biomasse X kann aus dem Substratverbrauch berechnet werden:The biomass X can be calculated from the substrate consumption:
X = Y * SX = Y * S
C-Menge der Biomasse (g) Cbio = A0 * XC-amount of biomass (g) C bio = A 0 * X
N-Menge der Biomasse (g) Nbio = An * XN-amount of biomass (g) N bio = A n * X
P-Menge der Biomasse (g) Pbio = Ap * XP-amount of biomass (g) P bio = A p * X
Beim aeroben Abbau von 1000 g PHB geht folgende Kohlenstoffmenge in die Biomasse über:During aerobic degradation of 1000 g PHB, the following amount of carbon is transferred to the biomass:
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Cbio = A0 * Yaerob * .S = 0,5 * 0,5 * 1000 g = 250 g CC bio = A 0 * Y aerobic * .S = 0.5 * 0.5 * 1000 g = 250 g C
Aufgrund der Biomassezusammensetzung ergeben sich daraus folgende N und P-Mengen:Based on the biomass composition, the following N and P amounts result:
Nbi0 = An * Yaerob *S = 0,14* 0,5* 1000 g = 70 g N Pbio = Ap * Yaerob * S = 0,03 * 0,5 * 1000 g = 15 g P Anoxischer Abbau:N bi0 = A n * Y aerobic *S = 0.14* 0.5* 1000 g = 70 g N Pbio = Ap * Y aerobic * S = 0.03 * 0.5 * 1000 g = 15 g P Anoxic degradation:
Beim anoxisehen Abbau von 1000 g PHB geht folgende Kohlenstoffmenge in die Biomasse über:During the anoxic degradation of 1000 g PHB, the following amount of carbon is transferred to the biomass:
Cbio= A0 * Yanoxisch * S = 0,5 * 0,46 * 1000 g = 230 g CC bio = A 0 * Y anoxic * S = 0.5 * 0.46 * 1000 g = 230 g C
Aufgrund der Biomassezusammensetzung ergeben sich daraus folgende N und P-Mengen:Based on the biomass composition, the following N and P amounts result:
Nbio= An * Yanoxisch * S = 0,14 * 0,46 * 1000 g = 64 g N Pbio= Ap * Yanoxisch * S = 0,03 * 0,46 * 1000 g = 14 g P Anaerober Abbau:N bio = A n * Y anoxic * S = 0.14 * 0.46 * 1000 g = 64 g N Pbio= Ap * Y anoxic * S = 0.03 * 0.46 * 1000 g = 14 g P Anaerobic degradation:
Beim anaeroben Abbau von 1000 g PHB geht folgende Kohlenstoffmenge in die Biomasse über:During anaerobic degradation of 1000 g PHB, the following amount of carbon is transferred to the biomass:
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* Yanaerob * S = 0,5 * 0,1 * 1000 g = 50 g C* Y anaerobic * S = 0.5 * 0.1 * 1000 g = 50 g C
Aufgrund der Biomassezusammensetzung ergeben sich daraus folgende N und P-Mengen:Based on the biomass composition, the following N and P amounts result:
Nbi0 = An * Yanaerob * S = 0,14 * 0,1 * 1000 g = 14 g N Pbio= Ap * Yanaerob * S = 0,03 * 0,1 * 1000 g = 3 g PN bi0 = A n * Y anaerobic * S = 0.14 * 0.1 * 1000 g = 14 g N Pbio= Ap * Y anaerobic * S = 0.03 * 0.1 * 1000 g = 3 g P
Das erfindungsgemäße Kunststoffprodukt kann z.B. in Form von Kunststoffgranulat vorliegen. Die Nährstoffe, z.B. in Form von Salzen, wie zum Beispiel Calciumphosphat, Kaliumdihydrogenphosphat oder Ammoniumchlorid werden in die Polymermatrizes eingearbeitet. Dazu werden die Salze in ungelöster, fein pulverisierter Form unter Verwendung eines Extruders in das als Schmelze vorliegende Polymer eingearbeitet. Das entstandene, die Additive homogen verteilt enthaltende Plastifikat wird extrudiert und zu Granulaten weiterverarbeitet.The plastic product according to the invention can be in the form of plastic granules, for example. The nutrients, e.g. in the form of salts, such as calcium phosphate, potassium dihydrogen phosphate or ammonium chloride, are incorporated into the polymer matrices. To do this, the salts are incorporated in undissolved, finely powdered form into the polymer in melt form using an extruder. The resulting plasticized product, which contains the additives homogeneously distributed, is extruded and further processed into granules.
Die oben bezeichneten Granulatzusammensetzungen sind im folgenden nochmals tabellarisch zusammengefasst:The granulate compositions described above are summarized again in the following table:
Tab. 1: GranulatzusammensetzungenTab. 1: Granule compositions
in gP as Ca 3 (PO 4 J 2
in g
gP as KH 2 PO 4 in
G
Das erfindungsgemäße Kunststoffprodukt kann entweder gezielt mit Mikroorganismen beimpft werden. Z.B. sind zahlreiche Bakterien bekannt, die PHB bzw. PHB/HV als Substrat akzeptieren (Schlegel, a.a.O.). Auf dem erfindungsgemäßen Kunststoffprodukt können aber auch Anreicherungskulturen angesiedelt werden.The plastic product according to the invention can either be specifically inoculated with microorganisms. For example, numerous bacteria are known that accept PHB or PHB/HV as a substrate (Schlegel, ibid.). However, enrichment cultures can also be established on the plastic product according to the invention.
Im praktischen Versuch wurde ein Granulat enthaltend PCL, Eisen- und Phosphorsalze (PCL/EP-Granulat) sowie ein "nacktes" PCL-Granulat ohne Zusätze in einem Denitrifikationsreaktor auf seine Wirksamkeit als Träger (Figur 1) untersucht.In a practical experiment, a granulate containing PCL, iron and phosphorus salts (PCL/EP granulate) as well as a "naked" PCL granulate without additives were tested in a denitrification reactor for its effectiveness as a carrier (Figure 1).
Die Berechnung der jeweiligen Mengenanteile zur Herstellung der PCL-EP-Granulate erfolgte analog zu dem weiter oben dargestellten Beispiel für PHB. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wurde in diese Granulate Eisen mit eingearbeitet, da Eisen als Cofaktor für Enzyme in der Denitrifikation eine besondere Rolle spielt. Der nötige theoretische P-Anteil wurde daher zum Teil als Eisenphosphat und zum größeren Teil als Kaliumdihydrogenphosphat eingebracht. Es ergeben sich folgende Granulatzusammensetzungen für die Denitrifikation mit PCL unter der Annahme eines aus Vorversuchen näherungsweise bestimmten Ertragskoeffizienten von Yanoxisch = 0,3:The calculation of the respective proportions for producing the PCL-EP granules was carried out analogously to the example for PHB shown above. In a further development of the invention, iron was incorporated into these granules, since iron plays a special role as a cofactor for enzymes in denitrification. The necessary theoretical P content was therefore introduced partly as iron phosphate and mostly as potassium dihydrogen phosphate. The following granule compositions result for denitrification with PCL, assuming a yield coefficient of Y anoxic = 0.3, which was approximately determined from preliminary tests:
PCL in g: 1000PCL in g: 1000
P kg: 11,4Pkg: 11,4
P als KH2PO4 in g: 48,8P as KH 2 PO 4 in g: 48.8
P als FePO4 in g: 2.0P as FePO 4 in g: 2.0
Beide Versuche waren mit Belebtschlamm des Lehr- und Forschungsklärwerks Stuttgart-Büsnau beimpft worden. Anschließend wurden die Reaktoren vier Wochen unter Versuchsbedingungen eingefahren, so daß sich entsprechende Mikroorganismen anreichern konnten. Man kann daher von einer Anreicherungskultur sprechen.Both experiments were inoculated with activated sludge from the Stuttgart-Büsnau teaching and research sewage treatment plant. The reactors were then run under test conditions for four weeks so that the corresponding microorganisms could accumulate. This can therefore be referred to as an enrichment culture.
Die Versuche wurden im Batchbetrieb bei 20 0C und pH durchgeführt (Fig.2). Das zu denitrifizierende Wasser wirdThe tests were carried out in batch mode at 20 0 C and pH (Fig.2). The water to be denitrified is
dabei aus einem Vorratsbehälter 10 durch eine Leitung 14 über einen Festbettreaktor 20 gepumpt und über Leitungen 24, 34 zur Biomasseentnahme über einen Sandfilter 3 0 und wieder zurück in den Vorratsbehälter 10 geführt. Der Vorratsbehälter 10 wird mittels Umwälzpumpen durchmischt. Das Sandfilter 3 0 wird nach Bedarf über die Leitungen 44, 45 rückgespült.It is pumped from a storage tank 10 through a line 14 over a fixed bed reactor 20 and is led via lines 24, 34 for biomass removal via a sand filter 30 and back into the storage tank 10. The storage tank 10 is mixed by means of circulation pumps. The sand filter 30 is backwashed as required via lines 44, 45.
Sowohl zwischen Vorratsbehälter 10 und Reaktor 2 0 als auch zwischen Reaktor 20 und Sandfilter 30 ist je eine Kreiselpumpe 15, 25 geschaltet. Die Strömung in den Leitungen 14, 24, 34, 44 und 45 wird durch Ventile 16, 26, 36, 46, 47 gesteuert.A centrifugal pump 15, 25 is connected between the storage tank 10 and reactor 20 as well as between reactor 20 and sand filter 30. The flow in the lines 14, 24, 34, 44 and 45 is controlled by valves 16, 26, 36, 46, 47.
Der Festbettreaktor 20 wies ein Reaktorbett 21 und ein Verteilerbett 22 auf. Als Reaktoren im Reaktorbett 21 dienten Acrylglasröhren mit einem Innendurchmesser von D1 = 72 mm und einer Höhe von H = 1100 mm. Die Schütthöhe der eingesetzten Granulate betrug 3 00 mm, um ein verfahrenstechnisch gewünschtes Verhältnis von Höhe zu Breite von mindestens 5 : 1 zu erreichen. Probeentnahmestutzen waren am Reaktorbett 21 in Abständen von 100 mm befestigt. Eine Probeentnahmestelle 12 war ferner am Vorratsbehälter 10 vorgesehen.The fixed bed reactor 20 had a reactor bed 21 and a distributor bed 22. Acrylic glass tubes with an inner diameter of D 1 = 72 mm and a height of H = 1100 mm served as reactors in the reactor bed 21. The filling height of the granules used was 300 mm in order to achieve a height to width ratio of at least 5:1, which is desired for process engineering purposes. Sampling nozzles were attached to the reactor bed 21 at intervals of 100 mm. A sampling point 12 was also provided on the storage container 10.
Das Verteilerbett 22 bestand von unten nach oben aus einer je 100 mm dicken Schicht von Berlsätteln, Glaskugeln mitThe distribution bed 22 consisted from bottom to top of a 100 mm thick layer of Berl saddles, glass balls with
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Durchmesser dkl. = 6 mm und Glaskugeln mit dk2 = 1,5 mm. Somit wurde eine ausreichende Vergleichmäßigung der Fluidströmung über den gesamten Reaktorquerschnitt erreicht. Der Druckabfall im Verteilerbett 22 wurde über Messeinrichtungen (PL 1, PL 2) erfasst und betrug ~ 20.%. Der Ablauf am Reaktorausgang wurde so konzipiert, daß eine möglichst große Oberfläche zur Verfügung stand, um einem schnellen Verstopfen durch etwaige Biomassebildung entgegenzutreten.Diameter d kl . = 6 mm and glass balls with d k2 = 1.5 mm. This achieved sufficient uniformity of the fluid flow over the entire reactor cross-section. The pressure drop in the distributor bed 22 was recorded using measuring devices (PL 1, PL 2) and was ~ 20%. The outlet at the reactor outlet was designed so that the largest possible surface was available in order to prevent rapid clogging due to any biomass formation.
Die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit erfolgte mittels Schwebekörper-Durchflußmesser der Genauigkeitsklasse IV, die bei einer Fluidtemperatur von 13 0C am Messpunkt FL 1 kalibriert worden waren.The flow velocity was determined using variable area flow meters of accuracy class IV, which had been calibrated at a fluid temperature of 13 0 C at the measuring point FL 1.
Zur Kontrolle der gelösten Menge an Sauerstoff wurde eine Sauerstoffelektrode am Messpunkt O21, TL 1 am Reaktorausgang plaziert, welche auch der Temperaturkontrolle diente. pH-Wert-Messungen erfolgten kontinuierlich mit einer am Vorratsbehälter (je nach Versuch 30 bis 120 L) eingeführten pH-Elektrode (pH 1).To control the dissolved amount of oxygen, an oxygen electrode was placed at the measuring point O 21 , TL 1 at the reactor outlet, which also served to control the temperature. pH measurements were carried out continuously with a pH electrode (pH 1) inserted into the storage tank (30 to 120 L depending on the experiment).
Das System besaß eine Temperaturregelung; dazu wurde der jeweilige Vorratsbehälter 10 mit Kühlschlangen 11 als Wärmetauscher versehen. Die Temperatur konnte mit Kryostaten bis auf 13 0C Reaktortemperatur (je nach Versuch) heruntergekühlt werden (TL 2). Alle Schlauchleitungen waren gegen Wärmeübertragungen isoliert. Durch KontrollmessungenThe system had a temperature control; for this purpose, the respective storage container 10 was equipped with cooling coils 11 as heat exchangers. The temperature could be cooled down to 13 0 C reactor temperature (depending on the experiment) using cryostats (TL 2). All hose lines were insulated against heat transfer. Control measurements
bestätigt, konnte überall im System von annähernd gleichen Temperaturen ausgegangen werden.confirmed, it could be assumed that temperatures were approximately the same throughout the system.
Zur Vermeidung eines Sauerstoffeintrags wurde das System geschlossen gefahren. Dazu wurden die Vorratsbehälter 10 mit Deckel versehen, die mit entsprechenden Stutzen für die nötigen Ablauf- und Zulaufschläuche, Kühlschlangen und Probeentnahme versehen worden waren. Zusätzlich bestand die Möglichkeit, diese Systeme mit Stickstoff zu begasen. Es kann mit Stickstoff ein leichter Überdruck im Vorratsbehälter 10 eingestellt werden, was den Sauerstoffeintrag ins System zusätzlich erschwert. Es wurde weitgehende Gasdichtigkeit erreicht, was sich durch Messungen der Sauerstoffkonzentration bestätigen ließ.To avoid oxygen entering the system, the system was operated in a closed state. To do this, the storage containers 10 were fitted with lids and were provided with the appropriate nozzles for the necessary drain and inlet hoses, cooling coils and sampling. It was also possible to gas these systems with nitrogen. A slight overpressure can be set in the storage container 10 using nitrogen, which makes it even more difficult for oxygen to enter the system. A high degree of gas tightness was achieved, which was confirmed by measuring the oxygen concentration.
Auf den Granulaten wachsende Bakterien werden zu einem kleinen Teil mit dem Volumenstrom ausgetragen. Um eine Akkumulation der Biomasse im Vorratsbehälter 10 zu verhindern, wurde nach dem Reaktor 20 der Ablauf über einen Sandfilter 3 0 gefahren. Damit konnte auch eine Elimination des gelöst vorliegenden organischen Kohlenstoffs (DOC) durch aufwachsende MO erreicht werden, um der sich ansonsten im System (Schlauchwandungen) anhäufenden Biomasse die C-Quelle zu entziehen. Der verwendete Sand liefert keine C-Quelle, sondern nur eine große Aufwuchsfläche, die eine schnelle Elimination der C-Quelle gewährleistet. Der verwendete Sand hatte die Korngröße 1,6 - 2,0 mm; die Rückspülung erfolgteA small proportion of bacteria growing on the granules are carried away with the volume flow. In order to prevent an accumulation of biomass in the storage container 10, the outlet was passed through a sand filter 30 after the reactor 20. This also made it possible to eliminate the dissolved organic carbon (DOC) by growing MO in order to remove the C source from the biomass that would otherwise accumulate in the system (hose walls). The sand used does not provide a C source, but only a large growth area that ensures rapid elimination of the C source. The sand used had a grain size of 1.6 - 2.0 mm; backwashing was carried out
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mit einer Fließgeschwindigkeit von 5 m/min. Etwaige Nitratreduktionsleistungen im Sandfilter 30 in Konkurrenz zum eigentlichen Reaktor 20 wurden bei jedem Versuch bestimmt und bei der Bestimmung der Reaktorleistung berücksichtigt.with a flow rate of 5 m/min. Any nitrate reduction performance in the sand filter 30 in competition with the actual reactor 20 was determined in each test and taken into account when determining the reactor performance.
Die Anlagen wurden mit Leitungswasser der überörtlichen Bodensee-Fernwasserversorgung betrieben. Dies Wasser enthält nahezu kein Eisen und Phosphat [Zweckverband Bodensee-Wasserversorgung 1993: Wassergüte-Parameter des Trinkwassers aus dem Bodensee, Jahresmittelwerte ]. Dem Wasser wurde für die Konstrollversuche mit herkömmlichen Granulat 5 mg/L Phosphat, 0,1 mg/L Eisen und 10 mL/L Spurenelementlösung SL6 (nach DSM: Deutsche Stammsammlung) zugesetzt. Calciumchlorid und Magnesiumsulfat wurde nicht zugeführt, da Calcium und Magnesium ausreichend im Bodenseewasser vorhanden sind.The systems were operated with tap water from the regional Lake Constance long-distance water supply. This water contains almost no iron and phosphate [Zweckverband Bodensee-Wasserversorgung 1993: Water quality parameters of drinking water from Lake Constance, annual average values]. For the control tests with conventional granulate, 5 mg/L phosphate, 0.1 mg/L iron and 10 mL/L trace element solution SL6 (according to DSM: German strain collection) were added to the water. Calcium chloride and magnesium sulfate were not added because calcium and magnesium are present in sufficient quantities in Lake Constance water.
Diese Versuche in einem Festbettreaktor unter denitrifizierenden Bedingungen haben gezeigt, dass bei Wasser ohne Phosphat- und Eisengehalte lediglich die erfindungsgemäßen Granulate einen Abbau aufweisen. Figur 3 zeigt, dass bei Verwendung reiner Polymergranulate mit externer Zugabe von Phosphat- und Eisensalzen eine mittlere Denitrifikationsleistung von etwa 20 mg/(h * m2) gemessen werden kann. Mit den erfindungsgemäßen Polymergranulaten ist eine mittlere Denitrifikationsleistung von etwa 38 mg/(h * m2) erreichbar.These tests in a fixed bed reactor under denitrifying conditions have shown that in water without phosphate and iron contents, only the granules according to the invention show degradation. Figure 3 shows that when using pure polymer granules with external addition of phosphate and iron salts, an average denitrification performance of about 20 mg/(h * m 2 ) can be measured. With the polymer granules according to the invention, an average denitrification performance of about 38 mg/(h * m 2 ) can be achieved.
Obwohl diese Versuche nur die Denitrifikation in einem Festbettreaktor betreffen, kann daraus geschlossen werden, dass die erfindungsgemäßen biologisch abbaubaren Kunststoffprodukte, gleichgültig in welcher Form sie vorliegen, in nährstoffarmen Ökosystemen, und zwar unter aeroben, anoxischen oder anaeroben Bedingungen, abgebaut werden können. Diese Bedingungen werden in den in Figuren 4 bis 6 gezeigten Schemata illustriert. Im Kompost laufen zwar vorrangig aerobe Prozesse ab, es können aber durchaus auch anoxische oder anaerobe Bedingungen auftreten. Beim anoxischen Abbau (Figuren 5a, 5b) sind zwei Fälle zu unterscheiden: Verbesserung des Abbaus unter anoxischen Bedingungen (Fig. 5a) und Nutzung des erfindungsgemäßen Kunststoffprodukts als Festsubstrat für die biochemische Nitratelimination (Fig. 5b).Although these experiments only concern denitrification in a fixed bed reactor, it can be concluded that the biodegradable plastic products according to the invention, regardless of their form, can be degraded in nutrient-poor ecosystems, under aerobic, anoxic or anaerobic conditions. These conditions are illustrated in the diagrams shown in Figures 4 to 6. Although primarily aerobic processes take place in compost, anoxic or anaerobic conditions can also occur. In anoxic degradation (Figures 5a, 5b), two cases must be distinguished: improvement of degradation under anoxic conditions (Fig. 5a) and use of the plastic product according to the invention as a solid substrate for biochemical nitrate elimination (Fig. 5b).
Die weitgehende Übereinstimmung der Schemata macht deutlich, wie ähnlich die Rahmenbedingungen bezüglich der Nährstoffversorgung sind, obwohl hinsichtlich der SauerstoffVersorgung große Unterschiede bestehen. Man sieht somit, daß sich die Anwendung somit nicht auf Trägermaterial für heterotrophe Denitrifikanten beschränkt. Genausogut können aus dem erfindungsgemäßen biologisch abbaubaren Kunststoffprodukt hergestellte Gebrauchsgegenstände, wie Tüten, Flaschen, Filme, Folien, Verpackungsformkörper, aber auch Fischernetze und dergleichen wesentlich schneller und besser abgebaut werden. Die Milieuabhängigkeit desThe extensive agreement of the schemes makes it clear how similar the basic conditions are with regard to the nutrient supply, although there are major differences with regard to the oxygen supply. It can therefore be seen that the application is not limited to carrier material for heterotrophic denitrifiers. Articles of daily use made from the biodegradable plastic product according to the invention, such as bags, bottles, films, foils, packaging moldings, but also fishing nets and the like, can be broken down much faster and better. The environment dependency of the
biologischen Abbauverhaltens ist durch die interne Zufuhr von Nährstoffen deutlich verringert. Mit Hilfe nährstoffangereicherter biologisch abbaubare Polymere kann somit ein Bereich des Abfalls einer neuartigen Wiederverwertung zugeführt werden. Ferner können zusätzliche Anwendungsgebiete erschlossen werden, insbesondere im Bereich der Trinkwasseraufbereitung oder der Aquakultur. Die aufwendige Zudosierung von flüssigen Kohlenstoffquellen, zum Beispiel bei der Denitrifikation im Abwasserbereich, kann durch dieses einfach zu handhabende, sich selbst regulierende System ersetzt werden. In nährstoffarmen Ökosystemen kann ebenso wie in allen anderen Systemen ein Abbau gewährleistet werden, sofern nicht beeinflussbare Bedingungen, wie die Temperatur, für die mikrobiologische Aktivität gegeben sind.The internal supply of nutrients significantly reduces the biological degradation behavior. With the help of nutrient-enriched biodegradable polymers, a section of waste can be recycled in a new way. Furthermore, additional areas of application can be opened up, particularly in the area of drinking water treatment or aquaculture. The complex addition of liquid carbon sources, for example in denitrification in wastewater, can be replaced by this easy-to-use, self-regulating system. In nutrient-poor ecosystems, as in all other systems, degradation can be ensured, provided that uncontrollable conditions, such as temperature, for microbiological activity are present.
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