[发明专利]具有分层填充床的工艺反应器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年7月11日提交的美国临时专利申请系列号60/698,106的优先权。

技术领域

本发明大体上涉及反应器。更特别地，本发明涉及适用在化学和生物工艺中的填充床反应器。

背景

填充反应器常在化学、药物、废物处理和发酵工业中用于各种工艺。一般而言，填充基于所选特定填料的表面积/体积比提供了反应器内部表面积的增加。通常，填料的表面积为生物反应器中诸如微生物之类的反应促进剂(reaction promoter)或为化学反应器中诸如化学催化剂之类的反应促进剂提供了附着表面。由于生物或化学反应过程通常依赖于反应物与反应促进剂的接触和接触时间，所以在反应器体积内提供带有反应促进剂的较大表面积可以促进反应器尺寸的降低，从而节省成本。相应地，表面积/体积比越大，特别工艺所必需的反应器体积越小。

市售填料的形状很大不同并可以包括提高表面积的单元(elements)。例如，圆柱形填料可以具有轴向通孔，从而同时提供内表面和外表面以提高表面积/体积比。此外，圆柱形填料可以包括内部和/或外部肋条或其它结构以进一步提高有效表面积。

例如更具体提到废物处理中所用的生物反应器，污染物充当反应器填料上的微生物的食物源，通常充当碳和/或氮源。细菌新陈代谢将污染物转化成通常具有简单化学结构的代谢物，有时在需氧过程中将污染物完全降解成二氧化碳和水，或在厌氧过程中转化成甲烷。但是，无论如何，代谢物通常没有不利的环境影响。

各种生物修复法是已知的。例如，美国专利No.4,634,672描述了用于提纯废水和空气的生物活性组合物，其包括含BET比表面积高于50m²/g的表面活性炭的聚氨酯水凝胶、具有阳离子基团的聚合物和具有酶促活性并能够生长的细胞。美国专利No.4,681,852描述了通过使水或空气与美国专利No.4,634,672的生物活性组合物接触来将废水和/或空气进行生物提纯的方法。这些专利的实验实施例表明该方法不能有效地将排放物(effluent strain)中的污染物浓度降至低于百万分之44份(ppm)。这是不可接受的，因为环境保护署(EPA)在一些情况下已经要求排放流中的一些污染物(例如酚类)浓度必须低至十亿分之20份(ppb)。(参见Environmental Protection Agency 40 CFR Parts 414和416。OrganicChemicals and Plastics and Synthetic Fibers Category Effluent LimitationsGuidelines，Pretreatment Standards，and New Source PerformanceStandards.Federal Register，卷52，No.214，星期四，1989年11月5日.Rules & Regulations，42522)。

美国专利Nos.3,904,518和4,069,148描述了向生物活性固体(活性污泥)在废水中的悬浮液中加入活性炭或漂白土作为除酚中的助剂。该吸收剂可能通过防止对细菌有毒的污染物干扰细菌新陈代谢活性来发挥作用。这些专利权人的方法已经发展成已获得商业认可的所谓的PACT法，尽管其必须有长停留时间、生成大量污泥并伴随着污泥处置问题，并需要再生和更换废碳。

Rehm及其同事已经通过使用固定在作为多孔生物质载体系统的粒状炭上的微生物进一步改进活性炭在酚类材料的需氧氧化中的应用。利用微生物在表面上生长并保持附着在表面上的倾向，Rehm使用高表面积粒状活性炭载体(1300m²/g)(细胞附着在其大孔隙内及其表面上)作为除酚用的环式反应器中的多孔生物质载体系统。H.M.Ehrhardt和H.J.Rehm，Appl.Microbiol.Biotechnol.，21，32-6(1985)。所得“固定的”细胞表现出最多在进料中大约15克/升的酚耐受度，而自由细胞表现出不超过1.5克/升的耐受度。推测活性炭通过吸收有毒酚浓度并释放少量吸收的酚用于逐渐的生物降解来在固定的微生物的保护中像“缓冲器/储存器(buffer and depot)”那样运作。使用固定在活性炭上的混合培养物在一定程度上改进这个工作[A.Morsen和H.J.Rehm，Appl.Microbiol.Biotechnol.，26，283-8(1987)]，其中，研究者指出，显著量的微生物已经“长出”到水介质中，即在它们的系统中形成大量污泥。