Immobilization of aerobic microorganisms in interaction with open porous ceramic monoliths - gradual pore size and tube structure distribution in pressurized bioreactors

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Im Vordergrund des Verbundprojektes zwischen dem Institut für Prozeß- und Anwendungstechnik Keramik (IPAK) und dem Institut für Bioverfahrenstechnik an RWTH Aachen steht die Immobiliesierung von aeroben Mikroorganismen mit hohem Sauerstoffbedarf. Im Gegensatz zum Stand der Technik mit drucklosen organischen und anorganischen Trägermaterialschüttungen werden erstmalig Keramikmonolithen mit gradierten Poren- und Kanlastrukturen in einem neuartigen Druckreaktor (bis 10 bar) evtl. mit Sauerstoffvektoren eingesetzt. Aufgrund der vollständigen Sauerstoff-versorgung und über den molekularen und mikrostrukturellen Aufbau des Keramikmonolithen wird eine deutlich höhere Immobiliserungsrate erwartet. Das soll an zwei industriell relevanten mikrobiellen Systemen (Vitamin C und Lysin) demonstriert werden. Ausgehend von einem technisch/biologischen Modellierungsansatz wird in parallel betriebenen einfachen Screening-reaktoren die Immobilisierungswirkung an oxidischen (photonenleitfähiges TiO2) und nicht oxidischen (elektrisch leitfähiges SiC) Keramikmonolithen untersucht, die in zwei prozeßtechnischen Varianten ausgeführt werden. Die inneren Besiedlungsräume können zusätzlich oberflächenmodifiziert (NaOH, Silanisierung) werden. Die aussichtrsreichsten Varianten werden dann in einem druckbeaufschlagten Pilotreaktor näher untersucht. Von besonderer Bedeutung sind das Langzeitverhalten sowie die grundsätzlichen Regenerieungs-möglichkeiten. Hierbei ist die thermische Stabilität und die elektrische Leitfähigkeit der Keramik von Vorteil.Das IPAK ist für die Werkstoff- und Bauweiseentwicklung der Keramikmonolithen und die Gestaltung der funktionellen Hohlräume verantwortlich. Sein Aufgabengebiet umfaßt die Werkstoffanpassung vorhandener Werkstoffkozepte an die Zielstrukturen, die Fertigung von Trägerstrukturen in Form von Rohren, Waben und spiralförmigen Körpern mittels Strangpressen und hochthixotropen Gießen (Ökopor-Fertigung). Weiterhin ist es mit der mechanischen, thermischen und elektrischen Vorcharakterisierung der eingesetzten Werkstoffe und mit der Konzipierung von qualitätssicheren Regenerirungsansätzen beschäftigt. Die Konzipierung und der Bau einer Pilotreaktors wird in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik stattfinden.