BR112014031262B1 - Biocatalisador, método para produzir um biocatalisador, processo metabólico, processo para metabolizar carbono orgânico, processo para a redução biológica de fosfato, processo para tratar água e processo para bioconversão do substrato - Google Patents

Abstract

biocatalisador, método para produzir um biocatalisador, processo metabólico, processo para metabolizar carbono orgânico, processo para a redução biológica de fosfato, processo para tratar água e processo para bioconverção do substrato. trata-se de biocatalisadores que contêm microrganismo revelado que têm uma grande população dos microrganismos irreversivelmente retida no interior dos biocatalisadores.os biocatalisadores têm uma população surpreendentemente estável de microrganismos e têm uma ausência essencial de geração de resíduos da atividade metabólica dos microrganismos.os biocatalisadores são compostos por polímero altamente hidrofílico e têm uma estrutura porosa aberta e interna que promove as alterações fenotípicas de comunidade.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] É reivindicada a prioridade dos Pedidos de Patente Provisórios N°: U.S. 61/689.921, depositado em 15 de junho de 2012; U.S. 61/689.922, depositado em 15 de junho de 2012; U.S. 61/689.923, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.924, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.925, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.929, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.930, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.932, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.933, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.935, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.939, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.940, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.943, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.945, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/689.953, depositado em 15 de junho de 2015; U.S. 61/849.725, depositado em 1 de fevereiro de 2013; U.S. 61/850.631, depositado em 20 de fevereiro de 2013; U.S. 61/851.467, depositado em 8 de março de 2013; e U.S. 61/852.451, depositado em 15 de março de 2013, cada um dos quais se encontra ora incorporado em sua integridade a título de referência. Um direito encontra-se reservado por meio do presente documento para ter determinações de patenteabilidade realizadas com base nas seções aplicáveis da Lei Pública 112-29.

DECLARAÇÃO RELACIONADA À PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADOS A NÍVEL FEDERAL

[002] O uso de biocatalisadores para a degradação contínua de 1,4-dioxano em concentrações ultrabaixas em água foi, primeiramente, reduzida para a prática com o apoio Governamental sob o Contrato 1R43ES022123-01, concedido pelos Institutos Nacionais de Saúde. O Governo tem determinados direitos ao mesmo.

CAMPO DA INVENÇÃO

[003] Esta invenção refere-se a biocatalisadores inovadores e a seu uso.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[004] Há muito tempo os processos metabólicos foram propostos para as bioconversões anabólicas e catabólicas. Os microrganismos de diversos tipos foram propostos para tais bioconversões e incluem bactérias e archaea, ambos os quais são procariontes; fungos; e algas. Os processos metabólicos são usados pela natureza e alguns foram adaptados para o uso pelo homem durante milênios para as bioconversões anabólicas e catabólicas na faixa de cultura de iogurte e fermentação de açúcares para produzir álcool para o tratamento de água para remover contaminantes. Os processos metabólicos oferecem o potencial para bioconversões de alta eficácia e baixo consumo de energia em equipamentos de processamento relativamente baratos e, assim, podem ser e são, frequentemente, alternativas viáveis para síntese química e métodos de degradação. Frequentemente, os processos anabólicos podem usar materiais brutos que são preferenciais a partir de um ponto de vista renovável ou ambiental, porém, não são desejáveis para a síntese química, por exemplo, a conversão de dióxido de carbono em biocombustíveis e outros bioprodutos. As bioconversões catabólicas podem degradar substratos e são usadas, há tempos, para tratamento de água residual. Existem interesses consideráveis quanto ao aprimoramento de processos metabólicos para o uso industrial e expansão da variedade de alternativas do processo metabólico em relação às sínteses químicas e degradações.

[005] Diversos tipos de técnicas de processo foram propostos para as bioconversões anabólicas e catabólicas. Tais processos incluem o uso de microrganismos suspensos, isto é, processos planctônicos. Além disso, foram reveladas as técnicas de processo em que os microrganismos estão localizados sobre ou no interior de um suporte sólido.

[006] Os funcionários se deparam com diversos desafios relacionados ao aprimoramento de processos metabólicos e ao fornecimento de processos metabólicos que sejam viáveis de modo suficientemente econômico para serem de interesse comercial. Alguns problemas podem ser herdados com a matéria-prima em si, incluindo a presença de toxinas, fagos e microrganismos competidores fortuitos. Outros problemas podem surgir a partir do microrganismo a ser usados para a bioconversão, tais como baixa taxa de conversão metabólica, baixa taxa de crescimento populacional, automutação, consumo significativo de substrato para sustentar o crescimento de população, a necessidade de indutores, cometabólitos, promotores e aditivos de intensificação de desempenho e a falta de um microrganismo que tem a conversão metabólica visada. E ainda assim, problemas adicionais podem surgir a partir do processo usado para a bioconversão, tais como custos com bioprodutos de recuperação de um caldo de fermentação aquoso. Especialmente, com os microrganismos sustentados, os problemas podem surgir a partir da instabilidade dos biofilmes, incluindo sua degradação física; supercrescimento da população de microrganismos causando o sufoco; o desprendimento dos microrganismos do suporte; e a suscetibilidade aos microrganismos competidores. Adicionalmente, os processos metabólicos são caracterizados por gerar detritos sólidos a partir de células mortas ou lisadas e os detritos devem ser acomodados no processo para remover tais sólidos. Em alguns casos, os detritos têm valor como suplementos de alimentação, tais como grãos de destilação da manufatura de etanol, porém, em outros processos metabólicos tais como para o tratamento de água residual urbana, os custos podem precisar ser incorridos para dispor dos detritos de uma maneira ambientalmente aceitável. A engenharia genética, que foi proposta para superar um ou mais de tais problemas, pode ser problemática em si.

[007] Os microrganismos, inclusive, mas sem limitações, bactérias, archaea, fungos e algas, podem se tornar fixados ou aderidos a uma superfície. Foram conduzidos estudos que se referem ao efeito de uma alteração do crescimento planctônico sobre o crescimento de microrganismos em superfícies, incluindo a formação de biofilmes sobre superfícies. Diversos funcionários investigam a prevenção ou degradação de biofilmes em um corpo animal ou humano para intensificar a eficácia de tratamentos antibióticos para curar o corpo animal ou humano.

[008] Tuson, et al., em "Bacteria-surface Interactions", Soft Matter, volume 1, artigo 608 (2013) mencionável como DOI: 10.1039/c3sm27705d, fornece uma revisão de trabalho no campo de interações de bactéria e superfície. Os autores descrevem os processos envolvidos na fixação de um microrganismo a uma superfície e declaram que a fixação às superfícies gera comutações fenotípicas nas células e que a superfície pode fornecer benefícios às células fixadas. Os autores declaram que a matéria orgânica pode se concentrar em superfícies horizontais de modo a estimular o crescimento de bactérias associadas à superfície e o aumento da área de superfície de substrato fornece mais área sobre a qual os nutrientes podem ser absorvidos, de modo a possibilitar que as células cresçam em concentrações de nutriente que, normalmente, seriam muito baixas para sustentar o crescimento. Os autores afirmam, adicionalmente, que além da fixação de superfície que facilita a captura de nutriente, algumas bactérias obtêm os metabólitos e cofatores necessários diretamente a partir das superfícies às quais as mesmas se aderem.

[009] Algumas das observações relatadas em tal artigo incluem que a nucleação de crescimento de célula em comunidades sobre as superfícies protege as células da predação e outras ameaças ambientais e facilita a conservação do genótipo. Os autores declaram que onde os microrganismos formam biofilmes, a resistência ao tratamento de antibiótico foi observada. Tal resistência foi atribuída a uma ou mais dentre função de barreira da matriz de biofilme; a presença de células persistentes inativas e variantes de colônia altamente resistentes e regulação ascendente de diversos genes de resistência a antibióticos específicos de biofilme. Um grupo de funcionários postula que algumas células de aderência não associadas aos biofilmes têm resistência aos antibióticos devido a mecanismos primários de redução de carga líquida negativa em células bacterianas e intensificação da estabilidade da membrana. Tuson, et al., aponta para uma conclusão extraída em um artigo que a fixação de bactérias às superfícies altera seu estado metabólico e reduz a suscetibilidade aos anticorpos, que é um recurso comum das bactérias durante a fase estacionária de crescimento de célula.

[010] Em relação às atividades de célula que se referem à associação de bactérias a superfícies, os autores discutem que a sensibilidade à superfície é um precursor à aglomeração que é um comportamento adaptativo importante em que o contato entre as células e superfícies programa alterações morfológicas que facilitam o comportamento cooperativo, crescimento rápido de comunidade e a migração de comunidades. As células em comunidades bacterianas tais como aglomerados ou biofilmes interagem entre si de diversas maneiras diferentes. As bactérias podem se comunicar através do uso de mensageiros químicos de moléculas pequenas em um processo chamado de detecção de quórum.

[011] "O agrupamento denso de células em comunidades bacterianas facilita e aumenta a concentração de moléculas pequenas que transferem informações entre as células e acionam as alterações fisiológicas. O formato de gradientes químicos muito próximos às superfícies intensifica a troca de informações químicas em biofilmes e comunidades fixadas às superfícies.

[012] "Cho, et al., in "Self-Organization in High-Density Bacterial Colonies: Efficient Crowd Control", PLOS Biology, volume 5, artigo 11, novembro de 2007, páginas 2.614 a 2.623, se refere a suas constatações de que E. coli em microcâmaras se comunicam para fornecer o crescimento de colônia para escapar dos confinamentos das microcâmaras sem um bloqueio semelhante a uma "debandada" da saída e para fornecer canais para facilitar o transporte de nutriente para o interior da colônia.

[013] Tuson, et al., descreve adicionalmente as etapas para a formação de uma fixação de uma célula a uma superfície. A fixação inicial é reversível e envolve interações hidrodinâmicas e eletrostáticas e a segunda etapa da fixação é irreversível e envolve interações de van der Waals entre a região hidrofóbica da parede de célula externa e a superfície. A fixação irreversível é facilitada pela produção de substância polimérica extracelular.

[014] "A termodinâmica desempenha uma função principal na regulação da ligação de bactérias às superfícies. As células se fixam, preferencialmente, aos materiais hidrofílicos (isto é, materiais com uma grande energia de superfície) quando a energia de superfície da bactéria é maior que a energia de superfície do líquido em que as mesmas estão suspensas. A energia de superfície das bactérias é, tipicamente, menos que a energia de superfície de líquidos em que as células estão suspensas e tal incompatibilidade faz com que as células se fixem, preferencialmente, aos materiais hidrofóbicos (isto é, materiais com baixas energias de superfície). As bactérias podem se fixar a uma ampla variedade de diferentes materiais, incluindo vidro, alumínio, aço inoxidável, vários polímeros orgânicos e a materiais necessários, tais como Teflon™.

[015] "Tuson, et al., relata que a sensibilidade à superfície aciona uma variedade de alterações celulares. Muitas dessas alterações são morfológicas e facilitam a fixação às superfícies. Afirma-se: "De maneira interessante, as propriedades físicas de superfícies podem influenciar a morfologia de célula e estrutura de comunidade." ... "As células aderem uniformemente às superfícies hidrofóbicas, formam microcolônias e crescem de modo a se tornarem biofilmes de múltiplas camadas embalados de maneira justa. Menos células se fixam às superfícies hidrofílicas e as alterações na divisão de célula levam à formação de cadeias de células que têm o comprimento > 100 μm. Tais cadeias se tornam enredadas de maneira frouxa para formar biofilmes relativamente não estruturados e de maneira densamente agrupada.

[016] "Tuson, et al., em suas observações conclusivas, afirma: "As constatações da interação de bactérias e superfícies são notavelmente incompletas. Tal tópico parece idealmente adequado para as colaborações entre cientistas microbiologista e de materiais, químicos e engenheiros devido ao fato de estar fadado a se beneficiar com abordagens multidisciplinares que são formuladas para penetrar em diversas áreas, inclusive: (1) identificar as propriedades de superfícies que são detectadas por bactérias; (2) elucidar as bactérias de mecanismos moleculares usadas para enviar as superfícies e suas respostas bioquímicas; e (3) determinar como modular as propriedades de superfície para provocar uma resposta celular desejada, incluindo alterações na morfologia, alterações na bioenergética ou morte de célula".

[017] Existem diversas propostas para o uso de um carreador sólido ou suporte para que microrganismos efetuem uma pletora de bioconversões anabólicas e catabólicas; entretanto, apesar das vantagens potenciais do processo fornecidas pelo uso de um sólido, o sucesso comercial foi limitado a, relativamente, poucas aplicações. As propostas foram proferidas para que os microrganismos fossem sustentados sobre a superfície de um carreador ou em poros de um carreador e para que os microrganismos estivessem localizados no interior do carreador. Consulte, por exemplo, Zhou, et al., "Recent Patents on Immobilized Microorganisms Technology and Its Engineering Application in Wastewater Treatment, Recent Patents on Engineering, 2008, 2, 28 a 35.

[018] Como regra geral, os detritos sólidos são gerados como um resultado da habilidade biológica, por exemplo, a partir da instabilidade do biofilme formado sobre o carreador e a partir da morte e deterioração da massa de célula. Por exemplo, Sato, et al., na Patente no U.S. 6.610.205, revela processos para nitrificar e desnitrificar a água residual orgânica com o uso de um carreador de micróbio termoplástico. Os titulares da patente afirmam que um único carreador pode afetar as bioconversões que exigem condições tanto aeróbicas quanto anaeróbicas. O carreador, outrora formado, está conectado à lama ativada que contém microrganismos. Os titulares da patente afirmam que as bactérias de nitrificação são "espessamente cultivadas" sobre a superfície do carreador e as bactérias de desnitrificação são "adsorvidas para o carreador e, assim, são firmemente imobilizadas no mesmo". Sua Figura 1 representa um aparelho que usa o carreador e inclui o tanque de decantação 9 para remover a lama. Consequentemente, tais processos parecem exigir um meio para remover os detritos do suporte ou carreador.

[019] Diversos funcionários formaram uma mistura aquosa de microrganismos e polímero como uma solução, dispersão ou emulsão. Alguns funcionários submeteram a mistura ao secador por atomização e outros propuseram a reticulação para obter uma estrutura sólida que contém microrganismos no interior da estrutura sólida. A discussão a seguir é fornecida como uma ilustração de propostas para formar as estruturas sólidas de um meio aquoso que também contém microrganismos.

[020] Hino, et al., na Patente no U.S. 4.148.689 revela o uso de microrganismos em um gel de complexo hidrofílico através da dispersão de microrganismos em uma determinada solução homogênea e, então, gelificando a mistura e tratando-se a mesma quimicamente ou através de secagem para obter um xerogel. Diz-se que o xerogel possui a força desejada e é composto por polímero solúvel em água gelificada, tais como polímeros, álcool polivinílico, polietileno glicol e polietileno imina e sílica. Os xerogéis usados nos exemplos aparecem para fornecer a bioconversão, porém, em menos atividades do que as fermentações de célula suspensa. A maior parte dos exemplos aparece para demonstrar a bioatividade durante uma curta duração, por exemplo, menos de 30 horas. Tais exemplos que aparecem para relatar a atividade ao longo de durações mais longas também indicam a desativação ao longo do tempo. De fato, os titulares da patente preveem que uma vantagem de seu xerogel é que o polímero pode ser recuperado e reciclado mediante a desativação. Consulte a coluna 9, linhas 66 et seq.

[021] Fukui, et al., na Patente no U.S. 4.195.129, revela a mistura de células microbianas com resina foto-curável e irradiação da mistura para fornecer um produto curado que contém células imobilizadas. O produto, de acordo com os exemplos, não tem a bioatividade de uma suspensão de célula livre. Os titulares da patente não fornecem quaisquer dados a respeito do desempenho das células imobilizadas por uma longa duração.

[022] Yamada, et al., na Patente no U.S. 4.546.081 revela um processo para a fermentação contínua com levedura para produzir álcool. A levedura é imobilizada em um filme fino que é, então, posicionado no interior de um vaso para a fermentação. Os titulares da patente citam diversas técnicas diferentes para produzir o filme que contém a levedura. Embora um processo em que uma mistura de levedura e álcool polivinílico é gelificada por uma radiação e formada no formato desejado, nenhuma diferença de desempenho dentre os filmes preparados pelas várias técnicas é especificamente mencionada na patente.

[023] Ishimura, et al., na Patente no U.S. 4.727.030, tem um objetivo de obter um artigo poroso moldado que contém células microbianas. É revelado um processo para imobilizar enzimas ou células em que as enzimas ou células são misturadas com álcool polivinílico e carbono ativado e, então, a mistura é parcialmente seca, em seguida, moldada e adicionalmente desidratada sob condições especificadas. Diz-se que o gel poroso tem pouca expansão mediante a hidratação.

[024] Na década de 90, um processo foi desenvolvido no Japão, sendo que o mesmo é chamado de Processo Pegasus, consulte, por exemplo, Stowa Pagasus/Pegazur/Bio-tube Process Sheets, 13 de junho de 2006, que usa péletes de gel orgânico compostos por uma mistura de polietileno glicol e lama ativada de nitrificação. Consulte, também, a Patente no U.S. 4.791.061 que está na mesma família de patentes que o documento KR9312103 referenciado neste documento. Diz-se que os péletes têm um diâmetro de 3 milímetros e uma fração de polietileno glicol de 15 por cento e uma fração de microrganismo de 2 por cento com uma espessura de biofilme de cerca de 60 micrômetros. A patente revela a preparação dos péletes a partir de uma mistura que contém uma lama ativada e pré-polímero e o despejo da mistura em uma solução de água de íon de metal polivalente e perssulfato para formar partículas com microrganismos imobilizados. Verifica-se que o processo reduz a perda da atividade dos microrganismos na formação de péletes.

[025] Chen, et al., na Patente no U.S. 5.290.693 a imobilização de microrganismos ou enzimas em microesferas de álcool polivinílico. Os mesmos formam uma mistura de álcool polivinílico e microrganismos e, então, conduzem uma congelação de dois estágios e etapa de endurecimento com o uso de ácido bórico e, então, ácido fosfórico ou fosfato. Os titulares da patente afirmam que seu processo fornece microesferas fortes que não são detrimentais aos microrganismos ou enzimas imobilizadas. Os exemplos são instrutivos. O exemplo 1, por exemplo, refere-se a produzir e usar microesferas para a desnitrificação de água que contém 100 ppm de nitrato de potássio. Os mesmos afirmam na coluna 5, linhas 7 a 11: "No sétimo dia, a taxa de desnitrificação dos microrganismos imobilizados alcançou 0,65 mg NC31-N/g de gel/h (sic), que permaneceu inalterado até o 30° dia. A vitalidade bioquímica dos microrganismos permaneceu estável."

[026] A solução usada para produzir as microesferas continha cerca de 25 g/l de microrganismos de lama de desnitrificação. Tal exemplo surge para indicar que 7 dias de crescimento da população de microrganismos foram necessários para alcançar a atividade e que após 30 dias, a atividade estável foi perdida. O controle comparativo relatado em tal exemplo, que usou ácido bórico apenas para gelificar e endurecer o PVA, forneceu uma taxa de desnitrificação de 0,55 mg N031-N/g de gel/h e se tornou instável após 15 dias. Os exemplos 2 e 3 relatam dados para operações contínuas que se estendem durante 10 e 20 dias, respectivamente. O exemplo 4 se refere à produção de etanol com o uso de Sacchramyces cerevisa (cerca de 15 g/l na mistura com o álcool polivinílico) e apenas 8 horas de uso foram relatadas sendo que as microesferas que contêm os microrganismos imobilizados são ligeiramente inferiores na produção de etanol do que a levedura não sustentada.

[027] Nagadomi, et al., em "Treatment of Aquarium Water by Denitrifying Photosynthetic Bacteria Using Immobilized Polyvinyl Alcohol Beads", Journal of Bioscience and Bioengineering, 87, 2, 189 a 193 (1999), confirma as observações de Chen, et al. Foi constatado que o ácido bórico é prejudicial aos microrganismos. Foi, também, observado que o crescimento da população de microrganismos imobilizados em microesferas de alginato e em microesferas de álcool polivinílico. Os dados relatados pelos autores não estenderam muito além de 15 dias de operação.

[028] Willuwait, et al., na Patente no U.S. 7.384.777 B2, imobiliza as bactérias em matrizes poliméricas. As matrizes são usadas para a liberação controlada dos microrganismos. Conforme explicado na coluna 3, linhas 63 a 67: "Por meio do processo de limpeza, os microrganismos se multiplicam até a capacidade de retenção das cápsulas/esferas ou até que o gel tenha sido alcançado e a parede arrebente, isto é, até que os microrganismos sejam liberados."

[029] Não é surpreendente, portanto, que o grande volume de atividades direcionadas ao aprimoramento dos processos metabólicos tenham focado na alteração do genótipo do microrganismo, por exemplo, através de engenharia genética. As alterações genotípicas são, frequentemente, fornecidas a custos significativos e exigem um tempo substancial para se obter o desempenho visado de um microrganismo. Tipicamente, a maior parte dos microrganismos geneticamente modificados não têm a robustez, por exemplo, têm o crescimento lento e são competitivamente desfavorecidos em relação aos microrganismos invasivos e estão sujeitos à perda de plasmídeos durante a escala ascendente para quantidades suficientes para preencher os biorreatores de escala comercial e durante o processo de bioconversão em si. Adicionalmente, os microrganismos geneticamente modificados podem precisar ser cuidadosamente contidos de modo que não escapem para o ambiente, e a disposição de detritos a partir dos processos metabólicos com o uso de microrganismos geneticamente modificados possa ser tratada como resíduo de risco.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[030] Os biocatalisadores que contêm o microrganismo desta invenção têm uma grande população dos microrganismos irreversivelmente retida no interior dos biocatalisadores e os biocatalisadores possuem uma população surpreendentemente estável de microrganismos e, por esse motivo, bioatividade estável e uma ausência essencial da geração de resíduos da atividade metabólica dos microrganismos e os biocatalisadores podem exibir tal fenômeno ao longo de períodos estendidos de tempo. Tais fenômenos são contrários às expectativas convencionais de que os microrganismos tanto escapam de regiões fisicamente restringidas ou que a região fisicamente restringida se torna obstruída ou superpopulada levando à perda de atividade metabólica e à morte total da população de microrganismos.

[031] Os microrganismos nos biocatalisadores desta invenção exibem alterações fenotípicas que, em combinação com uma estrutura interna, que contém cavidade, do biocatalisador, fornecem biocatalisadores altamente vantajosos, incluindo, mas sem limitações, um desvio metabólico do crescimento dos microrganismos e sua população à atividade de bioconversão (anabólica ou catabólica); tolerância intensificada a toxinas; habilidade intensificada para entrar em um estado substancial de estase, até mesmo durante períodos de tempo estendidos; e habilidade intensificada para bioconverter de maneira eficaz o substrato. Tais alterações fenotípicas adicionam, significativamente, ao fato de que os microrganismos que realizam a bioconversão estão retidos no interior do biocatalisador para fornecer processos metabólicos vantajosos, especialmente os processos metabólicos em que os biocatalisadores desta invenção fornecem atividade de bioconversão desejável ao longo de períodos de tempo estendidos, preferencialmente, pelo menos cerca de 3, preferencialmente, pelo menos cerca de 6 e, frequentemente, em excesso de 12 ou 24 meses e, por vezes, até 5 anos ou mais.

[032] Embora não seja desejado se ater à teoria, acredita-se que a habilidade dos biocatalisadores desta invenção para possuir a população estável de microrganismos em seu interior se deve às alterações fenotípicas aos microrganismos que ocorrem durante a fabricação dos biocatalisadores. Acredita-se que tais alterações de fenótipo se devem à confluência de três fatores primários. Primeiro é o uso de uma alta concentração de microrganismos para produzir o biocatalisador, por exemplo, pelo menos cerca de 60, preferencialmente, pelo menos cerca de 100 gramas de células por litro, de modo que a comunicação possa ocorrer dentre as células no momento da formação do biocatalisador. Todas as referências à massa de células neste documento são em relação à massa de células molhadas. A alta concentração de células também é preferencial devido ao fato de que mediante a ocorrência da alteração fenotípica, ocorre pouco, se houver crescimento líquido na população dos microrganismos no biocatalisador. Em alguns casos, o crescimento líquido na população de microrganismos pode ser de até três ou quatro vezes até que a população de estado estável ocorra. Entretanto, na maioria dos casos, a população de microrganismos em estado estável é mais ou menos cerca de 50, frequentemente, mais ou menos cerca de 30 por cento da concentração das células inicialmente usadas na preparação do biocatalisador.

[033] O segundo principal fator é que o biocatalisador, quando formado, contém microrganismos em uma pluralidade de cavidades maiores interconectadas entre cerca de 5 e 100 mícrons na menor dimensão. Preferencialmente, em uma base volumétrica, pelo menos cerca de 20 e, preferencialmente, pelo menos cerca de 50 por cento da estrutura interior do biocatalisador (exceto os microrganismos) é composta por cavidades maiores nessa faixa. Embora as cavidades principais maiores possam estar presentes, preferencialmente, menos que cerca de 25 por cento do interior da estrutura sólida é composto por tais cavidades principais maiores. Preferencialmente, as cavidades interconectadas no biocatalisador são quiescentes. Acredita-se que a alta preponderância das cavidades maiores interconectadas que tem uma menor dimensão entre cerca de 5 e 100 mícrons intensifica a habilidade de os microrganismos localizados nas cavidades se comunicarem, de modo que os microrganismos, como uma comunidade, sejam submetidos à alteração fenotípica.

[034] O terceiro fator principal consiste em o componente de material polimérico do biocatalisador ser hidratado e hidrofílico. Acredita-se que os microrganismos localizados no interior do biocatalisador conforme o mesmo é produzido, especialmente aqueles nas cavidades maiores e cavidades menores, detectam a capacidade de hidrofilia da superfície e tal detecção do ambiente também contribui para a alteração de fenótipo. O material polimérico é altamente hidratado, contudo, contém capacidade de hidrofobia suficiente para que o material polimérico no biocatalisador não seja dissolvido ou disperso em água sob as condições antecipadas de uso. A capacidade de hidrofilia e a capacidade de hidrofobia do polímero ocorrem de modo que os microrganismos se tornem, substancialmente, irreversivelmente retidos no interior do biocatalisador. Devido ao fato de que a retenção dos microrganismos no biocatalisador se deve a uma detecção pelos microrganismos e sua resposta, tal retenção irreversível pode ser descrita como uma retenção metabólica. Os biocatalisadores podem ser caracterizados por terem um Volume de Expansão de Hidratação (HEV) de pelo menos cerca de 1.000, preferencialmente, pelo menos cerca de 5.000 e, mais frequentemente, pelo menos cerca de 10.000. O Volume de Expansão de Hidratação é indicativo da capacidade de hidrofilia do material polimérico e quanto mais alto for o HEV, maior será a capacidade de hidrofilia do material polimérico.

[035] Consequentemente, em seus aspectos mais amplos, a composição de biocatalisador desta invenção compreende: uma estrutura sólida de polímero hidrofílico hidratado que define uma estrutura interior que tem uma pluralidade de cavidades maiores interconectadas que têm uma menor dimensão entre cerca de 5 e 100 mícrons e um HEV de pelo menos cerca de 1.000, preferencialmente, pelo menos cerca de 5.000, e uma população de microrganismos retidos de modo substancialmente irreversível na estrutura interior, sendo que os ditos microrganismos estão em uma concentração de pelo menos cerca de 60 gramas por litro com base no volume definido pelo exterior da estrutura sólida quando completamente hidratada, em que os microrganismos mantêm sua população substancialmente estável.

[036] Preferencialmente, o polímero hidrofílico também forma uma pele no exterior da composição de biocatalisador. Embora tenha sido constatado que os microrganismos se tornam retidos de modo substancialmente irreversível no interior do biocatalisador, em geral, o caso é que os microrganismos não estão, significativamente, se estiverem, em contato direto com o polímero, embora os mesmos possam estar em contato através de fibrilas, por exemplo, de substância polimérica extracelular ou filamentos de polímero. Acredita-se que a alta capacidade de hidrofilia do polímero reduza a habilidade de os microrganismos se aderirem às superfícies externas do biocatalisador sob as condições de estresse físico, tal como o fluxo de fluido sobre o exterior do biocatalisador.

[037] Um outro amplo aspecto desta invenção se refere aos métodos para produzir as composições de biocatalisadores que compreendem: a. formar uma dispersão líquida, preferencialmente, uma dispersão aquosa, de precursor solubilizado para o polímero hidrofílico e microrganismos para o dito biocatalisador, em que, a concentração de microrganismos na dispersão líquida é de pelo menos cerca de 60, preferencialmente, pelo menos cerca de 100 gramas por litro; b. submeter a dita dispersão às condições de solidificação para formar uma estrutura sólida do polímero hidrofílico, em que a estrutura sólida tem uma estrutura interior que tem uma pluralidade de cavidades maiores interconectadas que contêm os ditos microrganismos, sendo que as ditas cavidades maiores têm uma menor dimensão entre cerca de 5 e 100 mícrons e em que a estrutura sólida tem um HEV de pelo menos cerca de 1.000, preferencialmente, pelo menos cerca de 5.000, sendo que as ditas condições de solidificação não afetam de modo, desmedidamente, adverso a população dos ditos microrganismos; e c. manter a estrutura sólida que contém os microrganismos sob condições que não afetam adversamente a população dos ditos microrganismos no interior da estrutura sólida durante um tempo suficiente para possibilitar que os microrganismos sejam submetidos a uma alteração fenotípica para manter sua população, substancialmente, estável e que se tornem retidos de modo substancialmente irreversível no interior da estrutura sólida.

[038] As condições de solidificação podem, em alguns casos, incluir a presença de um agente de reticulação e o precursor é um pré- polímero solubilizado. Alternativamente, as condições de solidificação podem compreender uma redução na temperatura da dispersão líquida de modo que o polímero se torne solidificado para formar a estrutura sólida. Frequentemente, a dispersão líquida não englobada no interior da estrutura sólida formada na etapa (b) é separada durante ou antes da etapa (c).

[039] Outros aspectos mais amplos desta invenção se referem aos processos metabólicos em que os biocatalisadores desta invenção são submetidos às condições metabólicas que incluem a presença de substrato para bioconverter o dito substrato em bioproduto. Os processos metabólicos podem ser anabólicos ou catabólicos. Nos processos preferenciais, os microrganismos evidenciam um desvio metabólico em comparação com o metabolismo planctônico sob, substancialmente, as mesmas condições metabólicas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[040] A Figura 1 é uma imagem de SEM de uma porção de um corte transversal de um biocatalisador de acordo com esta invenção.

[041] A Figura 2 é uma imagem de SEM de uma porção de um corte transversal de um outro biocatalisador de acordo com esta invenção.

[042] A Figura 3 é uma representação esquemática de um fotobiorreator com o uso de biocatalisadores de acordo com esta invenção.

[043] A Figura 4 é uma representação esquemática de um aparelho adequado para tratar a água residual urbana com o uso dos biocatalisadores desta invenção.

[044] A Figura 5 é uma representação esquemática de um biorreator usado para a nitrificação de água residual que também contém uma zona para coletar detritos sólidos para a hidrólise no tratamento de água residual.

[045] A Figura 6 é uma representação esquemática de um aparelho que usa cinco conjuntos de biorreatores fluidizados que contêm os biocatalisadores desta invenção adequados para remover o ânion de fosfato da água.

[046] A Figura 7 é uma representação esquemática de um conjunto de biorreatores contido no aparelho ilustrado na Figura 6.

[047] A Figura 8 representa o sequenciamento dos modos de operação de cada conjunto de biorreatores contido no aparelho ilustrado na Figura 6.

[048] A Figura 9 é uma representação esquemática de um aparelho que contém os biocatalisadores desta invenção que é adequado para tratar a água para minimizar o crescimento de macro-organismo e que contém um sistema, opcional, de abastecimento de água de autolimpeza.

[049] A Figura 10 é uma representação esquemática de um aparelho adequado para o uso de biocatalisadores desta invenção para produzir ácido succínico, sendo que tal aparelho usa reatores sequenciais.

[050] A Figura 11 é uma representação esquemática de um outro aparelho adequado para produzir o ácido succínico em que os reatores são submetidos a ciclos de geração de PEP a geração de ânion de succinato com o uso de dióxido de carbono.

[051] A Figura 12 é uma representação esquemática de um aparelho para produzir butanol, em que o butanol é separado por fase para a recuperação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[052] Todas as patentes, pedidos de patente publicados e artigos referenciados nesta descrição detalhada encontram-se ora incorporados em sua totalidade a título de referência.

DEFINIÇÕES

[053] Conforme usado neste documento, os seguintes termos têm os significados estabelecidos abaixo, exceto quando afirmado em contrário ou quando estiver claro a partir do contexto de seu uso.

[054] O uso dos termos "um" e "uma" se destina a incluir um ou mais dos elementos descritos. As listas de elementos exemplificativos se destinam a incluir combinações de um ou mais dos elementos descritos. O termo "pode" conforme usado neste documento significa que o uso do elemento é opcional e não se destina a fornecer quaisquer implicações em relação à operabilidade.

[055] Aderir à estrutura sólida do biocatalisador significa que os microrganismos estão localizados em cavidades no interior do biocatalisador e estão retidos de modo substancialmente irreversível no mesmo, embora as condições extraordinárias e tratamentos (isto é, condições de bioconversão não normais para a bioconversão com o uso dos microrganismos) podem, em alguns casos, fazer com que o microrganismo saia do biocatalisador. Aderir inclui a fixação de superfície ao polímero de modo a formar as paredes da matriz porosa assim como onde os microrganismos retidos estão próximos de uma superfície polimérica, por exemplo, a cerca de 10 ou 20 mícrons, mas não estão em contato direto com a superfície. Aderir, assim, inclui aderência física e eletrostática. Em alguns casos, o polímero usado para produzir o biocatalisador pode se tornar embutido na substância polimérica extracelular ao redor de uma célula ou, até mesmo, no interior ou sobre a parede de célula do microrganismo.

[056] O cátion de amônio inclui cátion de amônio e amônia dissolvida. Um teste para determinar a concentração de cátion de amônio é o tubo N de teste de método de salicilato, Método de Hach 10031, DOC316.53.01079, 7a edição.

[057] O teste BTT é um teste de tolerância à toxicidade de batelada. O teste BTT compara a tolerância de uma suspensão livre do microrganismo com uma toxina em um meio aquoso sob as condições metabólicas com a tolerância do mesmo microrganismo, porém, fornecida, substancialmente, no mesmo meio aquoso sob, substancialmente, as mesmas condições metabólicas, porém, em matrizes porosas para fornecer, substancialmente, a mesma densidade de célula inicial. A toxina da matéria é adicionada ao meio aquoso em uma concentração de modo que a bioconversão do substrato, após 24 horas, seja, aproximadamente, 50 por cento daquela na ausência da toxina (ou no case de um substrato que possa ser tóxico, uma concentração que não tem, substancialmente, nenhum efeito adverso sobre o microrganismo). Não é essencial que a bioconversão seja, precisamente, 50 por cento menor, porém, a mesma deve estar em uma faixa entre cerca de 35 e 65 por cento daquela na ausência da toxina. A mesma concentração da toxina é adicionada ao meio aquoso que contém os microrganismos nas matrizes porosas e a bioconversão do substrato, após 24 horas, é determinada. Entende-se que as condições metabólicas possam, em alguns casos, influenciar o efeito que a toxina tem sobre o microrganismo. Em tais casos, as condições metabólicas devem ser selecionadas para que sejam, em geral, uma média daquelas adequadas para a bioconversão. Além disso, entende-se que o grau de aprimoramento fornecido por esta invenção possa variar com as diferentes toxinas. Consequentemente, a toxina usada deve ser a toxina em questão para o processo metabólico específico. Por exemplo, se o processo for para produzir isobutanol como o bioproduto, a toxina usada de ser contida no meio aquoso para a bioconversão e não deve ser uma toxina tal como hipocloreto de sódio, o qual não se espera que esteja no meio. Para o fago como as toxinas, a toxinas adicionadas podem ser as células infectadas.

[058] A demanda de oxigênio bioquímico (BOD) é a quantidade de oxigênio necessária para a conversão metabólica de carbono orgânico, em água, em dióxido de carbono e é uma indicação d os compostos orgânicos disponíveis para o alimento. A BOD é relatada em miligramas por litro. A BOD pode ser determinada pelo Método padrão 5210B, revisão 1 1/16/1999, conforme publicado pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos

[059] A atividade de bioconversão é a taxa de consumo de substrato por hora por grama de microrganismo. Em que um aumento ou diminuição na atividade de bioconversão são referenciados neste documento, tal aumento ou diminuição são apurados sob condições similares de bioconversão, incluindo a concentração de substrato e produto no meio aquoso. A atividade de bioconversão em bioproduto é a taxa de produção do bioproduto por hora por grama de microrganismo.

[060] O biofilme significa um agregado de microrganismos embutidos no interior de uma substância polimérica extracelular (EPS), em geral, composta por polissacarídeos e pode conter outros componentes, tais como um ou mais dentre proteínas, DNA extracelular e o polímero usado para produzir o biocatalisador. A espessura de um biofilme é determinada pelo tamanho do agregado contido em uma estrutura de EPS contínua, porém, uma estrutura de EPS contínua não inclui fibrilas que possam se estendem entre os biofilmes separados. Em alguns casos, o biofilme se estende de uma maneira, aleatória, tridimensional e a espessura é determinada como a distância, máxima, em linha reta entre as extremidades distais. Um biofilme fino é um biofilme que não excede cerca de 10 mícrons em nenhuma direção específica.

[061] O termo bioproduto significa um produto de uma bioconversão que pode ser um produto anabólico ou um produto catabólico e inclui, mas sem limitações, os metabólitos primários e secundários.

[062] Os microrganismos de contaminação são microrganismos que competem com os microrganismos pela bioconversão de substrato e podem ser fortuitos ou de um processo de bioconversão a montante. Com referência aos biocatalisadores desta invenção, os microrganismos de contaminação também incluem aqueles que podem danificar a superfície do biocatalisador, embora possam não competir pelo substrato.

[063] A demanda de oxigênio químico (COD) é a quantidade de oxigênio necessária para converter o carbono orgânico, em água, em dióxido de carbono e, assim, é uma indicação do teor de composto orgânico da água. A COD é relatada em miligramas por litro. Um procedimento para determina a COD é o Método de Hach 8000, fevereiro de 2009, Nona Edição.

[064] Um estado de estase essencial significa que uma população de microrganismos foi submetida a uma cessação substancial de toda a atividade de bioconversão metabólica, porém, pode ser revivida. A existência de uma condição de estase essencial pode ser apurada através da medição de atividade de bioconversão. A condição de estase essencial pode ser aeróbica, anóxica ou anaeróbica, que pode ser ou não igual àquela das condições normais de operação para o microrganismo.

[065] Onde a estase é visada, a temperatura é, tipicamente, na faixa de cerca de 0 °C a 25 °C, aproximadamente, 4 °C a 15 °C, que podem ser diferente das temperaturas usadas nas condições normais de operação.

[066] Uma exo-rede é uma comunidade de microrganismos separados que podem estar sob a forma de biofilmes ou células individuais que estão interconectados pela substância polimérica extracelular sob a forma de filamentos. O espaçamento entre os microrganismos ou biofilmes na exo-rede é suficiente para possibilitar a passagem de nutrientes e substratos entre os mesmos e é, frequentemente, pelo menos cerca de 0,25, aproximadamente, pelo menos cerca de 0,5, mícron e pode ter até 5 ou 10 mícrons ou mais.

[067] A pele exterior é uma camada exterior de polímero no biocatalisador que é menos aberta do que os canais principais na estrutura interior do biocatalisador. Um biocatalisador pode ter, ou não, uma pele. Onde a pele está presente, a mesma pode ter ou não ter poros de superfície. Onde não há poros de superfície presentes, os fluidos se difundem através da pele. Onde os poros estão presentes, os mesmos, frequentemente, têm um diâmetro médio entre cerca de 1 e 10 mícrons.

[068] O termo completamente hidratado significa que um biocatalisador é imerso em água a 25 °C até que nenhuma expansão adicional do volume superficial do biocatalisador seja percebido.

[069] O "Volume de Expansão de Hidratação" (HEV) para um biocatalisador é determinado hidratando-se o biocatalisador em água a 25 °C, até que o volume do biocatalisador tenha se estabilizado e a medindo-se o volume superficial do biocatalisador (Vw), removendo o biocatalisador da água e removendo o excesso de água do exterior, porém, sem secar e imergindo o biocatalisador em etanol a 25 °C, durante um tempo suficiente para que o volume do biocatalisador tenha se estabilizado e, então, medindo-se o volume superficial do biocatalisador (Vs).

[070] O HEV na porcentagem de volume é calculado como a quantidade de [Vw/Vs] x 100%.

[071] Para garantir a desidratação com o etanol, tanto uma grande razão de volume de etanol para biocatalisador é usada quanto imersões sucessivas do biocatalisador em etanol fresco são usadas. O etanol é, inicialmente, etanol desidratado.

[072] Os termos irreversivelmente retido e retido de modo substancialmente irreversível significam que os microrganismos se aderem às estruturas poliméricas, de modo a definir cavidades, abertas, porosas. Os microrganismos irreversivelmente retidos não incluem microrganismos localizados na superfície exterior de um biocatalisador. Os microrganismos são irreversivelmente retidos, até mesmo se o biocatalisador tiver poros exteriores de tamanho suficiente para permitir a saída dos microrganismos.

[073] Os polímeros altamente hidrofílicos são polímeros aos quais a água é atraída, isto é, são hidroscópicos. Frequentemente, os polímeros exibem, quando moldados como filme, um ângulo de contato com água menor que cerca de 60 ° e, por vezes, menor que cerca de 45 ° e, em alguns casos, menor que cerca de 10 °, conforme medido pelo método de gota séssil com o uso de uma gota de 5 microlitros de água destilada pura.

[074] O termo altamente hidratado significa que o volume do biocatalisador (sem o volume dos microrganismos) é pelo menos cerca de 90 por cento de água.

[075] Uma enzima isolada é uma enzima removida de uma célula e pode estar ou não em uma mistura com outros materiais metabolicamente ativos ou inativos.

[076] Os macrorganismos incluem, mas sem limitações, moluscos, tais como moluscos bivalva incluindo mexilhões e ostras; cirripedias; briozoários; poliquetas; e macroalgas.

[077] Uma matriz é uma estrutura polimérica, aberta e porosa e em um artigo de manufatura que tem uma pluralidade interconectada de canais ou cavidades (neste documento "cavidades maiores") definidas pelas estruturas poliméricas, sendo que as ditas cavidades têm entre cerca de 5 e 100 mícrons na menor dimensão (excluindo-se quaisquer microrganismos contidos nas mesmas), em que o fluido pode entrar e sair das cavidades maiores de e para o exterior da matriz. A matriz porosa pode conter canais ou cavidades maiores e menores do que as cavidades maiores e podem conter canais e cavidades não abertos para o exterior da matriz. As cavidades maiores, ou seja, regiões interconectadas abertas que têm entre cerca de 5 ou 10 a 70 ou 100 mícrons na menor dimensão (excluindo-se os microrganismos contidos nas mesmas) têm maiores dimensões nominais menores que cerca de 300, preferencialmente, menores que cerca de 200 mícrons e, por vezes, uma menor dimensão que tem pelo menos cerca de 10 mícrons. O termo aberto e poroso, assim, se refere à existência de canais ou cavidades que estão interconectados por aberturas entre os mesmos.

[078] As condições metabólicas incluem condições de temperatura, pressão, oxigenação, pH e nutrientes (incluindo os micronutrientes) e aditivos necessários ou desejados para os microrganismos no biocatalisador. Os nutrientes e aditivos incluem promotores de crescimento, tampões, antibióticos, vitaminas, minerais, fontes de nitrogênio e fontes de enxofre e fontes de carbono, que não são fornecidos de outro modo.

[079] Um metalado é um oxiânion, hidroxila ou sal de um metal ou elemento semicondutor.

[080] A água residual urbana é água residual coletada a partir de duas ou mais fontes em que a água residual é gerada por atividade humana incluindo, mas sem limitações, excremento humano e animal; resíduos e drenagem domésticos, comerciais, de agricultura, de mineração e industriais; escoamento de tempestade; produtos alimentícios; e disposição de materiais brutos, intermediários e produto.

[081] O produto orgânico oxigenado significa um produto que contém um ou mais compostos orgânicos oxigenados que têm de 2 a 100 e, frequentemente, de 2 a 50 carbonos e pelo menos uma porção química selecionada do grupo que consiste em hidroxila, carbonila, éter e carboxila.

[082] O termo permeável significa que um componente pode entrar ou sair das cavidades maiores do exterior ou para o exterior do biocatalisador.

[083] A população de microrganismos se refere à quantidade de microrganismos em um determinado volume e inclui culturas, substancialmente, puras (axênicas) e culturas misturadas.

[084] Uma alteração fenotípica ou alternação ou desvio fenotípico é uma alteração nos traços ou características de um microrganismo a partir dos fatores ambientais e é, dessa forma, diferente de uma alteração na constituição genética do microrganismo.

[085] O tempo quiescente significa que o meio aquoso em um biocatalisador é parado; entretanto, fluxos de nutrientes e substratos e bioprodutos podem ocorrer através do meio aquoso através da difusão e fluxo capilar.

[086] O termo sólidos retidos significa que os sólidos estão retidos no interior do biocatalisador. Os sólidos podem ser retidos por qualquer mecanismo adequado, incluindo, mas sem limitações, restringidos, mas sem poder passar através dos poros na pele de um biocatalisador, através da captura em um biofilme ou uma estrutura de polissacarídeo formada pelos microrganismos, através da retenção na estrutura polimérica do biocatalisador ou através da enredagem estéril no interior da estrutura do biocatalisador ou dos microrganismos.

[087] O termo menor dimensão significa a dimensão máxima da menor das dimensões máximas que definem o comprimento, largura e altura de uma cavidade maior. Normalmente, uma preponderância das cavidades maiores em uma matriz é, substancialmente, simétrica quanto à largura e altura. Por esse motivo, a menor dimensão pode ser aproximada pela largura máxima de uma cavidade observada em um corte transversal bidimensional, por exemplo, através de microscopia óptica ou eletrônica.

[088] Um precursor solubilizado para o polímero é um monômero ou pré-polímero ou o polímero em si que é dissolvido ou dispersado de modo que os sólidos não possam ser visualizados a olho nu e é estável. Por exemplo, um sólido pode ser altamente hidratado e pode estar suspenso in em um meio aquoso, embora o sólido não esteja dissolvido.

[089] O termo sorção significa qualquer atração física ou química e pode ser adsorção ou absorção e pode ser relativamente fraca, por exemplo, cerca de 10 kilojoules por mol ou uma interação química com um sorvente. Preferencialmente, a atração de sorção pelo sorvente é maior que aquela entre a água e o substrato, porém, não tão grande de modo que uma energia indevida seja necessária para dessorver o substrato. Frequentemente, a força de sorção é entre cerca de 10 e 70, aproximadamente, 15 e 60 quilojoules por mol. Um sorvente é um sólido que tem capacidade de sorção durante pelo menos um substrato.

[090] Uma população estável de microrganismos significa que a população de microrganismos não diminui em mais de 50 por cento nem aumenta em mais de 400 por cento. A estabilidade da população de microrganismos pode, em geral, ser apurada a partir da alteração, ou falta de alteração, na atividade de bioconversão do biocatalisador sem seu uso pretendido.

[091] O termo esterilização significa qualquer processo que mate todas as formas de vida microbiana e um agente de esterilização significa um ou mais produtos químicos ou processos que possam realizar a esterilização. A esterilização é, assim, um processo não seletivo devido ao fato de que afeta todas as formas de vida microbiana. A desinfecção pode ser a esterilização ou pode afetar a vida microbiana sem matar os microrganismos. Um agente de desinfecção significa um ou mais produtos químicos ou processos que possam afetar a desinfecção.

[092] Os substratos são fontes de carbono, doares de elétron, aceitadores de elétron e outros produtos químicos que podem ser metabolizados por um microrganismo, sendo que tais produtos químicos podem fornecer ou podem não fornecer valor de sustentação aos microrganismos.

[093] O termo açúcar significa carboidratos que têm de 5 a 12 átomos de carbono e incluem, mas sem limitações, D-gliceraldeído, L- gliceraldeído, D-eritrose, L-eritrose, D-terose, L-terose, D-ribose, L-ribose, D- lixose, L-lixose, D-alose, L-alose, D-altrose, D-gluconato de L-altrose 2-ceto-3- desóxi (KDG), D-manitol, guluronato, manuronato, manitol, lixose, xilitol, D- glucose, L-glucose, D-manose, L-manose, D-gluose, L-gluose, D-idose, L- idose, D-galactose, L-galactose, D-xilose, L-xilose, D-arabinose, L-arabinose, D-talose, L-talose, glucuronato, galacturonato, ramnose, fructooligossacarídeo (FOS), galactooligossacarídeo (GOS), inulina, mananoligossacarídeo (MOS), oligolginato, manuronato, guluronato, ácido alfa-ceto, ou uronato de 4-desóxi-L- eritro-hexocelulose (DEHU).

[094] Aos Sistemas de Biorreator Típicos são aqueles operados em um modo contínuo, semicontínuo ou modo de batelada de operação e incluem projetos de biorreator tais como, mas sem limitações, lagos (no caso de processos fotossintéticos), reatores de coluna de bolha, reatores agitados, reatores de leito fixo, reatores de leito com enchimento, reatores de leito fluidizado, reatores de fluxo em pistão (tubular) e reatores de membrana (biofilme). Na condução de bioconversões fotossintéticas, os reatores podem ser projetados para permitir a transferência de fotoenergia. O biocatalisador pode ser livremente móvel no meio aquoso ou fixo, por exemplo, a uma estrutura no vaso de reator ou pode, em si, fornecer uma estrutura fixa. Mais de um vaso de reator podem ser usados. Por exemplo, os vasos de reator podem estar em paralelo ou em séries de fluxo sequencial.

[095] As Condições Mesofílicas Típicas são condições metabólicas que incluem uma temperatura em uma faixa entre cerca de 0 °C e 50 °C ou mais, dependendo da tolerância à temperatura do microrganismo, mais frequentemente, cerca de 5 °C ou 10 °C a 40 °C ou 45 °C; uma pressão nas faixas de cerca de 70 a 500, aproximadamente, 90 a 300, kPa, é absoluta devido às configurações de equipamento, embora as pressões superior e inferior possam encontrar uma aplicabilidade; e um pH na faixa entre cerca de 3 e 9. As Condições Mesofílicas Típicas podem ser aeróbicas ou anaeróbicas.

[096] As Técnicas de Separação Típicas para produtos químicos incluem a separação de fase para produtos químicos gasosos, o uso de um destilador, uma coluna de destilação, separação de fase (líquido e líquido e sólido e líquido), extração de gás, centrífuga de fluxo atravessante, coluna de Karr para extração de líquido e líquido, sistema de mistura e decantação ou absorção de leito expandido. As etapas de separação e purificação pode decorrer a partir de diversas abordagens que combinam diversas metodologias, que podem incluir a centrifugação, filtragem, evaporação de pressão reduzida, separação de fase líquida e líquida, membranas, destilação e/ou outras metodologias mencionadas neste documento. Os princípios e detalhes das etapas de separação-padrão e purificação são conhecidos na técnica, por exemplo, em "Bioseparations Science and Engineering," Roger G. Harrison et al., Oxford University Press (2003) e Membrane Separations in the Recovery of Biofuels and Biochemicals--An Update Review, Stephen A. Leeper, páginas 99 a 194, em Separation and Purification Technology, Norman N. Li e Joseph M. Calo, Eds., Marcel Dekker (1992).

[097] O peso úmido ou massa úmida de células é a massa de células da qual a água livre foi removida, isto é, estão no ponto de umidade incipiente.

[098] As referências aos ácidos orgânicos neste documento devem ser consideradas de modo a incluir os sais e ésteres correspondentes.

[099] As referências às dimensões e volumes do biocatalisador neste documento são em relação ao biocatalisador completamente hidratado, exceto quando firmado de outro modo ou quando estiver claro a partir do contexto.

BIOCATALISADOR

[0100] A. Visão Geral do Biocatalisador

[0101] Os biocatalisadores desta invenção têm uma estrutura polimérica (matriz) que define as cavidades maiores interconectadas, isto é, são matrizes porosas abertas, em que os microrganismos estão metabolicamente retidos no interior das matrizes, ou seja, os microrganismos promovem a aderência em vez de serem fisicamente restringidos por uma estrutura externa. Nos biocatalisadores desta invenção, os microrganismos e suas comunidades, entre outros, regulam sua população. Além disso, em conjunto com a natureza detectada do microambiente nas matrizes, acredita-se que os microrganismos estabelecem uma relação espacial dentre os membros da comunidade.

[0102] A comunicação de comunidade dentre os microrganismos e o comportamento dos microrganismos, assim, são importantes para alcançar e manter os microrganismos metabolicamente retidos. Acredita-se que a comunicação dentre os microrganismos ocorre através da emissão de agentes químicos, incluindo, mas sem limitações, autoindutores e comunicação inclui comunicações para o comportamento da comunidade e para sinalização. Frequentemente, a preparação dos biocatalisadores usados nos processos desta invenção pode resultar em uma população de microrganismos que estão, inicialmente, localizados no interior do biocatalisador que é, substancialmente, aquele que existe no nível de estado estável. Em tais densidades de microrganismos nos biocatalisadores, as comunicações de comunidade são facilitadas, sendo que se acredita que as mesmas são iniciadas durante a formação dos biocatalisadores e os desvios fenotípicos ocorrem para possibilitar a retenção metabólica e modular a população de microrganismos.

[0103] O ambiente para alcançar a população estável metabolicamente retida de microrganismos é caracterizado por uma estrutura altamente hidratada de polímero hidrofílico, sendo que tal estrutura define uma pluralidade de cavidades interconectadas entre cerca de 5 e 100 mícrons na menor dimensão e tem um Volume de Expansão de Hidratação (HEV) de pelo menos cerca de 1.000. A estrutura, portanto, define os microambientes para os microrganismos. Tais microambientes, não apenas facilitam a comunicação dentre os microrganismos, mas também, em alguns casos, modulam os estresses ambientais sobre os microrganismos e modulam o abastecimento de substrato e nutrientes para os microrganismos. A estrutura altamente hidratada e expandida das matrizes porosas e sua abertura também podem acomodar a retenção metabólica de uma grande população de microrganismos e acomodar os comportamentos de comunidade associados à retenção metabólica.

[0104] Sem querer ser limitado à teoria, acredita-se que o HEV muito alto das matrizes significa que existe água no interior da estrutura sólida, em si. Acredita-se que a água absorvida age através de interações de van der Waals ou ligação de hidrogênio ao polímero hidrofílico para interconectar as cadeias de polímeros e fortalecer a estrutura polimérica no estado expandido. Quando a água é removida através de desidratação, os filamentos de polímero podem entrar em colapso de tal modo que possibilite o encolhimento significativo da estrutura. Acredita-se que a estrutura polimérica hidratada tem uma energia de superfície de média baixa enquanto ainda pode fornecer sítios para a fixação pelos microrganismos. Em alguns casos a superfície polimérica altamente hidratada que, em si, pode ser uma fonte de água e nutrientes devido à hidratação.

[0105] Os microrganismos que são retidos nas matrizes têm a habilidade para formar uma exo-rede. A natureza quiescente das cavidades facilita a formação e, então, a manutenção de qualquer exo-rede formada. Não acredita-se que uma exo-rede discernível seja essencial para alcançar as alterações fenotípicas na população de microrganismos tal como a modulação de população e desvio metabólico. Onde uma exo-rede se desenvolve, frequentemente, os filamentos de EPS se interconectam com os microrganismos próximos e conectam os microrganismos à superfície e formam a exo-rede. Em alguns casos, os microrganismos formam biofilmes finos e tais biofilmes finos são englobados na exo-rede. Os biocatalisadores desta invenção têm uma ausência substancial de biofilmes em seus interiores que são maiores que os biofilmes finos. Por esse motivo, quaisquer biofilmes que possam, principalmente, se formar nos biocatalisadores são, relativamente, finos, por exemplo, até cerca de 10 e, preferencialmente, até cerca de 2 ou 5 mícrons de espessura e estáveis em tamanho. Dessa forma, cada biofilme fino tem, frequentemente, apenas algumas células e está conectado em uma exo- rede.

[0106] As Figuras 1 e 2 são imagens de SEM que ilustram duas configurações potenciais de microrganismos no interior das cavidades maiores no interior dos biocatalisadores desta invenção. Tais imagens não limitam os aspectos mais amplos da invenção. Cada biocatalisador é usado em uma bioconversão durante períodos de tempo estendidos antes de ser preparado para a análise de SEM. A atividade de bioconversão de cada biocatalisador permanece substancialmente constante ao longo da duração da bioconversão. "O biocatalisador da Figura 1 compreende Saccharomyces cerevisiae e foi usado para produzir etanol a partir de açúcar ao longo de cerca de um período de 2 semanas. O biocatalisador durante seu use evidenciou que os microrganismos foram irreversivelmente retidos e um desvio metabólico em direção a uma eficácia de conversão superior para etanol ocorreu. O biocatalisador da Figura 2 compreende Achromobacter denitrificans e foi usado para degradação de nitrato e perclorato durante cerca de 1 mês de operação de fluxo contínuo. Tal biocatalisador também evidenciou que os microrganismos foram irreversivelmente retidos no biocatalisador e degradou de maneira eficaz os ânions de nitrato e perclorato sem a geração de sólidos. Cada imagem representa que os microrganismos estão em uma alta densidade de população, porém, têm uma configuração espacial que não evidencia o supercrescimento ou a formação de biofilmes espessos. A exo-rede observável na Figura 1 evidencia adicionalmente um fenotípico adicional ocorreu no sentido em que a interconexão dos microrganismos não é característica de levedura usada nos processos de bioconversão. A Figura 2 ilustra a formação de uma exo-rede. Em geral, as exo-redes mais extensas, quando o microrganismo gera EPS, ocorrem sol longo da duração do uso do biocatalisador.

[0107] Acredita-se que, em alguns casos, a configuração espacial do interior do biocatalisador e qualquer exo-rede promove a comunicação dentre os microrganismos. As comunicações podem se estender para as unidades de biofilme fino e exo-redes separadas. Como uma regra geral, a força ou concentração, dos autoindutores é amplificada pelos microrganismos em resposta ao fato de que tal autoindutor é emitido por um outro microrganismo. Tal amplificação é intensificada pela configuração espacial do microambiente no interior do biocatalisador e, em alguns casos, a composição química do polímero de modo a formar o biocatalisador. A importação da configuração espacial das cavidades maiores para a alteração fenotípica e a estabilidade de população foi demonstrada através do exame de biocatalisadores que contêm grandes cavidades, por exemplo, maiores que cerca de 1.000 mícrons na menor dimensão. Embora o biocatalisador exiba atividade de bioconversão, a superfície das grandes cavidades parece ser substancialmente desprovida de quaisquer microrganismos, ao contrário de uma grande população estável de microrganismos em cavidades menores.

[0108] Acredita-se que as comunicações resultam na comunidade de microrganismos mantendo uma população relativamente constante no interior do biocatalisador. Uma outra alteração fenotípica que ocorre nos biocatalisadores desta invenção, a qual se crê que resulte a partir de tal comunicação, é um desvio metabólico, isto é, as funções metabólicas da comunidade para a reprodução são diminuídas e a bioconversão visada continua. A população de microrganismos no biocatalisador pode tender a ter uma idade média avançada devido a tal desvio na atividade metabólica. Os microrganismos mais velhos também tendem a fornecer um desempenho mais robusto e sustentável em comparação às células mais jovens devido ao fato de que as células mais velhas se adaptaram às condições operacionais.

[0109] Os benefícios adicionais de tal comunicação podem ser um aumento na força ou aptidão em nível de comunidade exibidas pela comunidade na proteção contra microrganismos fortuitos e na manutenção de uniformidade de tipo de cepa. Em alguns casos, os microrganismos, durante o uso do biocatalisador, podem ser submetidos à seleção natural para fazer com que o tipo de cepa na comunidade se torne mais substancial ou para fornecer um outro benefício para a sobrevivência da comunidade dos microrganismos. Em alguns casos, a comunicação dentre os microrganismos pode permitir que a população de microrganismos exiba multicelularidade ou comportamentos semelhantes aos multicelulares. Dessa forma, a população de microrganismos em um biocatalisador desta invenção pode ter microrganismos que se adaptam às diferentes circunstâncias, contudo, que trabalham em sincronia para o benefício da comunidade.

[0110] Em alguns casos, a matriz porosa pode fornecer a modulação do substrato e dos nutrientes para os microrganismos para otimizar as trajetórias metabólicas que envolvem os substratos que estão disponíveis e tais trajetórias pode ser ou podem não ser as trajetórias usadas primariamente, em que amplos substratos e outros nutrientes estão disponíveis. Consequentemente, os microrganismos nos biocatalisadores podem exibir bioatividade intensificada para uma trajetória usada primariamente ou uma atividade metabólica que é, normalmente, reprimida.

[0111] Acredita-se, também, que os microambientes podem promover troca genética ou transferência de gene horizontal. A conjugação ou correspondência bacteriana pode, também, ser facilitada, incluindo a transferência de plasmídeos e elementos cromossômicos. Ademais, os microrganismos lisam, os filamentos de DNA e RNA nos microambientes são mais prontamente acessíveis para serem captados pelos microrganismos em tais microambientes. Tais fenômenos podem intensificar as habilidades funcionais dos microrganismos.

[0112] Os biocatalisadores exibem uma tolerância aumentada às toxinas. Em alguns casos, as comunicações dentre os microrganismos e qualquer exo-rede pode facilitar que a população estabeleça defesas contra as toxinas. A resposta da comunidade à presença de toxinas foi observada nos biocatalisadores desta invenção. Por exemplo, os biocatalisadores sobrevivem a adição de toxinas tais como etanol e hipocloreto de sódio e a atividade de bioconversão original é rapidamente recuperada, assim, indicando a sobrevivência de, essencialmente, toda a comunidade.

[0113] Se for desejado, os biocatalisadores podem ser tratados para intensificar a formação da exo-rede e, se for desejado, dos biofilmes finos, antes do uso no processo metabólico. Entretanto, o desempenho do biocatalisador não é, em geral, dependente da extensão da formação de exo- rede e, frequentemente, as atividades de bioconversão permanecem relativamente inalteradas entre o momento antes que os microrganismos tenham se fixado à estrutura polimérica e o momento quando as estruturas de exo-rede extensas foram geradas.

[0114] B. Descrição Física das Matrizes Porosas

[0115] Os biocatalisadores desta invenção compreendem uma matriz que tem uma estrutura interior aberta e porosa com microrganismos metabolicamente retidos de modo irreversível pelo menos nas cavidades maiores da matriz.

[0116] As matrizes podem ser uma estrutura de estrutura de autossustentação ou podem ser colocadas ou em uma estrutura realizada tal como um filme, fibra ou fibra oca ou artigo formatado. A estrutura realizada pode ser construída de qualquer material adequada incluindo, mas sem limitações, metal, cerâmica, polímero, vidro, madeira, material compósito, fibra neutra, pedra e carbono. Em que as de autossustentação, as matrizes são, frequentemente, sob a forma de folha, cilindro, diversas estruturas lobais tais como extrudados trilobais, fibras ocas ou microesferas que podem ser esféricas, oblongas ou forma livre. As matrizes, sejam autossustentadas ou colocadas ou em uma estrutura realizada, preferencialmente, têm a espessura ou dimensão axial menor que cerca de 5, preferencialmente, menor que cerca de 2, aproximadamente, entre cerca de 0,01 a 1 centímetros.

[0117] As matrizes porosas podem ter uma estrutura isotrópica ou, preferencialmente, uma estrutura anisotrópica, sendo que a porção exterior do corte transversal a estrutura mais densa. As cavidades maiores, mesmo se uma estrutura anisotrópica existir, podem ser, relativamente, uniformes em termos de tamanho ao longo do interior da matriz ou do tamanho das cavidades maiores e sua frequência pode variar ao longo do corte transversal do biocatalisador.

[0118] O biocatalisador desta invenção tem cavidades maiores, ou seja, regiões interconectadas abertas entre cerca de 5 ou 10 a 70 ou 100 mícrons na menor dimensão (excluindo quaisquer microrganismos contidos nas mesmas). Para o propósito de apurar as dimensões, as dimensões dos microrganismos incluem qualquer massa na exo-rede. Em diversos casos, as cavidades maiores têm maiores dimensões nominais menores que cerca de 300, preferencialmente, menores que cerca de 200 mícrons e, por vezes, uma menor dimensão de pelo menos cerca de 10 mícrons. Frequentemente, o biocatalisador contém menores canais e cavidades que estão em comunicação aberta com as cavidades maiores. Frequentemente, os canais menores têm um diâmetro de corte transversal máximo entre cerca de 0,5 a 20, por exemplo, 1 a 5 ou 10 mícrons. O volume acumulativo das cavidades maiores, excluindo o volume ocupado pelos microrganismos e a massa associada aos microrganismos, para o volume do biocatalisador é, em geral, na faixa de cerca de 40 ou 50 a 70 ou 99 de porcentagem de volume. Em diversos casos, as cavidades maiores constituem menos que cerca de 70 por cento do volume do catalisador completo, sendo que o restante constitui os canais menores e poros. A fração de volume do biocatalisador que constitui as cavidades maiores pode ser estimada a partir de seu corte transversal. O corte transversal pode ser observado através de qualquer técnica microscópica adequada, por exemplo, microscopia eletrônica de varredura e microscopia óptica de alta potência. O volume de poros total para as matrizes pode ser estimado a partir de medições volumétricas das matrizes e a quantidade e densidade de polímero e quaisquer outros sólidos usados para produzir as matrizes.

[0119] O biocatalisador é caracterizado por ter área de superfícies internas altas, frequentemente, em excesso de pelo menos cerca de 1 e, por vezes, pelo menos cerca de 10, metros quadrados por grama. Em alguns casos, o volume de água que pode ser preso por um biocatalisador completamente hidratado (excluindo o volume dos microrganismos) está na faixa de 90 a 99 ou mais por cento. Preferencialmente, o biocatalisador exibe um Volume de Expansão de Hidratação (HEV) de pelo menos cerca de 1.000, frequentemente, pelo menos cerca de 5.000, preferencialmente, pelo menos cerca de 20.000 e, por vezes, entre 50.000 e 200.000 por cento.

[0120] Normalmente, o tipo de polímero selecionado e o volume vazio por cento das matrizes são de modo que as matrizes tenham forças adequadas para possibilitar o manuseio, armazenamento e uso em um processo de bioconversão.

[0121] As matrizes porosas podem ter ou podem não ter uma pele exterior. Preferencialmente, as matrizes têm uma pele exterior para assistir na modulação de influxo e efluxo de componentes para e a partir do interior dos canais da matriz porosa. Além disso, devido ao fato de que a pele é altamente hidrofílica e o benefício adicional é obtido como contaminantes ou fortuitos, os microrganismos têm dificuldades para estabelecer um biofilme forte no exterior do biocatalisador. Tais microrganismos de contaminação são frequentemente submetidos à remoção sob forças físicas ainda mais baixas tais como através do fluxo de fluido ao redor dos biocatalisadores. Dessa forma, a danificação do biocatalisador pode ser substancialmente eliminada ou amenizada através da lavagem ou através de fluxos de fluido durante o uso.

[0122] Onde estiver presente, a pele, tipicamente, tem poros de um diâmetro médio entre cerca de 1 e 10, preferencialmente, 2 a 7 mícrons de diâmetro médio. Os poros podem compreender cerca de 1 a 30, aproximadamente, 2 a 20 por cento de área de superfície externa. A pele externa, além de fornecer uma barreira contra a entrada de microrganismos fortuitos no interior do biocatalisador é, de modo preferencial, relativamente suave para reduzir a adesão de microrganismos ao lado externo da pele através das forças físicas, tais como fluxo de fluido e contato com outras superfícies sólidas. Frequentemente, a pele é substancialmente desprovida de anomalias, diferentes de poros, maiores que cerca de 2 ou 3 mícrons. Onde uma pele estiver presente, sua espessura é, normalmente, menor que cerca de 50, aproximadamente, entre cerca de 1 e 25 mícrons. Deve-se entender que a espessura da pele pode ser difícil de discernir onde a matriz porosa tem uma estrutura anisotrópica, sendo que a estrutura mais densa está no exterior da matriz.

[0123] As matrizes porosas fornecem uma pluralidade de microambientes e nanoambientes únicos em seus interiores. Tais microambientes e nanoambientes únicos resultam em enzimas ou microrganismos localizados em diferentes regiões no interior do biocatalisador que é submetido a diferentes condições metabólicas. As condições metabólicas podem ser diferentes em um ou mais dentre composição, oxidação ou redução potencial e pH. Por exemplo, a composição pode variar com base do doador de elétron, outros nutrientes, contaminantes, produtos de bioconversão e similares e, assim, podem afetar os processos metabólicos no interior do microrganismo em tal ambiente. Por esse motivo, é possível ter, na mesma matriz, metabolismo aeróbico e anaeróbico e ter bioconversão intensificada de um substrato menos preferencial conforme o substrato mais preferencial é metabolizado. Tal habilidade para ter diversas bioconversões intensificadas pode ocorrer com o uso de uma única cepa de microrganismo ou com o uso de duas ou mais diferentes cepas. Em alguns casos, as diferentes alterações fenotípicas podem ocorrer dependendo do microambiente em que os microrganismos estão localizados.

[0124] Diversos fatores contribuem para a existência de tais microambientes únicos. Por exemplo, os gradientes de concentração são uma força de acionamento principal para o ingresso e egresso de componentes na fase líquida em tais canais. Conforme os microrganismos no biocatalisador bioconvertem os componentes, os gradientes de concentração ocorrem, especialmente, ao longo dos canais que se estendem das cavidades maiores. As alterações na concentração de componentes, portanto, resulta em variações de concentrações de componente no interior do biocatalisador. Em algumas situações, os microrganismos que têm um abastecimento reduzido de doador de elétron ou nutrientes em uma ou mais regiões no interior do biocatalisador podem estar em privação ou próximos da privação, o que pode resultar em alterações fenotípicas que levam à resistência ao estresse. A bioconversão e alterações de gradiente consequentes também afetam a taxa de ingresso e egresso para o exterior do biocatalisador dos componentes.

[0125] Uma alta densidade de microrganismos pode existir em operação de estado estável no interior dos biocatalisadores. A combinação dos canais de fluxo e a alta permeabilidade da estrutura polimérica que define os canais possibilita a população de microrganismos viável ao longo da matriz, ainda que seja com uma pluralidade de microambientes e nanoambientes únicos. Em alguns casos, a densidade de célula com base no volume do biocatalisador é, preferencialmente, pelo menos cerca de 100 gramas por litro, preferencialmente, pelo menos cerca de 200 e, frequentemente, entre cerca de 250 e 750 gramas por litro.

BIOCATALISADORES QUE CONTÊM POLISSACARÍDEOS

[0126] Em um aspecto preferencial do biocatalisador desta invenção, constatou-se que através da incorporação de polissacarídeo no interior do biocatalisador, a viabilidade da população de microrganismos pode ser mantida. Tipicamente, os polissacarídeos não são usáveis pela maioria dos microrganismos. Frequentemente, o polissacarídeo é fornecido em uma quantidade de pelo menos cerca de 0,1, aproximadamente, pelo menos cerca de 0,2 a 100 gramas por grama de células retida no biocatalisador e, por vezes, o biocatalisador contém entre 25 e 500 gramas de polissacarídeo por litro de volume de biocatalisador completamente hidratado. As partículas de polissacarídeo usadas na preparação dos biocatalisadores, preferencialmente, tem uma maior dimensão menor que cerca de 50, preferencialmente, menor que cerca de 20, frequentemente, entre cerca de 0,1 a 5 mícrons. As partículas de polissacarídeo sólidas são, preferencialmente, granulares e, frequentemente, têm uma razão de aspecto de dimensão de corte transversal mínima para dimensão de corte transversal máxima entre cerca de 1:10 a 1:1, aproximadamente 1:2 a 1:1.

[0127] Devido à habilidade de o polissacarídeo manter a viabilidade dos microrganismos no biocatalisador, o armazenamento, manuseio e processos para o uso do biocatalisador podem ser facilitados. Por exemplo, os biocatalisadores podem ser usados nos processos de bioconversão que são operados de uma maneira com deficiência de carbono. Nos processos metabólicos em que a fonte de carbono é adicionada para manter os microrganismos e não usada na bioconversão visada de substrato em bioproduto, tal como no catabolismo de nitrato, nitrito e ânion de percloratos e a redução metabólica de metalatos, o polissacarídeo pode servir como a única fonte de carbono e, assim, eliminar a necessidade de adicionar a fonte de carbono ou o mesmo pode reduzir a quantidade de fonte de carbono adicionada, isto é, possibilitar a operação com deficiência de carbono. Uma vantagem é que os bioprocessos podem ser operados de modo que o efluente não tenha, essencialmente, nenhuma COD. Os biocatalisadores também têm habilidades intensificadas para tolerar as perturbações na presença de substrato e para poderem reaver, rapidamente, a atividade de bioconversão. Além disso, os biocatalisadores podem ser remotamente, manufaturados e enviados para o local de uso sem efeito prejudicial indevido sobre a atividade de bioconversão do biocatalisador. Os biocatalisadores podem entrar em um estado de estase essencial por durações estendidas de tempo na ausência de abastecimento de substrato e outros nutrientes aos compósitos microbianos, atém mesmo onde as excursões nas condições de armazenamento desejadas, tais como a temperatura, ocorrem. A bioatividade pode ser rapidamente reavida em um biorreator, mesmo após ocorrências episódicas estendidas de desligamento, perturbação de matéria-prima ou variabilidade de matéria-prima. Os biocatalisadores podem ser agrupados e enviados em barris e tanques vedados e similares.

[0128] O polissacarídeo pode ser de qualquer fonte adequada, incluindo, mas sem limitações, amidos ou polissacarídeos celulósicos. Os polissacarídeos são carboidratos caracterizados por unidades de repetição ligadas em conjunto por ligações glicosídicas e são, substancialmente, insolúveis em água. Os polissacarídeos podem ser homopolissacarídeos ou heteropolissacarídeos e, tipicamente, têm um grau de polimerização entre cerca de 200 e 15.000 ou mais, preferencialmente, entre cerca de 200 e 5.000. Os polissacarídeos preferenciais são aqueles em que cerca de 10, mais preferencialmente, pelo menos cerca de 20 por cento das unidades de repetição são amilose (unidades de D-glicose). Mais preferencialmente, o polissacarídeo tem pelo menos cerca de 20, mais preferencialmente, pelo menos cerca de 30 por cento das unidades de repetição sendo amilose. Os polissacarídeos podem ser ou podem não ser funcionalizados, por exemplo, com acetato, sulfato, fosfato, acetal de piruvila cíclica e similares, porém, tais funcionalizações não devem produzir o polissacarídeo solúvel em água em temperaturas abaixo de cerca de 50 °C. Uma classe preferencial de polissacarídeos são os amidos.

[0129] As fontes de polissacarídeos incluem polissacarídeos de ocorrência natural e sintéticos (por exemplo, polidextrose). Vários materiais à base de planta que fornecem polissacarídeos incluem, mas sem limitações, materiais de planta amadeirados que fornecem celulose e hemicelulose e trigo, cevada, batata, batata doce, tapioca, milho, maís, cassava, sorgo, centeio e farelos que, tipicamente, fornecem amidos.

BIOCATALISADORES QUE CONTÊM SORVENTE SÓLIDO

[0130] Em um outro aspecto preferencial dos biocatalisadores desta invenção, os biocatalisadores compreendem um sorvente sólido. Os sorvente sólido podem ser o polímero hidrofílico que forma a estrutura ou podem ser um particulado, isto é, uma estrutura sólida distinta, independentemente de formato) contidos na estrutura sólida. O sorvente pode ser qualquer sorvente sólido adequado para o substrato ou nutrientes ou outro produto químico que influencia a atividade metabólica visada, tal como, mas sem limitações, cometabólitos, indutores e promotores ou para os componentes que podem ser adversos aos microrganismos, tais como, mas sem limitações, toxinas, fagos, bioprodutos e subprodutos. O sorvente sólido é, tipicamente, um adsorvente em que a sorção ocorre na superfície do sorvente. Os sorventes sólidos de particulado são, preferencialmente, nanomateriais que têm uma maior dimensão menor que cerca de 5 mícrons, preferencialmente, entre cerca de 5 nanômetros a 3 mícrons. Onde o sorvente sólido for composto por polímero, a estrutura sólida pode ser, essencialmente, composta, inteiramente, por polímero ou pode ser um copolímero em bloco ou mistura polimérica que constitui entre cerca de 5 e 90 em massa por cento da estrutura sólida (excluindo a água). Onde o sorvente sólido for um particulado separado no biocatalisador, o biocatalisador pode compreender entre cerca de 5 a 90 em massa por cento da massa do biocatalisador (excluindo a água e os microrganismos, mas, incluindo tanto o polímero hidrofílico quanto os particulados). Mais de um sorvente sólido podem ser usados em um biocatalisador. Preferencialmente, o sorvente sólido é relativamente dispersado de modo uniforme ao longo do interior do biocatalisador, embora, o sorvente sólido possa ter uma distribuição variável no interior do biocatalisador. Onde a distribuição varia, as regiões com a concentração superior de sorvente sólido, frequentemente, são encontradas em direção à superfície do biocatalisador.

[0131] Onde um sorvente de particulado for usado, o sorvente compreende um material orgânico ou inorgânico que tem a capacidade de sorção visada. Os exemplos de sorventes sólidos incluem, sem limitação, materiais poliméricos, especialmente com porções químicas polares, carbono (incluindo, mas sem limitações, carbono ativado), sílica (incluindo, mas sem limitações, sílica fumada), silicatos, argilas, peneiras moleculares e similares. As peneiras moleculares incluem, mas sem limitações, zeólitos e estruturas cristalinas sintéticas que contêm óxidos e fosfatos de um ou mais dentre silício, alumínio, titânio, cobre, cobalto, vanádio, titânio, cromo, ferro, níquel e similares. As propriedades de sorção podem compreender um ou mais dentre sorção quasi-química ou química ou física sobre a superfície do sorvente sólido. Dessa forma, a área de superfície e a estrutura podem influenciar as propriedades de sorção de alguns sorventes sólidos. Frequentemente, os sorventes sólidos são porosos e, assim, fornecem uma alta área de superfície e capacidades de sorção física. Frequentemente, os poros nos sorventes sólidos têm na faixa de cerca de 0,3 a 2 nanômetros de diâmetro real.

[0132] O sorvente sólido pode estar incorporado na estrutura polimérica de qualquer maneira conveniente, preferencialmente, durante a preparação do biocatalisador.

BIOCATALISADORES FOSFORESCENTES

[0133] Um outro aspecto preferencial da invenção se refere aos biocatalisadores que contêm material fosforescente e microrganismos fotossintéticos, isto é, microrganismos que usam a energia da luz em um processo metabólico. Preferencialmente, o microrganismo é uma alga, mais preferencialmente, uma microalga ou cianobactéria.

[0134] A bioatividade dos microrganismos fotossintéticos pode ser intensificada para produzir bioproduto expresso com o uso de fonte de luz de ampla base, tal como a luz do Sol. De acordo com a invenção, os microrganismos fotossintéticos são irreversivelmente retidos em biocatalisadores em que o interior do biocatalisador contém material fosforescente que pode desviar a luz UV para a luz que tenha um comprimento de onda entre cerca de 400 e 800, preferencialmente, entre cerca de 450 e 650 nm e possa exibir persistência, com a emissão da luz que, frequentemente, dura pelo menos cerca de 5 segundos. Um material fosforescente é um material que tem a habilidade de ser excitado por radiação eletromagnética de modo a alcançar um estado excitado, porém, a energia armazenada é liberada gradualmente. As emissões dos materiais fosforescentes têm persistência, ou seja, as emissões de tais materiais podem durar por segundos, minutos ou, até mesmo, horas após a fonte de excitação ser removida. Um material luminescente é um material que pode emitir radiação eletromagnética após ser excitado de modo a alcançar um estado excitado. A persistência é o tempo que o mesmo leva, após descontinuar a irradiação, para que as emissões fotoluminescentes que emanam de um objeto fotoluminescente diminuírem para a capacidade de detecção do limiar.

[0135] A persistência da radiação possibilita que os microrganismos sejam submetidos a ciclo de modo a entrar e sair de uma região do líquido de cultura exposta à fonte de luz e ainda sejam produtivos. Com durações de persistência mais longas, os microrganismos fotossintéticos podem continuar a fotobioconversão na ausência ou redução da intensidade de luz. A habilidade dos biocatalisadores para manter a atividade fotossintética ao longo de períodos de tempo estendidos, frequentemente, pelo menos cerca de 30 dias e, em alguns casos, durante pelo menos um ano, o custo dos materiais fosforescentes é, frequentemente, desviado pela produção aumentada, área ocupada reduzida do biorreator e recuperação de bioproduto facilitada.

[0136] O biocatalisador, que é altamente hidratado, é um distribuidor significativo de radiação de luz para microrganismos fotossintéticos retidos no interior do biocatalisador e também serve para proteger o microrganismo da fotorrespiração. Os detritos sólidos no líquido de cultura (uma solução aquosa que compreende nutrientes para os processos metabólicos) podem ser materialmente reduzidos, se não essencialmente eliminados, devido ao fato de que os microrganismos são irreversivelmente retidos no biocatalisador. Dessa forma, a turbidez é reduzida e uma determinada intensidade de luz pode, assim, ser encontrada em uma profundidade maior no líquido de cultura. Tais vantagens fornecidas pelos biocatalisadores desta invenção podem ser realizadas em qualquer processo fotossintético independentemente de um material fosforescente ser ou não usado.

[0137] Os exemplos de materiais fosforescentes incluem, mas sem limitações, materiais fosforescentes que são fósforos de sulfeto de metal, tais como ZnCdS:Cu:Al, ZnCdS:Ag:Al, ZnS:Ag:Al, ZnS:Cu:Al conforme descrito na Patente no U.S. 3.595.804 e sulfetos de metal que são coativados com elemento de terra rara tais como aqueles descritos na Patente no U.S. 3.957.678. Os fósforos que têm intensidade luminosa superior e persistência luminosa mais longa que os pigmentos de sulfeto de metal incluem composições que compreendem um material hospedeiro que é, em geral, um aluminato de alcalino-terroso ou um silicato de alcalino-terroso. Os materiais hospedeiros, em geral, compreendem Európio como um ativador e, frequentemente, compreendem um ou mais coativadores, tais como elementos da série Lantanídeo (por exemplo, lantânio, cério, praseodímio, neodímio, samário, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio e lutécio), estanho, manganês, ítrio ou bismuto. Os exemplos de tais fósforos são descritos na Patente n° U.S. 5.424.006.

[0138] Os materiais fosforescentes de alta persistência e intensidade de emissão podem ser óxidos de aluminato de alcalino-terroso que têm formula MOmAl203:Eu2+, R3+ em que m é um número na faixa de 1,6 a cerca de 2,2, M é um metal alcalino-terroso (estrôncio, cálcio ou bário), Eu2+ é um ativador e R é um ou mais coativadores de materiais de terra rara trivalentes da série dos lantanídeos (por exemplo, lantânio, cério, praseodímio, neodímio, samário, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio, lutécio), ítrio ou bismuto. Os exemplos de tais fósforos estão descritos na Patente no U.S. 6.117.362. Os materiais fosforescentes também incluem óxidos de aluminato de alcalino-terroso que têm a formula Mk Al204:2xEu2+, 2yR3+ em que k = 1-2x-2y, x é um número na faixa de cerca de 0,0001 a cerca de 0,05, y é um número na faixa de cerca de x a 3x, M é um metal alcalino-terroso (estrôncio, cálcio ou bário), Eu2+ é um ativador e R é um ou mais coativadores de materiais de terra rara trivalentes (por exemplo, lantânio, cério, praseodímio, neodímio, samário, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio, lutécio), ítrio ou bismuto. Consulte a Patente no U.S. 6.267.911B1.

[0139] Os materiais fosforescentes também incluem aqueles em que uma porção do Al3+ na matriz hospedeira é recolocada com íons bivalentes, tais como Mg2+ou Zn2+ e aqueles em que o íon de metal alcalino- terroso (M2+) é recolocado com um íon de metal alcalino monovalente, tal como Li+, Na+, K+, Cs+ ou Rb+, tal como descrito nos documentos de Patentes nos U.S. 6.117.362 e 6.267.911B1.

[0140] Os silicatos de alta intensidade e alta persistência foram revelados na Patente no U.S. 5.839.718, tais como Sr.BaO.Mg.MO.SiGe:Eu:Ln em que M é berílio, zinco ou cádmio e Ln é escolhido do grupo que consiste nos materiais de terra rara, os elementos do grupo 3A, escândio, titânio, vanádio, cromo, manganês, ítrio, zircônio, nióbio, molibdênio, háfnio, tântalo, tungstênio, índio, tálio, fósforo, arsênico, antimônio, bismuto, estanho e chumbo. O disprósio, neodímio, túlio, estanho, índio e bismuto são especificamente úteis. X em tais compostos é pelo menos um átomo de haleto.

[0141] Outros materiais fosforescentes incluem aluminato de alcalino-terroso de fórmula MO.A1203.B203:R em que M é uma combinação de mais de um metal alcalino-terroso (estrôncio, cálcio ou bário ou combinações dos mesmos) e R é uma combinação de ativador de Eu2+ e pelo menos um coativador de material de terra rara trivalente, (por exemplo, lantânio, cério, praseodímio, neodímio, samário, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio, lutécio), bismuto ou manganês. Os exemplos de tais fósforos podem ser encontrados na Patente no U.S. 5.885.483. Os aluminatos de alcalino terroso do tipo MAl204, que estão descritos na Patente no U.S. 5.424.006, podem, também, encontrar aplicação, assim como os materiais fosforescentes que compreendem um sistema doador e um sistema aceitador, tal como descrito na Patente no U.S. 6.953.536B2.

[0142] Conforme pode ser observado, diversos outros fósforos pode encontrar aplicação. Consulte, por exemplo, Yen e Weber, Inorganic Phosphors: Compositions, Preparation and Optical Properties, CRC Press, 2004.

[0143] O material fosforescente pode ser uma partícula distinta ou pode ser uma partícula que tem um revestimento para facilitar a incorporação e retenção no polímero que forma a matriz. As partículas podem ser de qualquer formato adequado. Em geral, a dimensão máxima das partículas é menor que cerca de 1 milímetros, preferencialmente, menor que cerca de 0,1 milímetro. As partículas podem ser nanopartículas.

[0144] O tempo de persistência exibido pelos materiais fosforescentes pode estar na faixa de uma curta duração, por exemplo, cerca de 5 a 10 segundos, a até 10 ou 20 horas ou mais e será dependente do material fosforescente usado. Os materiais fosforescentes preferenciais exibem uma persistência de pelo menos cerca de um minuto. A intensidade da radiação emitida será, em parte, depende da concentração do material fosforescente no biocatalisador e da natureza do material fosforescente. Tipicamente, o material fosforescente é fornecido em uma quantidade de pelo menos cerca de 0,1, aproximadamente, entre 0,2 e 5 ou 10, em massa, por cento do polímero (não hidratado) no biocatalisador. Um ou mais materiais fosforescentes podem ser usados no biocatalisador. Onde mais de um material fosforescente são usados, a combinação pode ser selecionada para fornecer um ou mais dentre desvio de onda de diferentes comprimentos de onda de luz contidos na largura de banda da fonte de radiação e fornecer diferentes tempos de persistência. Em realizações preferenciais, os materiais fosforescentes estão sob a forma de nanopartículas, por exemplo, que têm uma maior dimensão entre cerca de 10 nm e 10 μm. Em alguns casos, pode ser desejado revestir os materiais fosforescentes com um agente compatibilizante para facilitar a incorporação do material fosforescente no interior do polímero. Os agentes compatibilizantes incluem, mas sem limitações, moléculas que têm um ou mais dentre grupos de hidroxila, tiol, silila, carboxila ou fosforila.

BIOCATALISADORES QUE CONTÊM ENZIMAS

[0145] Em um outro aspecto, os biocatalisadores podem conter, além dos microrganismos, uma ou mais enzimas isoladas no interior do biocatalisador para gerar uma alteração catalítica em um componente que pode ser substrato ou outros nutrientes ou um bioproduto ou subproduto ou coproduto dos microrganismos ou pode ser uma toxina, fago ou similares. Tipicamente, as enzimas extracelulares se ligam ou aderem às superfícies sólidas, tais como o polímero hidrofílico, sólidos aditivos, paredes de célula e substância polimérica extracelular. Entende-se que as enzimas isoladas podem, também, estar localizadas no interior da célula de um microrganismo. Por esse motivo, as enzimas podem estar retidas de modo substancialmente irreversível no interior do biocatalisador. Devido à estrutura dos biocatalisadores desta invenção, os microrganismos e as enzimas podem estar muito próximos e, assim, as bioconversões cooperativas eficazes podem ser obtidas. A associação das enzimas às superfícies interiores do biocatalisador, tipicamente, aumenta a resistência da enzima ou enzimas quanto à desnaturação devido às alterações na temperatura, pH, ou outros fatores relacionados à estabilidade térmica ou operacional das enzimas. Além disso, através da retenção no biocatalisador, o uso da enzima em um biorreator é facilitado e as pós-reações indesejáveis podem ser amenizadas.

[0146] Os exemplos de enzimas incluem, mas sem limitações, uma ou mais das oxidorredutases, transferases, hidrolases, liases, isomerases e ligases. As enzimas podem fazer com que um ou mais conversões metabólicas. Por exemplo, uma enzima pode metabolizar um componente na alimentação para fornecer um intermediário para o uso pelos microrganismos no biocatalisador. Uma enzima pode ser usada para metabolizar um metabólito do microrganismo para fornecer um bioproduto visado. Uma enzima pode ser usada para metabolizar um componente no alimento ou um cometabólito do microrganismo que pode ser adverso ao microrganismo em um metabólito que é menos adverso ao microrganismo. Se for desejado, duas ou mais enzimas diferentes podem ser usadas para realizar uma série de conversões metabólicas em um componente no alimento ou um metabólito do microrganismo.

[0147] As enzimas representativas incluem, sem limitação: celulase, celobiohidrolase (por exemplo, CBHI, CBHII), desidrogenase de álcool (A, B e C), desidrogenase de acetaldeído, amilase, alfa amilase, gluamilase, beta glucanase, beta glucosidase, invertase, endoglucanase (por exemplo, EGI, EGII, EGIII), lactase, hemicelulase, pectinase, hidrogenase, pulalanase, fitase, uma hidrolase, uma lipase, polissacarase, ligninase, Accellerase® 1000, Accellerase® 1500, Accellerase® DUET, Accellerase® TRIO, ou enzimas CTec2 célicas, isomerase de fosfoglicose, inositol- 1-fosfato sintase, inositol monofosfatase, mio-inositol desidrogenase, mio-inosose-2- desidratase, inositol 2-desidrogenase, isomerase de desoxi-D-gluconato, cianase, 5-desidro-2-desoxigluconocinase, aldolase de desoxifofigluconato, desidrogenase de ácido 3-hidróxi, isomerase, topoisomerase, desidratase, desidrogenase de monossacarídeo, aldolase, fosfatase, uma protease, DNase, liase de alginato, laminarinase, endoglucanase, desidrogenase de L-butanodiol, redutase de acetoína, desidrogenase de acil-CoA 3-hdroxila, ou descarboxilase de cis-aconitato. As enzimas incluem aquelas descritas por Heinzelman et al. (2009) PNAS 106: 5.610 a 5.615, ora incorporadas a título de referência em sua totalidade.

[0148] As enzimas podem ser ligadas ao precursor para o polímero hidrofílico do biocatalisador antes da formação do biocatalisador ou podem ser introduzidas durante a preparação do biocatalisador, por exemplo, através da adição ao meio líquido para formar o biocatalisador. Existem diversos métodos que são conhecidos por um elemento versado na técnica para fornecer enzimas ou fragmentos das mesmas, ou ácidos nucleicos em um suporte sólido. Alguns exemplos de tais métodos incluem, por exemplo, geração de gotícula eletrostática, meios eletroquímicos, através de adsorção, através de ligação covalente, através de reticulação, através de uma reação química ou processo químico. Vários métodos estão descritos em Methods in Enzymology, Immobilized Enzymes and Cells, parte C. 1987. Academic Press. Editado por S. P. Colowick e N. O. Kaplan. Volume 136; Immobilization of Enzymes and Cells. 1997. Humana Press. Editado por G. F. Bickerstaff. Series: Methods in Biotechnology, Editado por J. M. Walker; DiCosimo, R., McAuliffe, J., Poulose, A.J. Bohlmann, G. 2012. Industrial use of immobilized enzymes. Chem. Soc. Rev.; e Immobilized Enzymes: Methods and Applications. Wilhelm Tischer e Frank Wedekind, Topics in Current Chemistry, Volume 200. Páginas 95 a 126.

C. MÉTODOS PARA PRODUZIR BIOCATALISADORES

[0149] Os componentes, que inclui microrganismos, usados para produzir os biocatalisadores e as condições do processo usadas para a preparação dos biocatalisadores não são críticos para os aspectos gerais dessa invenção e podem variar amplamente, conforme é bem entendido na técnica, uma vez que se entende dos princípios de reter de maneira metabólica os microrganismos descritos acima. Em qualquer evento, os componentes e as condições do processo para produzir os biocatalisadores com os microrganismos retidos de maneira metabolicamente irreversível não deveriam afetar de maneira indevidamente adversa os microrganismos.

[0150] Os biocatalisadores podem ser preparados a partir de um meio líquido que contém o microrganismo e precursor solubilizado para o polímero hidrofílico, o qual pode ser um ou mais dentre um componente polimerizável ou solidificável ou um sólido que é fundível ou ligável para formar a matriz. Os meios aquosos são usados, na maioria dos casos, devido à compatibilidade da maioria dos microrganismos e enzimas com água. Contudo, com os microrganismos que toleram outros líquidos, tais líquidos podem ser usados para produzir toda ou uma porção do meio líquido. Os exemplos de tais outros líquidos incluem, porém sem limitação, hidrocarbonetos líquidos, líquidos peroxigenados, compostos contendo carbóxi líquido, e similares. Os meios líquidos misturados também podem ser usados para preparar o biocatalisador. Os meios misturados podem compreender fases líquidas miscíveis ou imiscíveis. Por exemplo, o microrganismo pode ser suspenso em uma fase aquosa dispersa e o componente polimerizável ou solidificável pode ser contido em uma fase de solvente contínua.

[0151] O meio líquido usado para preparar o biocatalisador pode conter mais que um tipo de microrganismo, especialmente, em que os microrganismos não competem de maneira significante pelo mesmo substrato, e podem conter uma ou mais enzimas isoladas ou aditivos funcionais, tais como polissacarídeo, sorvente sólido e materiais fosforescentes, conforme descrito acima. Preferencialmente, os biocatalisadores contêm um único tipo de microrganismo. A concentração dos microrganismos no meio líquido usado para produzir os biocatalisadores deveria ser pelo menos de cerca de 60 gramas por litro. Conforme discutido acima, a concentração de microrganismos deveria, de preferência, se aproximar da densidade desejada de microrganismos no biocatalisador. As quantidades relativas de microrganismo e material polimérico na formação do biocatalisador podem variar amplamente. O crescimento da população de microrganismos após a formação do biocatalisador é contemplada, assim como o potencial para o dano para alguma população de microrganismos durante o processo de formação de biocatalisador. No entanto, as concentrações maiores de microrganismo são geralmente preferidas, por exemplo, pelo menos cerca de 100 gramas por litro, de preferência, pelo menos cerca de 200, e muitas vezes entre cerca de 250 e 750, gramas por litro do meio líquido usado para produzir os biocatalisadores.

[0152] Qualquer processo adequado pode ser usado para solidificar ou polimerizar o material polimérico ou para aderir ou fundir partículas para formar a matriz polimérica porosa aberta com microrganismo retido de modo irreversível na mesma. As condições de processos adequados não deveriam afetar de maneira indevidamente adversa os microrganismos. À medida que os microrganismos se diferem em tolerância a temperaturas, pressões e na presença de outros produtos químicos, alguns processos de formação de matriz podem ser mais vantajosos para um tipo de microrganismo que para outro tipo de microrganismo.

[0153] Preferencialmente, a matriz polimérica é formada a partir da solidificação de um material de alto peso molecular, através da polimerização ou através da reticulação de pré-polímero de uma maneira que uma população de microrganismos seja fornecida no interior do biocatalisador, à medida que o mesmo é formado. Os processos exemplificativos incluem polimerização de solução, polimerização de calda (caracterizada por ter duas ou mais fases iniciais) e solidificação através de resfriamento ou remoção de solvente.

[0154] Os biocatalisadores podem ser formados in situ no meio líquido submetendo-se o meio a condições de solidificação (tais como, resfriamento ou evaporação) ou adicionando-se um componente para fazer com que uma polimerização, reticulação ou aglomeração de sólidos ocorra para formar uma estrutura solida, tal como um catalisador, agente de reticulação ou agente de coagulação. Alternativamente, o meio líquido pode ser extrudado em uma solução que contém um agente de solidificação, tal como um catalisador, reticulação ou agente de coagulação ou revestido sobre um substrato e, então, o compósito submetido às condições para formar o biocatalisador sólido.

[0155] Os materiais poliméricos usados para produzir os biocatalisadores podem ter uma estrutura principal orgânica ou inorgânica, mas têm porções hidrofílicas suficientes para fornecer um polímero altamente hidrofílico que, quando incorporado nas matrizes, exibe propriedades de absorção de água suficientes para fornecer o volume de expansão de hidratação desejado do biocatalisador. Os materiais poliméricos também são destinados a incluir substâncias de alto peso molecular, tais como ceras (se preparadas ou não através de um processo de polimerização), oligômeros, e similares, contanto que formem biocatalisadores que permanecem sólidos sob as condições do processo de bioconversão destinado para seu uso e têm propriedades hidrofílicas suficientes que o volume de expansão de hidratação pode ser alcançado. Conforme declarado acima, não é essencial que os materiais poliméricos se tornem reticulados ou adicionalmente polimerizados na formação da matriz polimérica.

[0156] Os exemplos de materiais poliméricos incluem homopolímeros e copolímeros que podem ou não serem reticulados e incluem polímeros de condensação e adição que fornecem alta capacidade hidrofílica e possibilitam que os volumes de expansão de hidratação sejam obtidos. O polímero pode ser um homopolímero ou um copolímero, ou seja, de uma porção hidrofílica e uma porção mais hidrofóbica. O peso molecular e a distribuição de peso molecular são selecionados, de preferência, para fornecer a combinação de capacidade hidrofílica e resistência, conforme é conhecido na técnica. Os polímeros podem ser funcionalizados com porções hidrofílicas para intensificar a capacidade hidrofílica. Os exemplos de porções hidrofílicas incluem, porém sem limitação, hidroxila, alcoxila, acila, carboxila, amido e oxiânions de um ou mais dentre titânio, molibdênio, fósforo, enxofre e nitrogênio, tal como fosfatos, fosfonatos, sulfatos, sulfonatos e nitratos, e as porções hidrofílicas podem ser adicionalmente substituídas por porções hidrofílicas, tais como hidroxialcóxidos, acetilacetonato, e similares. Tipicamente, os polímeros contêm grupos carbonila e hidroxila, especialmente, em algumas porções hidrofílicas adjacentes, tais como porções glicol. Em alguns casos, a estrutura principal do polímero contém éter oxigênios para intensificar a capacidade hidrofílica. Em alguns casos, a razão atômica entre oxigênio e carbono no polímero é entre cerca de 0,3:1 a 5: 1.

[0157] Os polímeros que podem encontrar uso na formação das matrizes incluem poliacrilamidas funcionalizadas ou não funcionalizadas, álcoois polivinílicos, poliéter cetonas, poliuretanos, policarbonatos, polissulfonas, polissulfetos, polissilicones, polímeros olefínicos, tais como polietileno, polipropileno, polibutadieno, borrachas e poliestireno, náilons, politiloxaziolina, polietileno glicol, polissacarídeos, tais como alginato de sódio, carragenina, ágar, ácido hialurônico, sulfato de condroitina, dextrano, sulfato de dextrano, heparina, sulfato de heparina, sulfato de heparan, chitosan, goma gelan, goma xantana, goma guar, derivados de celulose solúveis em água e carragenina, e proteínas, tais como gelatina, colágeno e albumina, os quais podem ser polímeros, pré-polímeros ou oligômeros, e polímeros e copolímeros a partir dos seguintes monômeros, oligômeros e pré-polímeros: monometacrilatos, tais como polietileno glicol monometacrilato, polipropileno glicol monometacrilato, polipropileno glicol monometacrilato, metoxidietileno glicol metacrilato, metoxipolietileno glicol metacrilato, metacriloiloxietil hidrogênio ftalato, metacriloiloxietil hidrogênio succinato, metacrilato de 3-cloro- 2-hidroxipropila, metacrilato de estearila, 2-hidroxi metacrilato e metacrilato de etila; monoacrilatos, tais como 2 -hidróxi etil acrilato, 2-hidroxipropil acrilato, isobutil acrilato, t-butil acrilato, isooctil acrilato, lauril acrilato, estearil acrilato, isobornil acrilato, ciclohexil acrilato, metoxitrietileno glicol acrilato, 2-etoxietil acrilato, tetraidrofurfuril acrilato, fenoxietil acrilato, nonilfenoxipolietileno glicol acrilato, nonilfenoxipolipropileno glicol acrilato, acrilato modificado com silício, polipropileno glicol monoacrilato, fenoxietil acrilato, fenoxidietileno glicol acrilato, fenoxipolietileno glicol acrilato, metoxipolietileno glicol acrilato, acriloiloxietil hidrogênio succinato e lauril acrilato; dimetacrilatos, tais como 1,3-butileno glicol dimetacrilato, 1,4- butanodiol dimetacrilato, etileno glicol dimetacrilato, dietileno glicol dimetacrilato, trietileno glicol dimetacrilato, polietileno glicol dimetacrilato, butileno glicol dimetacrilato, hexanodiol dimetacrilato, neopentil glicol dimetacrilato, polipreno glicol dimetacrilato, 2-hidróxi-1,3-dimetacriloxipropano, 2,2-bis-4-metacriloxietoxifenilpropano, 3 ,2-bis-4-metacriloxidietoxifenilpropano e 2,2-bis-4-metacriloxipolietoxifenilpropano; diacrilatos, tais como neopentil glicol diacrilato etoxilado, polietileno glicol diacrilato, 1 ,6-hexanodiol diacrilato, neopentil glicol diacrilato, tripropileno glicol diacrilato, polipropileno glicol diacrilato, 2,2-bis-4- acriloxietoxifenilpropano, 2-hidróxi-1-acriloxi-3-metacriloxipropano; trimetacrilatos, tais como trimetilolpropano trimetacrilato; triacrilatos, tais como trimetilolpropano triacrilato, pentaeritritol triacrilato, trimetilolpropano triacrilato EO-adicionado, glicerol triacrilato PO-adicionado, e trimetilolpropano triacrilato etoxilado; tetracrilatos, tais como pentaeritritol tetracrilato, pentaeritritol tetracrilato etoxilado, pentaeritritol tetracrilato propoxilado e ditrimetilolpropano tetracrilato; acrilatos de uretano, tais como acrilato de uretano, dimetil acrilato de uretano e trimetil acrilato de uretano; porções contendo amino, tais como 2-aminoetil acrilato, 2- aminoetil metacrilato, aminoetil metacrilato, dimetil aminoetil metacrilato, monometil aminoetil metacrilato, t-butilaminoetilmetacrilato, p-aminoestireno, o- aminoestireno, 2-amino- 4-viniltolueno, dimetilaminoetil acrilato, dietilaminoetil acrilato, piperidinoetil etil acrilato, piperidinoetil metacrilato, morfolinoetil acrilato, morfolinoetil metacrilato, 2-vinil piridina, 3-vinil piridina, 2-etil-5-vinil piridina, dimetilaminopropiletil acrilato, dimetilaminopropiletil metacrilato, 2- vinil pirrolidona, 3-vinil pirrolidona, dimetilaminoetil vinil éter, dimetilaminoetil vinil sulfeto, dietilaminoetil vinil éter, 2-pirrolidinoetil acrilato, 2- pirrolidinoetil metacrilato, e outros monômeros, tais como acrilamida, ácido acrílico e dimetilacrilamida.

[0158] Nem todos os polímeros relacionados acima serão úteis por si próprios, mas pode ser exigido que sejam funcionalizados ou usados para formar um copolímero com um polímero altamente hidrofílico.

[0159] Os agentes de reticulação, aceleradores, catalisadores de polimerização e outros aditivos de polimerização podem ser empregados, tais como trietanolamina, trietilamina, etanolamina, N- metil dietanolamina, N,N- dimetil benzilamina, dibenzil amino, N-benzil etanolamina, N-isopropil benzilamino, tetrametil etilenodiamina, perssulfato de potássio, tetrametil etilenodiamina, lisina, ornitina, histidina, arginina, N- vinil pirrolidinona, 2-vinil piridina, 1 -vinil imidazol, 9-vinil carbazona, ácido acrílico e 2- alil-2-metil-1,3- ciclopentano diona. Para copolímeros e polímeros de álcool polivinílico, ácido bórico e ácido fosfórico podem ser usados na preparação de matrizes poliméricas. Conforme declarado acima, a quantidade de agente de reticulação pode precisar ser limitada para assegurar que as matrizes retenham alta capacidade hidrofílica e a capacidade para ter um alto volume de expansão de hidratação. A seleção do polímero, agentes de reticulação e outros aditivos para produzir matrizes porosas, que têm as propriedades físicas apresentadas acima, está dentro do nível do versado na técnica de síntese de polímero altamente hidrofílico e solúvel em água.

[0160] Os biocatalisadores podem ser formados na presença de outros aditivos que podem servir para intensificar a integridade estrutural ou fornecer uma atividade benéfica para o microrganismo, tal como atrair ou sequestrar componentes, fornecer nutrientes, e similares. Os aditivos também podem ser usados para fornecer, por exemplo, uma densidade adequada para ser suspenso no meio aquoso em vez de tender a flutuar ou afundar no caldo. Os aditivos típicos incluem, porém sem limitação, amido, glicogênio, celulose, lignina, quitina, colágeno, queratina, argila, alumina, aluminossilicatos, sílica, fosfato de alumínio, terra diatomácea, carbono, polímero, polissacarídeo, e similares. Esses aditivos podem ser na forma de sólidos quando as matrizes poliméricas são formadas, e sendo assim, se situam muitas vezes na faixa de cerca de 0,01 a 100 mícrons na dimensão maior.

[0161] Se desejado, os microrganismos podem ser submetidos à tensão, conforme é conhecido na técnica. A tensão pode ser um ou mais dentre condições físicas, químicas ou inanição. As tensões químicas incluem toxinas, agentes antimicrobianos e concentrações inibidoras de compostos. As tensões físicas incluem intensidade de luz, luz UV, temperatura, agitação mecânica, pressão ou compressão, e dessecação ou pressão osmótica. A tensão pode produzir reações biológicas reguladas que protegem os microrganismos do choque e a tensão pode permitir que os microrganismos mais fortes sobrevivam, enquanto as células mais fracas morrem.

MICRORGANISMOS

[0162] Os microrganismos podem ser unicelulares ou podem ser multicelular que se comporta como um microrganismo de célula única, tal como microrganismos de crescimento filamentoso e microrganismos de crescimento por gemulação. Muitas vezes as células de microrganismos multicelulares têm a capacidade para existir de maneira singular. Os microrganismos podem ser de qualquer tipo, que incluem, porém sem limitação, aqueles microrganismos que são aeróbios, anaeróbios, anaeróbios facultativos, heterótrofos, autótrofos, foto-autótrofos, foto-heterótrofos, quimio-autótrofos e/ou quimio-heterótrofos. A atividade celular, que inclui crescimento celular, pode ser aeróbica, microaerofílica ou anaeróbica. As células podem ser em qualquer fase de crescimento, que inclui latência (ou condução), exponencial, transição, estacionária, morte, dormente, vegetativa, esporulação, etc. Os um ou mais microrganismos podem ser um psicrófilo (crescimento ideal a -10 °C a 25 °C), um mesófilo (crescimento ideal a 20 a 50 °C), um termófilo (crescimento ideal a 45 °C a 80 °C) ou um hipertermófilo (crescimento ideal a 80 °C a 100 °C). Os um ou mais microrganismos podem ser uma bactéria gram-negativa ou gram- positiva. Uma bactéria pode ser um coco (esférico), bacilo (semelhante a bastão) ou espirilo (em formato em espiral; por exemplo, bactérias vibrios ou comma). Os microrganismos podem ser fenotipicamente e genotipicamente diversos.

[0163] Os microrganismos podem ser um microrganismo do tipo selvagem (de ocorrência natural) ou um microrganismo recombinante (que inclui, porém sem limitação, microrganismos geneticamente modificados). Um microrganismo recombinante pode compreender uma ou mais sequências de ácidos nucleicos heterólogas (por exemplo, genes). Um ou mais genes podem ser introduzidos em um microrganismo usado nos métodos, composições ou kits descritos no presente documento, por exemplo, por recombinação homóloga. Um ou mais genes podem ser introduzidos em um microrganismo com, por exemplo, um vetor. Os um ou mais microrganismos podem compreender um ou mais vetores. Um vetor pode ser um vetor de replicação de maneira autônoma, isto é, um vetor que existe como uma entidade extracromossômica, cuja replicação é independente da replicação cromossômica, por exemplo, um plasmídio circular fechado ou linear, um elemento extracromossômico, um minicromossomo, ou um cromossomo artificial. O vetor pode conter um meio para autorreplicação. O vetor pode, quando introduzido em uma célula hospedeira, integrar no genoma da célula hospedeira e replicar em conjunto com os um ou mais cromossomos nos quais o mesmo tem sido integrado. Tal vetor pode compreender sequências específicas que podem permitir a recombinação em um sítio desejado particular do cromossomo hospedeiro. Um sistema de vetor pode compreender um único vetor ou plasmídio, dois ou mais vetores ou plasmídios, os quais em conjunto contêm o DNA total a ser introduzido no genoma da célula hospedeira, ou um transpóson. A escolha do vetor dependerá tipicamente da compatibilidade do vetor com a célula hospedeira na qual o vetor deve ser introduzido. O vetor pode incluir um gene repórter, tal como uma proteína verde fluorescente (GFP), a qual pode ser fundida em estrutura a um ou mais dentre os polipeptídeos codificados, ou expressa de maneira separada. O vetor também pode incluir um marcador de seleção, tal como um gene de resistência a antibiótico que pode ser usado para a seleção de transformantes adequados. Os meios para manipular geneticamente os organismos são descritos, por exemplo, em Current Protocols in Molecular Biology, última atualização em 25 de julho de 2011, Wiley, Print ISSN: 1934 a 3639. Em algumas modalidades, um ou mais genes envolvidos na formação de subproduto são deletados em um microrganismo. Em algumas modalidades, um ou mais genes envolvidos na formação de subproduto não são deletados. O ácido nucleico introduzido em um microrganismo pode ser otimizado por códon para o microrganismo. Um gene pode ser modificado (por exemplo, sofrer mutação) para aumentar a atividade do produto de gene resultante (por exemplo, enzima). As propriedades desejadas em microrganismos do tipo selvagem ou geneticamente modificados muitas vezes podem ser intensificadas através de um processo de modificação natural, ou processo de autoengenharia, que envolve coleta seletiva de multigerações para se obter aprimoramentos de cepa, tais como microrganismos que exibem propriedades intensificadas, tais como robustez em um ambiente ou bioatividade. Consulte, por exemplo, Ben- Jacob, et al., Self-engineering capabilities of bacteria, J. R. Soc. Interface 2006, 3, doi: 10.1098/rsif.2005.0089, 22 de fevereiro de 2006.

[0164] O microrganismo selecionado a ser usado em um biocatalisador pode ser alvejado em relação à atividade desejada. Os biocatalisadores, desse modo, contêm muitas vezes tipos de cepas substancialmente puros de microrganismos e, devido ao alvejamento, possibilitam que a alta bioatividade seja alcançada e fornecem uma população estável do microrganismo no biocatalisador.

[0165] Os microrganismos representativos para produzir biocatalisadores dessa invenção incluem, sem limitação, aqueles apresentados no pedido de patente publicado nos. U.S. 2011/0072714, especialmente, parágrafo 0122; 2010/0279354, especialmente, parágrafos 0083 a 0089; 2011/0185017, especialmente, parágrafo 0046; 2009/0155873; especialmente, parágrafo 0093; e 20060063217, especialmente parágrafos 0030 e 0031, e aqueles apresentados no Anexo A nesse documento.

[0166] Os microrganismos fotossintéticos incluem bactérias, algas e bolores que têm atividade biocatalítica ativada por radiação de luz. Os exemplos de microrganismos fotossintéticos para a produção de composto orgânico oxigenado superior incluem, porém sem limitação, alga, tais como cepas de Bacillariophyceae, Chlorophyceae, Cyanophyceae, Xanthophyceaei, Chrysophyceae, Chlorella (por exemplo, Chlorella protothecoides), Crypthecodinium, Schizocytrium, Nannocloropsis, Ulkenia, Dunaliella, Cyclotella, Navicala, Nitzschia, Cyclotella, Phaeodactylum e Thaustochytrids; leveduras, tais como cepas de Rhodotorula, Saccharomyces e Apiotrichum; e espécies de fungos, tais como a cepa de Mortierella. As algas, cianobactérias fotoautotróficas geneticamente otimizadas e outros organismos fotoautotróficos têm sido adaptados para bioconverter carboidratos internos para o microrganismo diretamente em etanol, butanol, pentanol e outros álcoois superiores e outros biocombustíveis. Por exemplo, as cianobactérias geneticamente modificadas que têm construtos que compreendem fragmentos de DNA que codificam enzimas piruvato decarboxilase (pdc) e álcool desidrogenase (adh) são descritas na patente no. U.S. 6.699.696. As cianobactérias são bactérias fotossintéticas que usam luz, elementos inorgânicos, água e uma fonte de carbono, geralmente dióxido de carbono, para metabolizar e crescer. A produção de etanol com o uso de cianobactérias geneticamente modificadas também tem sido descrita no pedido de patente publicado PCT no. WO 2007/084477.

[0167] Os exemplos seguintes são fornecidos como ilustração dos biocatalisadores e processos para produzir os biocatalisadores e não como limitação. Todas as partes e porcentagens de sólidos são em massa e de líquidos e gases são em volume, exceto onde indicado em contrário ou for claro a partir do contexto.

[0168] Nesses exemplos, o procedimento geral seguinte é usado. Os microrganismos para o biocatalisador são desenvolvidos sob as condições planctônicas adequadas em um meio aquoso para os microrganismos, que inclui a presença de nutrientes e micronutrientes. Esse meio é mencionado no presente documento como o "Meio de cultura". Os microrganismos usados são conforme disponível e, desse modo, podem ser cepas substancialmente puras ou culturas mistas. A densidade de célula no Meio de cultura é determinada por densidade óptica. Se a densidade de célula do Meio de cultura for abaixo que desejado para produzir o biocatalisador, o Meio de cultura é centrifugado ou filtrado para fornecer uma fração contendo célula mais densa. Uma solução aquosa preparada separadamente de precursor solubilizado é produzida (mencionada no presente documento como a "Solução de polímero"). Qualquer aditivo sólido para os biocatalisadores é adicionado à Solução de polímero em quantidades que irão fornecer a quantidade desejada no biocatalisador. A Solução de polímero é misturada com um agitador mecânico para assegurar a dispersão uniforme dos componentes no meio aquoso. Onde necessário solubilizar o precursor, a Solução de polímero pode ser aquecida conforme adequado. Em alguns casos, uma solução de micronutriente também é adicionada à Solução de polímero.

[0169] As alíquotas de cada um dentre o Meio de cultura (oi fase densa a partir da centrifugação) e a Solução de polímero são misturadas sob agitação mecânica a cerca de 30 °C até para uma Solução de precursor. Onde o microrganismo é anaeróbico, o Meio de cultura e a mistura do Meio de cultura e Solução de polímero e todas as etapas subsequentes são mantidas sob condições anaeróbicas purgando-se com nitrogênio.

[0170] A Solução de precursor é, então, extrudada através de uma placa perfurada que tem orifícios de cerca de 0,75 milímetros de diâmetro para formar gotículas de cerca de 3 milímetros de diâmetro. As gotículas caem em um banho coagulante delicadamente agitado de uma solução aquosa de ácido bórico que tem um pH de cerca de 5. O biocatalisador é recuperado a partir do banho coagulante e lavado com água destilada. O biocatalisador, após a lavagem, é colocado em um meio líquido que contém micronutrientes e o substrato sob condições metabólicas adequadas para os microrganismos.

[0171] A Tabela I resume os exemplos. A Tabela II apresenta os microrganismos usados nos exemplos. A Tabela III apresenta o(s) polímero(s) hidrofílico(s) que são usados nos exemplos. A Tabela IV apresenta os agrupamentos de aditivo sólido usados nos exemplos.TABELA I

TABELA II

TABELA III

TABELA IV

[0172] Cada um dos biocatalisadores acima exibe alterações fenotípicas e os biocatalisadores têm uma população estável de microrganismos e não geram quaisquer detritos notáveis a partir da atividade metabólica.

BIOCONVERSÕES A. VISÃO GERAL

[0173] Conforme descrito acima, os biocatalisadores dessa invenção podem ser usados para uma ampla faixa de processos de bioconversão anabólica e catabólica. Os substratos podem ser um ou mais dentre normalmente um gás, líquido ou sólido. Os substratos têm, de preferência, capacidade para serem dissolvidos no meio aquoso para o contato com o biocatalisador, embora os biocatalisadores dessa invenção possam encontrar aplicação vantajosa em processos em que o substrato tem pouco, se houver, solubilidade em água, especialmente, em processos metabólicos de fase gasosa possibilitados pelos biocatalisadores dessa invenção. Nos aspectos amplos, os processos dessa invenção pertencem à bioconversão de substrato em bioproduto, tais processos compreendem (a) colocar o substrato em contato com o biocatalisador dessa invenção, e (b) manter o biocatalisador sob condições metabólicas durante um tempo suficiente para bioconverter pelo menos uma porção do substrato no dito bioproduto. Usualmente, o bioproduto é recuperado; contudo, em alguns aspectos dessa invenção, o bioproduto pode ser propositalmente um produto químico que é capaz de ser sequestrado no biocatalisador, por exemplo, em que remove compostos de metal solúvel da água.

[0174] Os substratos podem ser substâncias naturais ou xenobióticas em um organismo (planta ou animal) ou podem ser obtidas a partir de outras fontes. Por conseguinte, os substratos incluem, porém sem limitação, aqueles que podem ser, ou podem ser derivados a partir de, planta, animal ou fontes de combustível fóssil, ou podem ser produzidos por um processo químico ou industrial. Os biocatalisadores também podem ser aplicáveis a operações de limpeza de água residual ou suprimento de água em que o substrato é um ou mais contaminantes. Os biocatalisadores geram metabólitos como resultado da atividade anabólica ou catabólica e os metabólitos podem ser metabólitos primários ou secundários. Os processos dessa invenção podem ser usados para produzir qualquer tipo de metabólito anabólico.

[0175] Os bioprodutos podem ser produtos de degradação, especialmente onde os contaminantes estão sendo removidos de um fluido, tal como para o tratamento de água residual ou suprimento de água. Tais bioprodutos de degradação incluem, porém sem limitação, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, sulfeto de carbonila, sulfeto de hidrogênio, água, e sais, tais como carbonato, bicarbonato, sulfeto, sulfito, sulfato, fosfato, fosfito, cloreto, brometo, iodeto, e sais de borato de amônio, ou metais do grupo 1 a 16 (IUPAC), tais como sódio, potássio, manganês, magnésio, cálcio, bário, ferro, cobre, cobalto, estanho, selênio, rádio, urânio, bismuto, cádmio, mercúrio, molibdênio e tungstênio.

[0176] Os bioprodutos podem ser um ou mais dentre compostos alifáticos e compostos aromáticos que incluem, porém sem limitação, hidrocarbonetos de até 44 ou 50 carbonos, e hidrocarbonetos substituídos por um ou mais dentre porções hidroxila, acila, carboxila, amina, amida, halo, nitro, sulfonila e fosfino, e hidrocarbonetos que contêm um ou mais heteroátomos que incluem, porém sem limitação, átomos de nitrogênio, enxofre, oxigênio e fósforo. Os exemplos de produtos orgânicos como produtos finais a partir de processos metabólicos são aqueles relacionados no pedido de patente publicado no. U.S. 2010/0279354 Al, especialmente conforme apresentado nos parágrafos 0129 a 0149. Consulte também o pedido de patente publicado no. U.S. 2011/0165639 Al. Outros bioprodutos incluem p-toluato, tereftalato, ácido tereftálico, anilina, putrescina, ciclohexanona, adipato, hexametilenodiamina (HMDA), ácido 6-aminocaproico, malato, acrilato, ácido apidípico, ácido metacrílico, ácido 3-hidroxipropiônico (3HP), succinato, butadieno, propileno, caprolactama, álcoois graxos, ácidos graxos, gliceratos, ácido acrílico, ésteres de acrilato, ácido metacrílico, ácidos metacrílicos, fucoidan, muconato, iodina, clorofila, carotenoide, cálcio, magnésio, ferro, sódio, potássio e fosfato. O bioproduto pode ser um produto químico que fornece uma atividade biológica em relação a uma planta, animal ou ser humano. A atividade biológica pode ser uma ou mais dentre uma série de diferentes atividades, tais como antiviral, antibiótica, depressiva, estimulante, promotores de crescimento, hormônio, insulina, reprodutiva, atraente, repelente, biocida, e similares. Os exemplos de antibióticos incluem, porém sem limitação, aminoglicosídeos (por exemplo, amicacina, gentamicina, kanamicina, neomicina, netilmicina, tobramicina, paromomicina); ansamicinas (por exemplo, geldanamicina, herbimicina); carbacefem (loracarbef); carbapenemas (por exemplo, ertapenema, doripenema, imipenema/cilastatina, meropenema); cefalosporinas (primeira geração, por exemplo, cefadroxil, cefazolina, cefalotina, cefalexina); cefalosporinas (segunda geração, por exemplo, cefaclor, cefamandol, cefoxitina, cefprozil, cefuroxima); cefalosporinas (terceira geração, por exemplo, cefixima, cefdinir, cefditoren, cefoperazona, cefotaxima, cefpodoxima, ceftazidima, ceftibuteno, ceftizoxima, ceftriaxona); cefalosporinas (quarta geração, por exemplo, cefepima); cefalosporinas (quinta geração, por exemplo, ceftobiprol); glicopeptídeos (por exemplo, teicoplanina, vancomicina, telavancina); lincosamidas (por exemplo, clindamicina, lincomicina); macrólidos (por exemplo, azitromicina, claritromicina, diritromicina, eritromicina, roxitromicina, troleandomicina, telitromicina, espectinomicina); monobactamas (por exemplo, aztreonam); nitrofuranos (por exemplo, furazolidona, nitrofurantoina); penicilinas (por exemplo, amoxicilina, ampicilina, azlocilina, carbenicilina, cloxacilina, dicloxacilina, flucloxacilina, mezlocilina, meticilina, nafcilina, oxacilina, penicilina G, penicilina V, piperacilina, temocilina, ticarcilina); combinações de penicilina (por exemplo, amoxicilina/clavulanato, ampicilina/sulbactam, piperacilina/tazobactam, ticarcilina/clavulanato); polipetídeos (por exemplo, bacitracina, colistina, polimixina B); quinolonas (por exemplo, ciprofloxacina, enoxacina, gatifloxacina, levofloxacina, lomefloxacina, moxifloxacina, ácido nalidíxico, norfloxacina, ofloxacina, trovafloxacina, grepafloxacina, esparfloxacina, temafloxacina); sulfonamidas (por exemplo, mafenida; sulfonamidocrisoidina, sulfacetamida, sulfadiazina, sulfadiazina de prata, sulfametizol, sulfametoxazol, sulfanilimida, sulfasalazina, sulfisoxazol, trimetoprima, trimetoprima-Sulfametoxazol (Co-trimoxazol) (™P-SMX); tetraciclinas (por exemplo, demeclociclina, doxiciclina, minociclina, oxitetraciclina, tetraciclina); fármacos contra micobactérias (por exemplo, clofazimina, dapsona, capreomicina, cicloserina, etambutol, etionamida, isoniazida, pirazinamida, rifampina, rifabutina, rifapentina, estreptomicina) e outros (por exemplo, arsfenamina, cloranfenicol, fosfomicina, ácido fusídico, linezolida, metronidazol, mupirocina, platensimicina, luinupristina/dalfopristina, rifaximina, tianfenicol, tinidazol).

[0177] Preferencialmente, um bioproduto anabólico é pelo menos um dentre um composto orgânico oxigenado e hidrocarboneto de até cerca de 100, muitas vezes até cerca de 50, átomos de carbono. O produto orgânico oxigenado mais preferido inclui metanol, etanol, ácido acético, n-propanol, i- propanol, ácido propiônico, n-butanol, i-butanol, ácido butírico, acetona e metil etil cetona.

[0178] Os exemplos de processos anabólicos ou catabólicos adequados para serem praticados pelos processos dessa invenção incluem, porém sem limitação: • Syngas, isto é, gás que contém monóxido de carbono e, opcionalmente, hidrogênio, para conversão em produto orgânico oxigenado e hidrocarbonetos. Nos processos típicos da técnica anterior para a conversão de syngas em produto orgânico oxigenado, um fator limitante sobre a produtividade é a transferência de massa de monóxido de carbono e hidrogênio a partir da fase de gás para a fase líquida do meio aquoso. Com o uso dos biocatalisadores dessa invenção para a bioconversão de syngas, a transferência de massa pode ser otimizada. • Gases contendo dióxido de carbono para a conversão em produto orgânico oxigenado e hidrocarbonetos. A conversão anabólica pode ser efetuada por algas, cianobactérias, ou outros microrganismos fotoativados, por exemplo, para produzir álcoois, biodiesel, e similares. Outros processos de bioconversão que usam dióxido de carbono para produzir bioprodutos incluem aqueles para produzir ácidos orgânicos e ésteres e diácidos e diésteres, tais como ácido succínico e ácido lático. • Gases de combustão, por exemplo, a partir do descarte de resíduos sólidos ou geração de energia, em que o substrato compreende contaminantes que devem ser removidos dos gases, tais como haletos oxigenados, porções sulfoxi, óxidos de nitrogênio, compostos de metal pesado, e similares. • Gases residuais do processo industrial que contêm, por exemplo, compostos orgânicos voláteis; solventes, tais como solventes contendo cloro, cetonas, aldeídos, peroxigenatos, e similares; amônia ou aminas voláteis; mercaptanos e outros compostos contendo enxofre; óxidos de nitrogênio; e similares. Os gases residuais do processo industrial podem ser à base de ar, tal como escape a partir de operações de pintura, ou podem ser desprovidos de ar, tal como gases residuais ou de purga. A capacidade de submeter esses substratos à degradação catabólica pode muitas vezes eliminar a necessidade por uma operação de unidade de oxidação térmica, resultando tanto em economia de energia como de capital, à medida que muitas vezes é exigido gás natural ou outro combustível para manter a temperatura para a unidade de oxidação térmica. • Gás natural (que inclui, porém sem limitação, gás recuperado por processos de fraturamento subterrâneo, isto é, gás de fraturamento), em que o substrato para o processamento catabólico pode ser um ou mais dentre oxigenatos, tais como óxidos de nitrogênio, óxidos de enxofre; percloratos; sulfetos, amônia; mercaptanos; e similares. • Remoção de nitratos, percloratos, compostos de sabor e odor, orgânicos, hidrocarbonetos clorados, e similares, da água. A fonte da água pode ser a partir de uma instalação de tratamento de água, fontes terrestres, fontes superficiais, processamento de lixo urbano, e água residual industrial. A corrente de água pode ser derivada de outros processos de bioconversão em que o substrato não é completamente consumido, tal como em processos de etanol de milho. • Carboidrato, que inclui, porém sem limitação, celulose, hemicelulose, amidos e açúcares para a conversão em produto orgânico oxigenado e hidrocarbonetos. • Oxiânions, hidroxilas ou sais solúveis de enxofre, fósforo, selênio, tungstênio, molibdênio, bismuto, estrôncio, cádmio, cromo, titânio, níquel, ferro, zinco, cobre, arsênico, vanádio, urânio, rádio, manganês, germânio, índio, mercúrio antimônio, e metais de terras raras para a remoção de água através de bioconversão e sequestração.

[0179] Os processos metabólicos que usam os biocatalisadores podem ser conduzidos de qualquer maneira adequada empregando-se condições metabólicas suficientes para o biocatalisador para converter o substrato no bioproduto desejado. As condições metabólicas incluem condições de temperatura, pressão, oxigenação, pH e nutrientes (que incluem micronutrientes) e aditivos exigido ou desejados para os microrganismos no biocatalisador. Devido aos microambientes e alterações fenotípicas associadas aos biocatalisadores dessa invenção, muitas vezes uma faixa mais ampla de condições metabólicas pode ser usada de maneira eficaz que aquelas adequadas para microrganismos planctônicos. Qualquer sistema de biorreator pode ser usado, que inclui os sistemas de biorreator típicos.

[0180] Os processos metabólicos que usam os biocatalisadores dessa invenção fornecem água suficiente para o biocatalisador para manter o biocatalisador hidratado. Os processos de bioconversão podem envolver o contato direto com o gás que contém substrato ou em contato com um meio líquido, muitas vezes um meio aquoso. A água para esse meio aquoso pode ser fornecida a partir de qualquer fonte adequada, que inclui, porém sem limitação, água da rede pública, água desmineralizada, água destilada e correntes de água residual ou do processo. O meio aquoso pode conter nutrientes e aditivos, tais como cometabólitos, potenciadores, intensificadores, indutores, promotores de crescimento, tampões, antibióticos, vitaminas, minerais, fontes de nitrogênio e fontes de enxofre, conforme é conhecido na técnica. Se desejado, um agente antiespumante pode ser usado no meio aquoso. Em alguns casos, onde os aditivos são desejados ou exigidos para o processo metabólico, os biocatalisadores dessa invenção exibem atividade de bioconversão menos equivalente em uma concentração menos de tais aditivos, conforme comparado com um sistema de suspensão livre planctônico, todos os demais sendo substancialmente igual.

[0181] O biorreator pode ou não ser esterilizado antes da introdução do meio aquoso. Devido ao uso de biocatalisadores que contêm populações significantes de microrganismos, os biorreatores podem ter um tempo de inicialização rápida.

[0182] Os processos podem ser conduzidos com todas as exigências de carbono sendo fornecidas no meio aquoso ou em uma base deficiente de fonte de carbono. Na operação em uma deficiência de fonte de carbono, o meio aquoso muitas vezes fornece pelo menos cerca de 50, frequentemente pelo menos cerca de 75, supostamente, 80 a menos que 100 por cento em massa em uma base de carbono do nutriente de carbono. Em alguns casos, o polissacarídeo é incluído no biocatalisador, em que as operações de deficiência de fonte de carbono são previstas. A deficiência de fonte de carbono pode ocorrer de maneira intermitente ou contínua durante o processo metabólico.

[0183] Os processos de bioconversão podem ser otimizados para se alcançar um ou mais objetivos. Por exemplo, os processos podem ser projetados para fornecer altas conversões de substrato em bioproduto ou podem ser projetados para equilibrar custos de capital e energia frente à conversão em bioproduto. À medida que os biocatalisadores são altamente hidratados, geralmente sua densidade é próxima àquela da água. Consequentemente, com projetos de reator de leito fluidificado com o uso de uma corrente de alimentação aquosa, o consumo de energia é inferior àquele em que suportes de densidade maior são usados. Em alguns casos, onde os processos metabólicos geram um gás, por exemplo, na conversão de açúcares em alcanóis ou na bioconversão de ânion de nitrato em gás de nitrogênio, o gás pode acumular no biocatalisador para aumentar a flutuabilidade. Esse gás acumulado pode reduzir o consumo de energia para uma operação de leito fluido e pode facilitar o uso de outros projetos de biorreator, tais como biorreatores de recirculação.

[0184] O bioproduto pode ser recuperado a partir do meio em qualquer maneira adequada, que inclui as técnicas de separação típicas.

B. DESLOCAMENTO METABÓLICO

[0185] Em uma modalidade preferida da invenção, ocorre uma alteração fenotípica que resulta em um deslocamento metabólico dos microrganismos nos biocatalisadores. O deslocamento metabólico pode ocorrer em cada uma das bioconversões anabólicas e catabólicas. O deslocamento metabólico resulta em menos energia sendo consumida pelos microrganismos para o crescimento. Consequentemente, onde um substrato é usado tanto para a bioconversão no bioproduto como para energia pelos microrganismos, o deslocamento metabólico intensifica a eficiência de bioconversão no bioproduto. Um tipo adicional de deslocamento metabólico é chamado de deslocamento de fluxo de carbono. Um deslocamento de fluxo de carbono ocorre quando um microrganismo pode produzir mais que um bioproduto a partir de um substrato e as quantidades relativas dos bioprodutos são alteradas. Por exemplo, a fermentação de açúcares através de leveduras produz tanto etanol como ânion de acetato. Um deslocamento de fluxo de carbono ocorre quando, por exemplo, a razão entre etanol e ânion de acetato é aumentada. Semelhantemente, na produção de butanol a partir de açúcares com o uso de Clostridia acetobutyricum, o etanol e a acetona são coproduzidos e um deslocamento de fluxo de carbono aumenta a razão entre o butanol produzido. Um deslocamento metabólico pode ser de benefício econômico significante, especialmente em grandes instalações de bioconversão e onde o custo do substrato é material, tal como onde o syngas ou carboidrato é o substrato. Em sistemas metabólicos em que uma fonte de carbono precisa ser fornecida para manter os microrganismos, o deslocamento metabólico reduz de maneira benéfica a quantidade da fonte de carbono fornecida para manter uma determinada taxa de produção de bioproduto.

[0186] Em modalidades mais preferidas pertencentes às bioconversões anabólicas de um substrato contendo carbono em bioproduto, pelo menos cerca de 95, de preferência, pelo menos cerca de 98, por cento da bioconversão máxima teórica do substrato no bioproduto desejado são alcançados. Por exemplo, na bioconversão de glicose em etanol, o dióxido de carbono e etanol são produzidos. A quantidade de etanol produzida, conforme comparado com a quantidade teórica que seria produzida se todo o açúcar fosse bioconvertido em etanol e dióxido de carbono produzidos na trajetória de produção de etanol. Semelhantemente, na bioconversão de monóxido de carbono, a conversão máxima teórica em etanol é que 6 moles de monóxido de carbono produzem 1 mol de etanol e 4 moles de dióxido de carbono (dióxido de carbono, certamente, pode ser bioconvertido em etanol na presença de hidrogênio).

[0187] Adicionalmente a um deslocamento metabólico, os biocatalisadores dessa invenção garantem um crescimento críptico, o qual se acredita que seja possibilitado pelas alterações fenotípicas e comunicação entre os microrganismos. O crescimento críptico ajuda no fornecimento de um biocatalisador que não gera detritos sólidos. Entretanto, a capacidade dos biocatalisadores dessa invenção em manter uma população estável de microrganismos durante períodos de tempo prolongados evidencia que um deslocamento metabólico fenotípico ocorre na população de microrganismos.

C. BIOCONVERSÃO INTENSIFICADA

[0188] Em outro aspecto preferido da invenção, os biocatalisadores exibem uma taxa intensificada de bioconversão, conforme comparado com aquela de microrganismos planctônicos que têm a mesma densidade de célula por volume unitário de biorreator, todos os demais sendo substancialmente iguais. Esse aspecto da invenção fornece processos de bioconversão anabólica e catabólica aprimorados devido à bioatividade maior. Em alguns casos, os microrganismos podem passar por uma alteração fenotípica de tal modo que seja observada uma bioconversão que não ocorrer em crescimento planctônico.

[0189] Ademais, visto que muitas vezes podem ser fornecidas densidades de célula maiores pelos biocatalisadores dessa invenção que com o crescimento planctônico em biocatalisadores sustentados ou de suspensão livre, aumentos até maiores na atividade de bioconversão podem ser obtidos por volume unitário de biorreator ou por determinada unidade de tempo de permanência hidráulica. Por conseguinte, os tempos de permanência reduzidos para o processamento por lote ou contínuo podem ser alcançados por unidade de bioconversão.

[0190] O uso dos biocatalisadores dessa invenção também possibilita que o substrato em correntes de alimentação seja reduzido a concentrações muito baixas e também possibilita que concentrações muito baixas de substrato sejam metabolicamente bioconvertidas. Em algumas aplicações, é desejado um processo de bioconversão para reduzir um substrato a concentrações muito baixas, por exemplo, para o uso eficaz do substrato ou de tal modo que o efluente de bioconversão não precise ser adicionalmente tratado para remover o substrato. Os exemplos do último são água residual urbana, em que o efluente deveria conter poucos, se houver, compostos de carbono biodegradáveis, e reduzindo materiais tóxicos, tais como 1,4-dioxano, N-nitrosodimetilamina (NDMA) e ânion de perclorato e desreguladores endócrinos contidos na água a concentrações de partes por bilhão ou menores. Outros exemplos são os componentes que afetam o sabor e odor na água para beber afetada por eflorescência de algas, tais como metil- isoborneol (MIB) e geosmina que podem estar presentes somente em microconcentrações. Desse modo, uma modalidade de processos dessa invenção pertence à redução da concentração de contaminantes ultrabaixos (contaminantes em uma concentração menor que cerca de 50 microgramas por litro) em uma corrente de água que compreende: a. passar continuamente, a dita corrente de água para um biorreator, sendo que o dito biorreator é mantido em condições metabólicas que incluem a presença de biocatalisador dessa invenção que contém microrganismos capazes de bioconversão dos ditos contaminantes ultrabaixos retidos de maneira irreversível nos mesmos; b. colocar a dita corrente de água em contato com o dito biocatalisador durante um tempo suficiente para reduzir a concentração dos ditos contaminantes ultrabaixos; e c. retirar do dito biorreator uma corrente de água tratada que tem uma concentração reduzida dos ditos contaminantes ultrabaixos.

[0191] Preferencialmente, cada um dos contaminantes ultrabaixos está presente em uma concentração na corrente de água que passou pelo biorreator em uma quantidade de pelo menos cerca de 10, ou seja, pelo menos cerca de 50, nanogramas por litro (ng/L) e menos que cerca de 50, muitas vezes, menos que cerca de 20, microgramas por litro (mcg/L). Preferencialmente, pelo menos cerca de 50, e às vezes pelo menos cerca de 80 ou 90, por cento do contaminante na corrente de água são bioconvertidos.

[0192] Os microambientes internos e mudanças fenotípicas nos biocatalisadores dessa invenção, em outro aspecto preferido dessa invenção, também fornecem bioconversão simultânea intensificada de dois ou mais substratos através de uma única espécie de microrganismo. Usualmente, os microrganismos preferem ou metabolizam um substrato sobre outro em um fenômeno conhecido como diauxie. De acordo com esse aspecto da invenção, a taxa de bioconversão do substrato menos preferido é menos desfavorecida na mesma razão molar entre o substrato mais preferido e o menos preferido que aquela em um processo planctônico com o uso do mesmo microrganismo e densidade de célula e substancialmente as mesmas condições do processo. Um exemplo de diauxie é o tratamento de água que contém ânions de nitrato e perclorato, em que os ânions de nitrato são o substrato preferido.

[0193] Os biocatalisadores dessa invenção contêm microambientes que podem possuir condições diferentes daquelas externas ao biocatalisador. Desse modo, os microambientes no interior dos biocatalisadores possibilitam que tanto processos de bioconversão aeróbica como anaeróbica ocorram, até com o uso do mesmo microrganismo. Desse modo, por exemplo, o cátion de amônio pode ser oxidado e o ânion de nitrato resultante reduz a nitrogênio em um meio aquoso aeróbico. As condições metabólicas em um determinado microambiente podem ser afetadas por outra atividade metabólica dentro dos biocatalisadores. Por exemplo, a metabolização de um doador de elétron, tal como uma fonte de carbono, pode consumir oxigênio e, desse modo, fornecer um ambiente de redução.

[0194] Os biocatalisadores podem servir para fornecer uma automodulação e possibilitam a atividade metabólica que não seria possível em um crescimento planctônico em uma suspensão livre. Esse fenômeno é prontamente observado para bioconversões do tipo redox. Consequentemente, os processos metabólicos que são reduções de substratos podem prosseguir na presença de oxigênio ou componentes oxidantes em um meio aquoso que circunda o biocatalisador. A título de exemplo, e não como limitação, os biocatalisadores podem ser usados para a catabólise de hidrocarbonetos, tais como hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos de 1 a 50, ou mais, carbonos, que inclui alcanos, alcenos e alcinos, e aromáticos, tais como benzeno, tolueno e xileno; éteres, cetonas, aldeídos, álcoois, ácidos carboxílicos e ésteres de 1 a 50, ou mais, carbonos; hidrocarbonetos halogenados, tais como hidrocarbonetos clorados e brominados que incluem percloroetileno, dicloroetileno, cloreto de vinila, tricloroetano, tricloroetileno, cloreto de metileno, clorofórmio, tetracloreto de carbono e bifenilas policloradas (PCB's), e compostos de semimetal e metal solúveis que incluem nitratos, nitritos, sulfatos, sulfitos, fosfatos, fosfitos e outros metalatos.

D. TOLERÂNCIA À TOXINA INTENSIFICADA

[0195] Surpreendentemente, os biocatalisadores dessa invenção exibem uma tolerância aumentada a toxinas. Sem se ater à teoria, acredita-se que algumas razões potenciais para essa tolerância aumentada, adicionalmente ao fornecimento de um ambiente onde os microrganismos são metabolicamente retidos e fisicamente protegidos, poderiam residir no fato de que o biocatalisador fornece um ambiente onde os microrganismos têm tempo para reagir à presença das toxinas para desenvolver uma resistência interna; a capacidade dos microrganismos de terem estabilidade geométrica celular e estabilidade de parede celular aumentada; e a comunicação entre a população de microrganismos para intensificar a capacidade da comunidade em reagir e desenvolver mecanismos de resistência às toxinas. A tolerância exibida é maior que aquela exibida por microrganismos planctônicos e às vezes é maior que aquela exibida por biofilmes imobilizados convencionais. Por conseguinte, um deslocamento fenotípico pelos microrganismos e sua comunidade também podem contribuir para a tolerância intensificada às toxinas.

[0196] Em alguns processos, especialmente processos anabólicos, o próprio produto de bioconversão (bioproduto) é tóxico para os microrganismos ou é produzido um coproduto ou subproduto que é tóxico para os microrganismos. Por exemplo, a bioconversão de açúcares em etanol com levedura em um biorreator de fermentação por lote de célula livre é tipicamente limitada a uma concentração de etanol de cerca de 15 por cento. Com a bioprodução de isobutanol ou n-butanol a partir de açúcares, a concentração máxima de caldo de fermentação é de geralmente cerca de 2,5 por cento. Desse modo, o título do bioproduto no caldo de fermentação tem que ser limitado para evitar concentrações deletérias de bioproduto, e a energia exigida para a separação do bioproduto aumenta. Ademais, com os processos por lote, a limitação sobre o título resulta em tempos de ciclo mais curtos. Por conseguinte, os custos aumentados por volume unitário de bioproduto são incorridos, que inclui aqueles associados ao tempo ocioso do biorreator, à limpeza do biorreator e substituição da população de microrganismos. A resistência aumentada dos microrganismos à toxicidade, de acordo com os processos dessa invenção, possibilita que concentrações maiores de bioproduto sejam produzidas e, para processos de fermentação por lote, reduz a frequência de interrupções.

[0197] Em outros processos, as toxinas podem ser incluídas como contaminantes nas matérias-primas que fornecem o substrato para os microrganismos. Embora o pré-tratamento de matérias-primas para reduzir a concentração dessas toxinas a níveis toleráveis possa ser feito, tal pré- tratamento resulta em custos de operação e capital adicionais. Uma aplicação particularmente atrativa para os biocatalisadores dessa invenção é no tratamento de água salobra, água salina ou salmoura para metabolizar outros componentes na água. A água pode ser a partir da superfície, solo ou fontes industriais. Os exemplos de componentes que podem exigir a degradação em tais águas incluem, porém sem limitação, nitratos, nitritos, cloratos, percloratos, orgânicos halogenados que incluem, porém sem limitação, solventes clorados e PCB's, hidrocarbonetos que incluem, porém sem limitação, hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos e hidrocarbonetos oxigenados, tais como 1,4-dioxano, ácidos carboxílicos, éteres, cetonas e aldeídos.

[0198] Em alguns casos, o próprio substrato pode ter um efeito adverso sobre os microrganismos quando presentes em uma concentração muito alta. A redução da concentração do substrato, por exemplo, através de diluição, aumenta os custos de operação e capital do processo metabólico. Os exemplos de substratos que podem ser tóxicos incluem monóxido de carbono, cianeto de hidrogênio, sulfeto de hidrogênio, permanganato e compostos orgânicos oxigenados, onde usados para produzir outros bioprodutos.

[0199] Outra toxina que afeta microrganismos inclui vírus ou fago. O tratamento de meios aquosos que sofrem com fago é problemático. O biorreator pode ser esvaziado, esterilizado e, então, povoado novamente, o qual incorre em tempo ocioso significante, assim como despesa operacional. Em alguns casos, os aditivos podem ser fornecidos para os meios aquosos como agentes antivirais. Isso novamente aumenta os custos do processo metabólico.

[0200] Nos aspectos amplos, os processos para bioconverter um substrato contido em um meio aquoso em bioproduto sob condições de bioconversão, que incluem a presença de microrganismos para a dita bioconversão, em que o meio aquoso contém pelo menos uma toxina em uma quantidade suficiente para ter um efeito deletério, se os ditos microrganismos estiverem livremente suspensos no dito meio aquoso sob as ditas condições de bioconversão, compreendem atenuar o efeito da toxina através do uso de um biocatalisador dessa invenção no processo de bioconversão.

[0201] Em alguns casos, a taxa de bioconversão do substrato em bioproduto não é reduzida de maneira significante, todos os outros parâmetros permanecem iguais, quando a concentração de bioproduto no caldo de fermentação é de cerca de 20, frequentemente cerca de 30, supostamente cerca de 50, ou mais por cento maior que aquela alcançável com o uso de uma suspensão de célula livre do microrganismo. Quando usadas para bioconverter açúcar em etanol, as concentrações de etanol no caldo de fermentação de 20 por cento em massa ou mais podem ser muitas vezes alcançada. Para a bioconversão de açúcar em isobutanol ou n-butanol, a concentração de bioproduto no caldo de fermentação de pelo menos cerca de 3 e, às vezes, entre cerca de 3,5 e 5 ou mais por cento em massa, pode ser alcançada.

[0202] Em muitos casos, os microrganismos têm capacidade para resistirem às concentrações das toxinas pelo menos cerca de 20 e, de preferência, pelo menos cerca de 30 por cento maiores que os ditos microrganismos em suspensão livre no dito meio aquoso. Em muitos casos, a tolerância aumentada dos processos à presença de toxinas pode ser observada com o uso de um teste de tolerância de toxina por lote (teste BTT) definido acima. Os processos dessa invenção exibem em um teste BTT uma bioconversão de pelo menos cerca de 20 por cento, de preferência, pelo menos cerca de 30 ou 50 por cento, maior que aquela com o uso da suspensão livre. Em alguns casos, os microrganismos têm capacidade para resistir às concentrações das toxinas pelo menos cerca de 10 e, de preferência, pelo menos cerca de 20, por cento maiores que os ditos microrganismos na forma de um biofilme em um suporte de carvão de osso, todas as outras condições sendo iguais.

[0203] Em muitos casos, mesmo quando as concentrações dos produtos químicos alcançam níveis em que a taxa de bioconversão exibida pelo biocatalisador é materialmente afetada, os processos dessa invenção tendem a fornecer proteção para pelo menos uma parte dos microrganismos metabolicamente retidos no biocatalisador. Desse modo, sob a terminação da excursão em regimes em que os microrganismos são afetados de maneira adversa, a atividade de bioconversão recomeça evidenciando a sobrevivência de pelo menos uma parte da população dos microrganismos que fornecem o metabolismo desejado. Onde uma parte da população é afetada de maneira adversa durante a excursão, a população dos microrganismos no biocatalisador pode aumentar após a terminação da excursão para um nível de estado estacionário.

[0204] Nos exemplos 205 a 207, um biorreator de tanque agitado contínuo que tem um volume de trabalho de 7 litros é usado para os experimentos em lote. O biorreator é dotado de controles para manter a temperatura. O pH do caldo de fermentação é controlado, tipicamente a um pH de cerca de 5. As fermentações são conduzidas em um modo de lote. Uma solução de 1.000 mililitros de 223 gramas de açúcar sob a forma de mel por litro é carregada no biorreator de lote. O mel tem uma composição de cerca de 38 por cento em massa de frutose, 31 por cento em massa de glicose, 7,31 por cento em massa de maltose, 1,3 por cento em massa de sacarose, 1,5 por cento em massa de açúcares superiores e cerca de 17 por cento de água com o restante sendo componentes diferentes de açúcar. As fermentações são conduzidas a cerca de 30 °C a 35 °C. Em todos os exemplos, é usada a mesma cepa de Saccharomyces cerevisiae. O biocatalisador usado é substancialmente aquele preparado de acordo com o Exemplo 25 e tem um volume de expansão de hidratação de cerca de 70.000. O biocatalisador é colocado em contado com etanol aquoso diluído (que varia entre cerca de 5 e 10 por cento em massa de) durante cerca de dois dias antes do uso.

EXEMPLO 205

[0205] Nesse exemplo, é usado o biorreator de lote, e o etanol de qualidade industrial é adicionado ao caldo de fermentação para fornecer uma concentração de 20 por cento em massa de etanol. Um procedimento usa uma suspensão livre de S. cerevisiae para fornecer cerca de 150 gramas de levedura por litro, e outro procedimento usa biocatalisador suficiente para fornecer cerca de 150 gramas de levedura por litro. Após 72 horas sob condições de fermentação, o caldo de fermentação que contém a suspensão livre não rende etanol, enquanto que o biocatalisador produz cerca de 75 por cento da quantidade de etanol teoricamente possível. Na ausência do etanol adicionado, a suspensão livre fornece, após 72 horas, uma produção de etanol que é de cerca de 78 por cento da quantidade de etanol teoricamente possível. O biocatalisador produz uma quantidade de etanol entre cerca de 96 e 98 por cento daquela teoricamente possível. A alta conversão evidencia que ocorre um deslocamento metabólico.

EXEMPLO 206

[0206] Nesse exemplo, durante um período de cerca de 24 horas, o biocatalisador é exposto a uma solução de etanol aquoso a 20 por cento em massa. O biocatalisador é, então, lavado e, então, usado no biorreator de lote para fornecer um teor teórico de levedura de cerca de 150 gramas por litro. Após 72 horas, a reação de lote de célula livre não gerou qualquer etanol. A reação de lote com o uso do biocatalisador rende cerca de 98 por cento do etanol teoricamente possível.

EXEMPLO 207

[0207] Nesse exemplo, a quantidade de mel adicionado ao caldo de fermentação é aumentada para fornecer cerca de 288 gramas por litro de açúcar. Várias reações de lote são conduzidas com o uso de cerca de 150 gramas por litro de S. cerevisiae contida no biocatalisador. Após 72 horas, as reações de lote com o uso do biocatalisador rende entre cerca de 96 e 99 por cento do etanol teoricamente possível.

EXEMPLO 208

[0208] Esse exemplo demonstra a resistência de Rhodococcus a diversas concentrações de etanol, em que o microrganismo está em um biocatalisador dessa invenção. Aproximadamente 20 gramas de biocatalisador, substancialmente conforme preparado no exemplo 169, são colocadas em uma garrafa de soro para cada teste de lote. Um total de 7 garrafas de soro é preparado. Cerca de 80 mililitros de solução que contém etanol são colocados em cada garrafa de soro. A solução para cada garrafa é em uma concentração de etanol diferente. Cada solução é preparada com o uso de etanol absoluto e as diversas soluções contêm 0, 10, 20, 35, 50, 80 e 100 volume por cento de etanol. O contato entre a solução e o biocatalisador está em temperatura ambiente (cerca de 22 °C) por 24 horas. Após esse tempo, o biocatalisador em cada garrafa de soro é lavado. O biocatalisador a partir de cada garrafa de soro é avaliado acerca da absorção de oxigênio, indicando, assim, a viabilidade dos microrganismos. Essa avaliação é conduzida colocando-se o biocatalisador em um frasco de 100 mililitros e derramando-se cerca de 80 mililitros de água destilada que foi aerada até saturação no frasco. As medições de sonda de oxigênio são tomadas a cada 15 minutos. Todos os biocatalisadores sobreviveram à imersão em etanol e, em comparação com o controle com nenhum etanol, todos substancialmente recuperaram suas bioatividades, conforme evidenciado pela absorção de oxigênio. Em um experimento de controle, nenhum microrganismo sobrevive à adição de 5 volumes por cento de etanol a uma suspensão livre que contém os microrganismos.

E. ESTERILIZAÇÃO IN-SITU

[0209] Pode ser desejado adicionar toxinas ao meio que contém os microrganismos para controlar a população de microrganismos indesejados que podem competir por nutrientes ou podem fornecer metabólitos indesejados. Em alguns processos, tais como a conversão de açúcar de milho em etanol, a presença de microrganismos fortuitos ou indesejáveis é tratada através da esterilização de reatores de lote na conclusão de cada procedimento. Os processos de bioconversão contínua, contudo, não são sensíveis à esterilização frequente. Por conseguinte, os processos contínuos são tipicamente monitorados acerca de metabólitos indesejados ou são monitorados acerca da produtividade do bioproduto desejado, e interrompidos para esterilização quando exigido.

[0210] A remoção dos microrganismos fortuitos da água ou outra matéria-prima para os processos catabólicos ou anabólicos pode ser feita, contudo, com custos de operação e capital aumentados. A alternativa é periodicamente substituir e reabastecer os microrganismos desejados no biorreator usado para os processos contínuos. Outra alternativa é revelada por Sumner, et al., no pedido de patente publicado no. U.S. 20090087897, em que um dióxido de cloro estabilizado é adicionado de maneira preventiva, em uma quantidade eficaz para evitar o crescimento de bactérias, a um processo de fermentação para produzir etanol.

[0211] Os biocatalisadores dessa invenção possibilitam o controle da presença de microrganismos contaminantes devido à resistência à toxina intensificada exibida pelos biocatalisadores. Esses processos pertencem à bioconversão de um substrato contido em um meio aquoso em bioproduto, sob condições metabólicas, que incluem a presença de microrganismos para a dita bioconversão, em que uma toxina é fornecida para o meio aquoso em uma quantidade suficiente para controlar os microrganismos contaminantes, em que os microrganismos são retidos em um biocatalisador dessa invenção.

[0212] A toxina usada para controlar os microrganismos contaminantes pode ser um agente bacteriostático, um agente bactericida ou um agente bacteriolítico. Preferencialmente, a toxina é um agente desinfetante e, com a máxima preferência, é um agente oxidante. Esses agentes desinfetantes preferidos são relativamente baratos e incluem peróxido de hidrogênio, ácido peracético, aldeídos (especialmente glutaraldeído e o- ftalaldeído), ozônio e hipoclorito. A introdução da toxina no meio aquoso pode ocorrer em resposta a um acúmulo indesejado da população de microrganismos contaminantes, ou pode ser em uma programação periódica ou continuamente para controlar o acúmulo de microrganismos contaminantes. A concentração de agente desinfetante adicionado ao meio aquoso deveria ser suficiente para reduzir ou manter a população dos microrganismos contaminantes em um nível desejado.

[0213] Onde o peróxido de hidrogênio é o agente esterilizante, é usualmente introduzido de tal modo que esteja presente no meio aquoso em uma concentração entre cerca de 0,1 a cerca de 5, de preferência, 0,5 a 3, por cento em massa. Onde o ácido peracético é usado como o agente esterilizante, a quantidade introduzida no meio aquoso é geralmente suficiente para fornecer uma concentração entre cerca de 0,1 a cerca de 3, de preferência, 0,2 a 2, por cento em massa. Glutaraldeído e o-ftalaldeído são muitas vezes usados para fornecer uma concentração no meio aquoso entre cerca de 0,01 a cerca de 0,5 por cento em massa. Ozônio pode ser borbulhado através do meio aquoso a fim de efetuar a redução na população de microrganismos contaminantes. O ânion de hipoclorito está tipicamente disponível como uma solução aquosa de hipoclorito de sódio. Tipicamente, a concentração de ânion de hipoclorito no meio aquoso é entre cerca de 0,1 a 3, supostamente, entre cerca de 0,2 a 2, por cento em massa.

[0214] A duração da presença do agente esterilizante no meio aquoso deveria ser suficiente a fim de efetuar a redução desejada da população dos microrganismos contaminantes. Em uma modalidade, uma concentração do agente esterilizante pode ser mantida por base contínua no meio aquoso e, desse modo, agir como uma medida preventiva para o acúmulo de uma população de microrganismos contaminantes. Em outras modalidades preferidas, o agente esterilizante é adicionado de maneira intermitente, quando necessário, para controlar a população dos microrganismos contaminantes. No último caso, a duração da manutenção de concentrações exterminadoras de microrganismo do agente esterilizante é tipicamente de menos que cerca de 20 horas e muitas vezes se situa na faixa de 0,1 a 10 horas.

[0215] O controle da população dos microrganismos contaminantes é conduzido de maneira mais vantajosa sob as mesmas condições em que o processo metabólico seria conduzido. Se desejado, é possível usar condições diferentes daquelas que seriam normalmente usadas para o processo metabólico, desde que as condições não sejam indevidamente deletérias para os microrganismos contidos no biocatalisador. As condições tipicamente incluem temperaturas na faixa entre cerca de 5 °C a 60 ° C, e um pH na faixa entre cerca de 5,0 e 8,5, supostamente, 6 a 8. Preferencialmente, a presença de nutrientes e outros adjuvantes permanecem em uma concentração no meio aquoso que é substancialmente igual a usada para o processo de bioconversão.

EXEMPLO 209

[0216] Nesse exemplo, a água que contém cerca de 50 partes por milhão em massa de ânion de nitrato por litro passa continuamente por um biorreator que contém biocatalisador com Paracoccus denitrificans ATCC® 17741 retido no interior. O biocatalisador é preparado substancialmente conforme apresentado no Exemplo 101 e tem um volume de expansão de hidratação de cerca de 70.000. O biocatalisador fornece cerca de 150 gramas de microrganismo por litro no biorreator. O tempo de permanência hidráulica é de cerca de 600 minutos e o reator é operado a cerca de 25 °C. A água efluente contém menos que cerca de 1 parte por milhão em massa de ânion de nitrato por litro. O hipoclorito de sódio é adicionado à água para fornecer uma concentração de 0,5 gramas por litro, e o acetato de sódio é adicionado em uma quantidade aproximadamente equivalente a 1,1 vezes a demanda teórica. O biorreator é operado por 2 horas com essa composição. A água efluente continua a conter menos que cerca de 5 partes por milhão em massa de ânion de nitrato por litro. Em procedimentos adicionais, o biocatalisador é imersos por 24 horas a cerca de 25 °C em uma solução aquosa que contém hipoclorito de sódio em concentrações de 1,0 e 2,0 gramas por litro, antes de ser usado no aparelho. Essas concentrações de hipoclorito de sódio são consideradas letais para os microrganismos planctônicos em suspensão livre, conforme mostrado por um experimento de controle.

[0217] Após a imersão na solução de concentração a 1,0%, o desempenho dos microrganismos não é afetado e o efluente de água continua a conter menos que cerca de 1 partes por milhão em massa de ânion de nitrato por litro. O biocatalisador é removido e novamente imerso na solução a 1,0% durante 24 horas. Após a segunda imersão na solução de concentração a 1,0%, o desempenho dos microrganismos não é afetado e o efluente de água continua a conter menos que cerca de 1 parte por milhão em massa de ânion de nitrato por litro.

[0218] Após a imersão na solução de concentração a 2,0%, o desempenho dos microrganismos é reduzido a cerca de 62 por cento e o efluente de água contém menos que cerca de 20 partes por milhão em massa de ânion de nitrato por litro. O biocatalisador é removido e novamente imerso na solução a 2,0% durante 24 horas. Após a segunda imersão na solução de concentração a 2,0%, o desempenho dos microrganismos é aprimorado e o efluente de água contém menos que cerca de 4 partes por milhão em massa de ânion de nitrato por litro.

F. ESTABILIDADE DE CEPA

[0219] Nas modalidades preferidas, os biocatalisadores dessa invenção contêm essencialmente em seus interiores uma única cepa de microrganismos, isto é, são axênicos. Isso fornece consistência no desempenho da bioconversão, que inclui seletividade e taxa de bioconversão, e intensifica, assim, a viabilidade de processos de escala comercial. Além disso, ter uma única cepa de microrganismo frequentemente otimiza o comportamento sociobiológico, tal como transferência de gene horizontal, produção de bens públicos, comportamentos altruísticos, recolhimento de DNA de células lisadas da mesma cepa, e similares, todos os quais podem ser benéficos para o biocatalisador e seu desempenho.

[0220]Se um processo metabólico usar um microrganismo de estado selvagem, estado selvagem modificado ou geneticamente modificado, existem diversas preocupações, que incluem que a automutação da cepa de microrganismos poderia conduzir a uma mudança adversa na população de microrganismos. Embora a automutação possa ocorrer de maneira inerente, o comportamento sociobiológico dos microrganismos, tal comportamento que é intensificado nos biocatalisadores dessa invenção, pode atenuar ou evitar mudanças genotípicas inconvenientes para a população. Adicionalmente, pelo fato de que as mudanças fenotípicas dos microrganismos nos biocatalisadores dessa invenção usualmente resultam em um deslocamento metabólico, a taxa de reprodução é reduzida. Por conseguinte, a automutação é mais prontamente modulada pela população de microrganismos. Adicionalmente, os biocatalisadores tendem a atenuar as entradas externas que podem induzir as automutações indesejadas

[0221]Os biocatalisadores dessa invenção são produzidos com uma alta concentração de microrganismos, muitas vezes substancialmente na densidade de estado estacionário dos microrganismos no biocatalisador. Inúmeras vantagens resultam a partir desse método. Primeiramente, os biocatalisadores ativos de maneira essencialmente completa podem ser produzidos sob condições que asseguram a pureza da cepa. Em segundo lugar, o aumento gradual é simplificado à medida que uma pluralidade de lotes pode ser feita e, então, acumulada em um volume exigido para um biorreator de escala comercial. As verificações de qualidade podem ser feitas com cada lote. Em terceiro lugar, a população de microrganismos no biocatalisador pode ser suficientemente concentrada de modo que existam comportamentos sociobiológicos que evitam a automutação inconveniente. Em quarto lugar, à medida que os microrganismos são substancialmente retidos de modo irreversível no interior do biocatalisador, quaisquer microrganismos contaminantes seriam limitados a um biocatalisador e não afetariam de maneira adversa os microrganismos nos outros biocatalisadores. Em quinto lugar, dentro de uma única estrutura de biocatalisador, qualquer microrganismo contaminante tenderá a ser metabolicamente retido em uma região com uma população limitada, e acredita-se que a comunidade da cepa de microrganismos pretendida se comunique ou interaja para intensificar a força competitiva contra microrganismos invasores (competitividade territorial) e mantenha a uniformidade da cepa. Em sexto lugar, a exo-rede dos microrganismos nos biocatalisadores facilita a transferência de gene horizontal. E em sétimo lugar, os biocatalisadores fornecem um microambiente que tende a assegurar a constituição microbiana estável.

[0222] Em algumas modalidades, o microrganismo desejado é menos robusto e, de fato, alguns, tais como microrganismos sintróficos, podem somente ser capazes de prosperar em relação a outro microrganismo e são tipicamente difíceis de obter e manter uma cultura pura, mesmo que o microrganismo sintrófico possa ter a capacidade de efetuar a bioconversão desejada em bioproduto. Em alguns casos, os microrganismos no biocatalisador podem se submeter à adaptação e alteração genética potencial durante o uso em um processo metabólico. A comunicação e transferência de gene horizontal potencial fornecidos pelos biocatalisadores dessa invenção e a exo-rede facilita a uniformidade da cepa de microrganismo dentro dos biocatalisadores.

G. CAPACIDADE DE ESTASE

[0223]Os biocatalisadores dessa invenção fornecem um ambiente interno que permite que os microrganismos metabolicamente retidos nos mesmos se comuniquem de maneira eficaz. A comunicação também serve para assegurar que a comunidade de microrganismos sobreviva durante períodos em que pouco ou nenhum nutriente é suprido para os biocatalisadores, isto é, o biocatalisador pode entrara em um estado essencial de estase. O estado essencial de estase, conforme descrito nessa seção, é em relação ao próprio biocatalisador. Deve-se compreender que com as altas populações de microrganismos em um biocatalisador, podem existir microambientes em que os microrganismos ocasionalmente não obtêm nutrientes. Por conseguinte, mesmo quando o biocatalisador exibe atividade de bioconversão, as zonas dentro do biocatalisador podem estar em estase essencial e recobram bioatividade sob um aumentam no suprimento de nutrientes e substratos para o biocatalisador.

[0224]Até agora, a estase de microrganismos tem sido obtida através do armazenamento em temperaturas frias com suprimento reduzido de nutrientes ou congelamento. A manutenção de tais condições de congelamento ou frias pode ser dispendiosa, especialmente para grandes volumes de microrganismos, e está sujeita a perda de potência ou ruptura mecânica, e pode ser deletéria para a população dos microrganismos.

[0225]Os biocatalisadores desse aspecto da invenção podem passar para um estado de estase que não exige o suprimento de nutrientes e sem condições de armazenamento dispendiosas, ainda com os microrganismos tendo uma capacidade de alcançar rapidamente a atividade biológica desejada sobre a iniciação em um biorreator. A manutenção dos microrganismos em um estado essencial de estase por períodos de tempo prolongados, não somente o intervalo de tempo entre a manufatura e iniciação pode ser tolerado, mas também os compósitos microbianos podem ser colocados em simples recipientes para transporte, tais como barris vedados, tanques, e similares, sem a adição de nutrientes durante o período de armazenamento. As interrupções planejadas e não planejadas de um processo de bioconversão com o uso dos biocatalisadores dessa invenção podem ser acomodadas sem perda de bioatividade. Devido ao fato de que os próprios microrganismos modulam a estase, nenhum equipamento ou sistema de controle é exigido para proteger a população de microrganismos ou reiniciar a atividade metabólica. Em mais outro aspecto adicional da invenção, o biocatalisador contém polissacarídeo sólido em seu interior para intensificar ainda mais a capacidade do biocatalisador permanecer em um estado de estase por durações mais longas.

[0226]As condições exigidas para a entrada em estase se incluem em uma ampla faixa. A temperatura pode ser substancialmente aquela usada para o processo metabólico. O biocatalisador deveria ter algum grau de hidratação durante o armazenamento, embora não seja essencial que o biocatalisador seja imerso em um meio aquoso. Muitas vezes a temperatura varia entre cerca de -10 °C a 50 °C ou mais, e com a máxima preferência, entre cerca de 5 °C ou 10 °C a 30 °C para os propósitos de economia de energia e conveniência. Embora as temperaturas menores sejam geralmente preferidas, as temperaturas maiores ainda fornecem durações significantes de estase dos microrganismos nos biocatalisadores dessa invenção. Onde o microrganismo é sensível a oxigênio, prefere-se, mas às vezes não é essencial, que o oxigênio seja excluído durante o armazenamento.

[0227]Tipicamente, o biocatalisador pode permanecer em um estado estase durante períodos de tempo prolongados, por exemplo, pelo menos cerca de 1, muitas vezes, pelo menos cerca de 20, e às vezes mais que cerca de 50 ou 100 semanas. A bioatividade dos biocatalisadores é recuperada submetendo-se os biocatalisadores a condições metabólicas. Muitas vezes, a bioatividade essencialmente completa é recuperada em menos que 5, e às vezes menos que 3, dias.

EXEMPLOS 210 A 215

[0228] Nos exemplos seguintes, diversos biocatalisadores, de acordo com a invenção, são submetidos ao armazenamento durante os períodos apresentados na tabela abaixo e são, então, usados para o processo metabólico pretendido. Antes de serem armazenados, os biocatalisadores são usados para a reação metabólica durante pelo menos 2 dias. Os resultados são resumidos na Tabela V. TABELA V

H. PROCESSOS FOTOSSINTÉTICOS

[0229] Os biocatalisadores dessa invenção podem ser usados em processos fotossintéticos. O biocatalisador contém um ou mais microrganismos fotossintéticos adequados, que incluem bactérias, algas, leveduras e bolores com atividade biocatalítica ativada por radiação de luz. Preferencialmente, o microrganismo é uma alga, com a máxima preferência, uma microalga, ou cianobactéria. Em alguns casos, Botryococcus é desejado devido à produtividade de composto orgânico. O biocatalisador pode conter componentes luminescentes, conforme descrito acima, mas tais componentes não são críticos para o uso de um biocatalisador em um processo fotossintético.

[0230] As condições de foto-bioconversão são mantidas para a conversão de pelo menos um substrato no bioproduto desejado que incluem as condições de temperatura, pressão, oxigenação, pH, nutrientes e aditivos. A bioconversão pode ser em um modo de operação contínuo, semicontínuo ou por lote. Os projetos de reator incluem, porém sem limitação, sistemas de biorreator típicos, desde que seja fornecido acesso para fornecer energia luminosa para o biocatalisador. O biocatalisador é livremente móvel no líquido de cultura. Mais que um vaso de reator pode ser usado. Por exemplo, os vasos de reator podem ser em paralelo ou em série de fluxo sequencial. Os processos e aparelho dessa invenção podem usar reatores com base em terra ou os reatores podem ser adaptados para flutuarem em um corpo de água, tal como um reservatório, rio, lago ou oceano. Os reatores flutuantes podem ser adaptados para se beneficiarem da moderação de temperatura natural do corpo de água e, em alguns casos, os movimentos naturais do corpo de água podem ajudar na agitação.

[0231] O biorreator pode ser aberto, por exemplo, como uma lagoa ou caneleta, ou fechado. A fonte de luz pode ser qualquer fonte de luz adequada, mas, de preferência, a luz solar fornece pelo menos uma parte principal da radiação de luz da etapa (c), muitas vezes pelo menos cerca de 75, supostamente, pelo menos cerca de 90, por cento, e às vezes essencialmente toda a radiação de luz é a partir da luz solar. Uma vez que os biocatalisadores fornecem pelo menos alguma proteção de UV para os microrganismos, lentes, espelhos, arranjos móveis que seguem o sol, e similares, podem ser usados para intensificar a intensidade da radiação de luz que entra em contato com o líquido de cultura. Ademais, o biocatalisador pode fornecer proteção para os microrganismos que são suscetíveis ao branqueamento ou morte na presença de alta intensidade de luz.

[0232] As condições de foto-bioconversão, a taxa de suprimento de substrato e a densidade dos microrganismos no líquido de cultura podem influenciar a bioconversão. Consequentemente, para um determinado sistema de biocatalisadores, substratos e bioprodutos, as produtividades podem variar amplamente. Em alguns casos, os biocatalisadores usados nos processos dessa invenção podem facilitar a manutenção de densidades desejadas de microrganismo no líquido de cultura e, desse modo, facilitam as altas produtividades por área de superfície exposta à radiação de luz. Em alguns casos, pode ser desejado fornecer períodos de escuridão para os microrganismos fotossintéticos, em que tais períodos intensificam a produtividade dos microrganismos.

[0233] O líquido de cultura no biorreator pode ser substancialmente estagnado, mas, de preferência, é submetido a forças para fornecer movimento para o líquido de cultura. Com a máxima preferência, o movimento do líquido de cultura é suficiente para causar o movimento do biocatalisador até e a partir da região que recebe a radiação de luz ("área de contato direto") do líquido de cultura.

[0234] Os exemplos de substratos incluem, porém sem limitação, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, metano, etano, propano, sulfeto de hidrogênio, sulfeto de carbonila, mercaptanos, amônia, alquilaminas inferiores, fosfinas, e misturas dos mesmos. O syngas (gás de síntese) é muitas vezes um substrato gasoso proposto para bioconversões anaeróbicas. Os carboidratos, que incluem açúcares e polissacarídeos, podem encontrar aplicação como substratos. Os lipídios também podem encontrar utilidade como substratos. Outros substratos incluem, porém sem limitação, moléculas alifáticas e aromáticas. Os substratos alifáticos (que incluem cicloalifáticos) e aromáticos incluem, porém sem limitação, hidrocarbonetos de, por exemplo, cerca de 1 a cerca de 44 ou 50 átomos de carbono, os quais podem conter heteroátomos, por exemplo, oxigênio, enxofre, fósforo e nitrogênio, e os quais podem ser substituídos, por exemplo, por grupos acila, halogênio, hidroxila, amina, amida, tiol, nitro ou fosfina.

[0235] As condições de foto-bioconversão, a taxa de suprimento de substrato e a densidade dos biocatalisadores no caldo de fermentação podem influenciar a produtividade do líquido de cultura para produzir bioprodutos. Consequentemente, para um determinado sistema de biocatalisadores, substratos e bioprodutos, as produtividades podem variar amplamente. Em alguns casos, os biocatalisadores retidos de modo irreversível usados nos processos dessa invenção podem facilitar a manutenção de densidades de biocatalisador desejadas no líquido de cultura e, desse modo, facilitam as altas produtividades por área de superfície exposta à radiação de luz. Em alguns casos, pode ser desejado fornecer períodos de escuridão para os microrganismos fotossintéticos, em que tais períodos intensificam a produtividade dos microrganismos.

[0236] A recuperação do bioproduto a partir do líquido de cultura pode ser efetuada por qualquer operação unitária ou operações unitárias adequadas que incluem as técnicas de separação típicas. O líquido de cultura pode ser removido do reator para a recuperação de bioproduto ou a recuperação de bioproduto pode ser efetuada no reator. No último caso, a separação pode ser através de evaporação, por exemplo, com compostos orgânicos de pressão de vapor inferior, tais como etanol, ou separação de fase conforme com, por exemplo, compostos orgânicos de peso molecular maior, tais como hidrocarbonetos aromáticos ou alifáticos, álcoois, éteres e ésteres (por exemplo, glicerídeos) de 6 ou mais carbonos. Onde o líquido de cultura é removido do reator para a purga ou recuperação de bioproduto, qualquer operação unitária adequada pode ser usada para reter o biocatalisador no reator, tal como, porém sem limitação, decantação (em que a densidade do biocatalisador é maior ou menor que aquela do líquido de cultura), filtragem, centrifugação, e similares. Se desejado, especialmente onde a atividade biocatalítica do biocatalisador é observada como decrescente, uma porção do biocatalisador pode ser removida e substituída para fornecer uma capacidade de operação de maneira contínua.

[0237] Para os propósitos de facilitar o entendimento dos processos e aparelho dessa invenção, e não como limitação da mesma, é feita referência à Figura 3, a qual descreve um corte transversal de uma porção de um reator 300. O reator 300 compreende vaso de reator 302 tem uma cobertura polimérica transparente em seu topo representada pela linha pontilhada e contém líquido de cultura 304. Uma pluralidade de partículas de biocatalisador 306 que contêm cianobactérias e material fosforescente é dispersa dentro do líquido de cultura 304. O dióxido de carbono é usado como o substrato para produzir etanol no reator 300.

[0238] Conforme descrito, o líquido de cultura e o gás efluente são reciclados. O filtro de tela 308 é fornecido para evitar a remoção de biocatalisador e permitir que o gás efluente e o líquido de cultura sejam retirados do vaso de reator 302. O fluido passa através da linha 310 para a reciclagem através da linha 312 e do distribuidor 314 para o retorno para o vaso de reator 304. O distribuidor 314 é adaptado para fornecer movimento de biocatalisador 306 para a superfície de líquido de cultura 304 para receber a radiação 316 a partir de uma fonte de radiação. Embora uma fonte de radiação externa seja descrita, alternativa ou adicionalmente, fontes de radiação internas poderiam ser usadas. Uma corrente de arrasto para reciclar o líquido de cultura é tomada através da linha 318 para a recuperação de produto. O líquido de cultura de constituição é fornecido através da linha 320. O líquido de cultura de constituição contém dióxido de carbono dissolvido. Se desejado, carbonato de amônio pode ser usado para suprir tanto carbono como nitrogênio para os microrganismos.

I. DISCUSSÕES DO PROCESSO METABÓLICO REPRESENTATIVO

[0239] Os biocatalisadores devido aos microambientes no biocatalisador, a comunicação entre os microrganismos e as alterações fenotípicas submetidas pelos microrganismos fornecem uma série de vantagens relacionadas ao processo, que incluem, porém sem limitação, • nenhum detrito sólido que é gerado, • o potencial para altas densidades de microrganismos em um biorreator, • população adequada de microrganismos e bioatividade durante períodos de tempo prolongados, • deslocamento metabólico em direção à produção em vez de crescimento e deslocamento de fluxo de carbono, • capacidade para se submeter à estase essencial por durações prolongadas, • capacidade para responder rapidamente a mudanças em taxa de suprimento de substrato e concentração, • atenuação de diauxie, • modulação e controle otimizado de pH e equilíbrios de redox no microambiente do biocatalisador, • maior tolerância a substrato, bioproduto e contaminantes, • capacidade para bioconverter substrato em concentrações ultrabaixas, • capacidade para usar microrganismos menos robustos e de crescimento mais lento e resistência aumentada a competitividade, • capacidades de pureza de cepa otimizadas, • capacidade para ser submetido ao tratamento antimicrobiano in situ, • capacidade para iniciar rapidamente um biorreator, uma vez que a população de microrganismos exigida na operação total está contida no biocatalisador, • capacidade para colocar o biocatalisador em contato com o substrato de fase gasosa, e • facilidade de separação de bioproduto do biocatalisador, facilitando, assim, as operações contínuas.

[0240] Nas discussões seguintes que pertencem a determinados usos dentre os diversos usos dos biocatalisadores dessa invenção, parte ou todas essas vantagens relacionadas ao processo fornecem aprimoramentos significantes sobre os processos existentes. Uma recitação dessas vantagens relacionadas ao processo, à medida que pertencem a cada um dos processos descritos abaixo, não é repetida para cada um e deve ser imputada para cada um dos processos.

[0241] Adicionalmente, deve-se compreender que as opções de biocatalisador, tais como a incorporação de sorventes, polissacarídeo e materiais fosforescentes (para processos fotossintéticos) podem ser usadas com qualquer um dos processos descritos abaixo. Adicionalmente, as etapas do processo, tais como esterilização in situ, bioconversão de fase de gás e configuração de reator fotossintético (para processos fotossintéticos) podem ser usadas com qualquer um dos processos descritos abaixo. Deve-se compreender que, para as discussões abaixo, as concentrações de célula em um biorreator irão depender da concentração do biocatalisador no biorreator, assim como a concentração de células dentro do biocatalisador.

[0242] As propriedades únicas dos biocatalisadores dessa invenção possibilitam muitos processos metabólicos. Abaixo são descritos alguns dos processos que fornecem bioconversões vantajosas. As figuras usadas para descrever os processos não são limitadoras e omitem equipamentos menores, tais como bombas, compressores, válvulas, instrumentos e outros dispositivos, cuja colocação e operação dos mesmos são bem conhecidas por aqueles versados em engenharia química e omitem operações de unidade auxiliares.

ÁGUA RESIDUAL URBANA

[0243] A água residual urbana contém tipicamente compostos orgânicos dissolvidos (BOD e COD), sólidos (sólidos suspensos totais, TSS), e diversos íons que incluem cátion de amônio e ânions contendo fósforo. A liberação de água residual urbana no ambiente resulta em inúmeros efeitos adversos. O nitrogênio e fósforo são os contribuintes predominantes para a eutroficação de águas de superfície. Esses nutrientes também podem conduzir a eflorescências de algas. As eflorescências de algas podem causar problemas de sabor e odor, quando a água deve ser usada para propósitos de consumo. Outras atividades bioquímicas que podem ser estimuladas pelo superenriquecimento de águas superficiais incluem a estimulação de micróbios que podem apresentar riscos para a saúde humana.

[0244] Os sistemas de tratamento de água residual urbana geralmente têm uma pluralidade de operações que incluem três estágios de tratamento do processamento. O tratamento primário separa os sólidos dos líquidos. Onde a água residual contém líquidos de baixa densidade e imiscíveis, tais como gorduras e óleos, esses líquidos são removidos da superfície, e o líquido restante passa para um tratamento secundário que usualmente usa microrganismos para degradar substancialmente, sob condições aeróbicas, contaminantes orgânicos solúveis biodegradáveis. Na completação do tratamento secundário, os sólidos a partir desses microrganismos são separados por decantação e o líquido passa para o tratamento terciário antes da descarga. Nem todas as instalações de tratamento de água residual urbana empregam o tratamento terciário. Consequentemente, o efluente pode conter quantidades significantes de compostos de nitrogênio.

[0245] O tratamento terciário pode incluir a remoção de nitrogênio. O cátion de amônio pode ser primeiramente submetido a uma nitrificação para produzir nitrito e, então, nitrato, por exemplo, na presença de Nitrosomonas spp. E, então, Nitrobacter spp. A desnitrificação exige condições anóxicas e doador de elétron. Por conseguinte, algumas instalações adicionam um doador, tal como metanol, ou até esgoto bruto. Muitas vezes, acima de 4 quilogramas de oxigênio são consumidos por quilograma de nitrogênio de amônio removido, e os processos de nitrificação e desnitrificação aumentam o consumo de energia de uma instalação típica em 30 por cento ou mais. Os sólidos são gerados pelos microrganismos e são removidos na completação do tratamento terciário, antes da descarga da água tratada.

[0246] As instalações típicas de tratamento de água residual urbana precisam tratar 4 ou 5 milhões de litros de esgoto bruto por dia, e algumas instalações tratam mais de 1 bilhão de litros de água residual urbana por dia. Devido a esses grandes volumes e ao tempo exigido para efetuar a biodegradação desejada, uma pluralidade de unidades de tratamento paralelas é exigida para manusear esse fluxo substancial de água residual urbana. Os tratamentos secundários e terciários exigem um ambiente aeróbico. Os esforços para reduzir o tempo de permanência para o tratamento para esses aeróbicos incluem o borbulhamento de ar através da água residual. O uso de ar enriquecido com oxigênio ou oxigênio fornece reduções adicionais no tempo do ciclo, isto é, na duração exigida para se alcançar a redução desejada em cátion de amônio e carbono orgânico. Ainda assim, o tempo de retenção hidráulica da água que é tratada em uma operação de tratamento secundário ou terciário muitas vezes excede pelo menos 16 horas, supostamente, entre cerca de 18 e 30, horas com um tempo de retenção de lama que pode ser a partir de 10 a 30 dias. Esse tempo de retenção hidráulica significante necessita do uso de grandes reatores. Geralmente, os reatores são operados em um modo por lote. Consequentemente, múltiplos reatores são exigidos a fim de sequenciar conexões de tal modo que a instalação de tratamento de água residual urbana possa manusear uma corrente de entrada contínua de água residual. Uma pluralidade de lagoas de decantação é exigida para efetuar a separação dos sólidos (lama) a partir de tratamentos secundários e terciários. E a lama precisa ser descartada de uma maneira ambientalmente adequada.

[0247] Um desafio adicional voltado para os tratamentos terciários é que os microrganismos às vezes não são estáveis, devido à presença de microrganismos competitivos fortuitos ou mudanças em condições ou na composição da água residual.

[0248] Hiatt na patente no. U.S. 6.025.152 revela uma mistura de bactérias que é relatada como capaz de oxidar amônia e nitritos, aminas orgânicas e organonitrilas, e reduzir de maneira aeróbica nitratos a nitrogênio molecular. O processo anammox tem sido proposto para a remoção de amônia sob condições anaeróbicas. Nesse processo anammox, as bactérias oxidam amônio sob condições anóxicas, com nitrito como o aceitador de elétron. Tipicamente, o processo anammox é conduzido com uma baixa razão entre fonte de carbono e nitrogênio, a fim de retardar o crescimento de população de bactérias de desnitrificação heterotróficas. As bactérias de anammox são muito sensíveis à presença de oxigênio, apresentando, desse modo, outro desafio para o uso em tratamento de água residual urbana.

[0249] Os processos são fornecidos, nesse aspecto da invenção, para o tratamento de água residual urbana, em que a água a partir do tratamento primário passa continuamente por um biorreator que cataboliza de maneira eficaz o carbono orgânico a dióxido de carbono e cátion de amônio a ânion de nitrato. O biorreator gera essencialmente nenhum sólido que passa para a água tratada, eliminando, desse modo, a necessidade por qualquer operação de separação de lama adicional e descarte de lama a partir de tais operações. Ademais, a bioconversão desejada de carbono orgânico e cátion de amônio pode ser muitas vezes completada com um tempo de retenção hidráulica relativamente curto, muitas vezes, menor que cerca de 12, e em aspectos preferidos, menor que cerca de 6, horas. Os tempos de retenção hidráulica curtos possibilitam que um biorreator com pequena área ocupada seja usado, e uma vez nos processos contínuos, uma pluralidade de biorreatores grandes, de outra forma exigida a operar em modo por lote, não é exigida. Esses tempos de permanência hidráulica relativamente curtos podem ser obtidos sem a necessidade de usar ar enriquecido com oxigênio ou oxigênio. Preferencialmente, a concentração de oxigênio dissolvido na corrente de água residual durante o contato com o biocatalisador é de pelo menos cerca de 1 miligrama por litro e, de preferência, entre cerca de 2 a 3 miligramas por litro, para economizar custos de aeração. Adicionalmente, a concentração de oxigênio na água residual não precisa ser alta para se alcançar os tempos curtos de retenção hidráulica, e os tempos curtos de retenção hidráulica reduzem a quantidade de energia exigida para aerar a água residual para uma determinada redução em amônia e carbono orgânico.

[0250] Nos aspectos amplos desse aspecto da invenção, os processos para catabolizar carbono orgânico e cátion de amônio dissolvidos em uma corrente de água residual compreendem: • . passar continuamente a dita corrente de água residual para um biorreator que contém biocatalisador, dessa invenção, com microrganismos substancialmente retidos de modo irreversível no mesmo, com capacidade para catabolizar o carbono orgânico dissolvido em dióxido de carbono e cátion de amônio em ânion de nitrato, de preferência, um microrganismo de oxidação de amônia; • . colocar no dito biorreator a dita corrente de água residual em contato com o dito biocatalisador na presença de oxigênio, durante um tempo suficiente para fornecer um efluente oxidado que contém menos que cerca de 5, de preferência, menos que cerca de 1 ppm, em massa de cátion de amônio e que tem uma demanda de oxigênio bioquímico reduzida (BOD), de preferência, menos que cerca de 10, de preferência, menos que cerca de 4, miligramas por litro, em que substancialmente nenhum sólido passa a partir do biocatalisador para o efluente oxidado.

[0251] Se desejado, o efluente oxidado é submetido a operações de unidade subsequentes, por exemplo, para a bioconversão de nitrato em nitrogênio e para a remoção de fósforo. Preferencialmente, a desnitrificação é conduzida com o uso de biocatalisador dessa invenção, com microrganismos substancialmente retidos de modo irreversível no mesmo, com capacidade para desnitrificar ânion de nitrato, de preferência, um microrganismo de desnitrificação heterotrófico. Retendo-se de maneira substancialmente irreversível os microrganismos de desnitrificação no biocatalisador dessa invenção, a água residual que é tratada não precisa ser submetida à desaeração para se obter alta bioatividade de desnitrificação.

[0252] Uma vantagem de operações de unidade de nitrificação e desnitrificação sequenciais, de acordo com esse aspecto da invenção, é que a fonte de carbono para a desnitrificação pode ser controlada para atender a exigência estequiométrica para a desnitrificação, sem resultar em um aumento de COD no efluente. O carbono orgânico a partir da operação de nitrificação pode variar dependendo da composição e taxa de introdução da água residual na operação de nitrificação e da operação de nitrificação para alcançar a redução desejada em concentração de cátion de amônio. Consequentemente, a COD na água a partir da operação de nitrificação pode ser acima de cerca de 5, de preferência, menor que cerca de 20, miligramas por litro. Esse carbono orgânico compensa, desse modo, qualquer fonte de carbono exigida para a desnitrificação.

[0253] Em outra modalidade preferida desse aspecto da invenção, pelo menos uma porção dos sólidos contidos na água residual que é processada, por exemplo, detritos a partir de microrganismos nativos, é hidrolisada e degradada para reduzir adicionalmente a BOD e TSS no efluente. Tipicamente, esses sólidos tendem a não aderir no biocatalisador, especialmente biocatalisadores que têm uma cobertura, devido às correntes de água que passam através do leito de biocatalisador. Com a redução da velocidade da água que é tratada, por exemplo, conforme aconteceria à medida que a água emerge a partir do leito de biocatalisador ou fornecendo-se uma seção expandida, pelo menos alguns sólidos são soltos da água e podem ser submetidos à hidrólise por períodos de tempo prolongados. Os valores de carbono a partir da hidrólise dos detritos se tornam dissolvidos na água tratada e passam para um biorreator subsequente para a degradação de valores de carbono. A retenção de sólidos pode ocorrer em inúmeros pontos nos processos dessa invenção. Por exemplo, a operação de nitrificação pode conter dois ou mais biorreatores em série e a hidrólise ocorre entre os leitos de biocatalisador nesses biorreatores. Semelhantemente, a retenção de sólidos para a hidrólise pode ocorrer entre as operações de nitrificação e desnitrificação.

[0254] Uma vez que os processos dessa invenção usam biocatalisador em que os microrganismos são retidos e têm uma capacidade para retardar ou excluir a entrada de microrganismos nativos, o microrganismo selecionado pode ser alvejado em relação à atividade desejada, e o biocatalisador muitas vezes contém uma cepa substancialmente pura dos microrganismos, possibilitando, assim, que seja alcançada a bioatividade maior que aquela que pode ser obtida com o uso de microrganismos nativos ou lodo ativado.

[0255] A água residual bruta pode ser a partir de qualquer fonte, embora os processos dessa invenção sejam particularmente úteis para o tratamento de água residual urbana. A água residual bruta tem tipicamente uma BOD entre cerca de 50 ou 100 e 600 ou mais miligramas de oxigênio por litro. A COD da água residual é maior que a BOD e é muitas vezes substancialmente maior, por exemplo, até 5.000 ou mais miligramas por litro. O teor de cátion de amônio da água residual bruta também pode variar sobre uma ampla faixa e é muitas vezes entre cerca de 10 e 700, mais frequentemente, entre cerca de 25 e 200 miligramas por litro. A água residual bruta pode conter outros componentes que incluem, porém sem limitação, compostos de enxofre, compostos de fósforo, sais inorgânicos e metais solubilizados.

[0256] Preferencialmente, a água residual a ser tratada contém menos que cerca de 200 e com frequência menos que cerca de 100 gramas por litro de sólidos que têm uma dimensão principal maior que cerca de 10 mícrons. Se desejado, a água residual pode ser submetida à ultrafiltragem para remover substancialmente todos os microrganismos competitivos antes de passar pelo biorreator aeróbico.

[0257] A água residual passa para pelo menos um biorreator aeróbico que contém biocatalisador para a bioconversão de carbono orgânico em dióxido de carbono e cátion de amônio em ânion de nitrato. A água no biorreator aeróbico contém oxigênio dissolvido. Preferencialmente, a concentração de oxigênio dissolvido na corrente de água residual durante um contato com o biocatalisador é pelo menos cerca de 2, diga-se, pelo menos cerca de 3 ou mais miligramas por litro. Convenientemente, o oxigênio é suprido por ar ou ar enriquecido com oxigênio. O oxigênio pode ser suprido por qualquer meio conveniente que inclui por borbulhamento ou pulverização de gás que contém oxigênio pela água ou agitação ou de outra forma tratamento mecânico da água como por aspersão para facilitar o contato água-gás. Os componentes oxidantes incluem, mas não se limitam a, peróxido e percarbonato. O ambiente fornecido pelo biocatalisador pode servir para proteger os microrganismos retidos no mesmo dos efeitos de peróxido, percarbonato e outros componentes oxidantes. Onde tais componentes oxidantes são usados, a concentração de oxigênio ativo é preferencialmente na faixa dentre cerca de 1 e 10, mais preferencialmente, entre cerca de 1 e 5 miligramas por litro. Em geral, Condições Mesofílicas Comuns são usadas. Para a maioria das instalações municipais de água residual, as outras condições do tratamento aeróbico normalmente são aquelas definidas pelas condições ambientais.

[0258] O biorreator aeróbico pode ser em qualquer configuração adequada que inclui Sistemas de Biorreator Comuns, preferencialmente adequado para operação contínua. Com frequência, a densidade de célula é pelo menos cerca de 100, preferencialmente pelo menos cerca de 200, e algumas vezes entre cerca de 400 e 800 gramas por litro.

[0259] A duração do contato entre a água residual e o biocatalisador durante o tratamento aeróbico no biorreator é suficiente para fornecer a redução desejada de carbono orgânico metabolizável e de cátion de amônio. A duração irá, assim, depender da concentração do carbono orgânico e do cátion de amônio na água residual, da redução desejada e da densidade de microrganismos no biorreator, assim como as condições empregadas. Tempos médios relativamente baixos de retenção hidráulica podem ser realizados. O tempo médio de retenção hidráulica, em alguns casos, é menor que cerca de 6 e mais preferencialmente menor que cerca de 4 horas. Assim, o biorreator pode ser relativamente compacto, isto é, fornecer baixas dimensões, mas lidar com altos volumes de água residual a serem tratados.

[0260] Se desejado, o efluente oxidado pode ser filtrado. O efluente oxidado pode ser descarregado do sistema de tratamento de água residual, mas uma vez que o mesmo contém ânion de nitrato, o mesmo normalmente é submetido a um processo para reduzir ânion de nitrato para nitrogênio. Qualquer operação de unidade de desnitrificação adequada pode ser usada. Uma operação de unidade de desnitrificação particularmente vantajosa usa um biocatalisador desta invenção que tem retido de modo substancialmente irreversível no mesmo microrganismos desnitrificantes de forma que nenhuma pasta fluida é gerada que necessita ser removido do processo.

[0261] Conforme mencionado acima, a desnitrificação pode ser conduzida no mesmo biorreator no qual uma nitrificação ocorre ou em um biorreator separado. A operação de unidade de desnitrificação pode ser incorporada no tratamento aeróbico para catabolizar carbono orgânico e cátion de amônio. Um processo usa um biocatalisador desta invenção que contém microrganismo capaz tanto de nitrificação quanto de desnitrificação discutidas em outro lugar no presente documento. Alternativamente, o biocatalisador desta invenção que contém microrganismos de desnitrificação pode ser intermisturado com o biocatalisador para a oxidação. Acredita-se que os microambientes fornecidos pelo biocatalisador geram condições anaeróbicas e, então, permitem que a desnitrificação ocorra. Com mais frequência, a remoção de ânion de nitrato é conduzida em uma operação de unidade separada. Onde a concentração de ânion de nitrato é baixa, o uso de resinas de troca de íon pode ser possível. Os processos de redução química também foram propostos, por exemplo, para usar dióxido de enxofre ou outro agente redutor. Entretanto, a maioria das instalações de água residual municipal que removem ânion de nitrato usam processos metabólicos sob condições anóxicas ou condições anaeróbicas e pasta fluida ativada. O efluente desnitrificado normalmente contém menos que cerca de 1, preferencialmente menos que cerca de 0,01 miligramas de ânion de nitrato por litro.

[0262] Microrganismos desnitrificantes comuns incluem uma espécie de Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus e Micrococcus como Paracoccus denitrificans, Thiobacillus denitrificans e Micrococcus denitrificans. Os microrganismos desnitrificantes exigem a presença de carbono orgânico metabolizável, assim como condições anóxicas. Normalmente, microrganismos desnitrificantes são menos sensíveis a produtos químicos tóxicos que são microrganismos nitrificantes e recuperam de choque tóxico mais rapidamente que microrganismos nitrificantes, especialmente microrganismos autotróficos. Biorreatores comuns incluem aqueles que têm uma suspensão livre de microrganismos e aqueles que têm microrganismos suportados que podem estar em um leito fixo ou com enchimento ou leito fluidizado.

[0263] Nesses processos, as Condições Mesofílicas Comuns podem ser usadas. O pH da água a ser tratada irá depender da fonte da mesma. Em geral, o pH é mantido entre cerca de 4 e 8,5, por exemplo, entre 6,0 e 8,0. Tampões, se desejado, podem ser usados para manter a água em um dado valor de pH durante o processo. Em alguns casos, pode ser possível usar carbono orgânico metabolizável restante do tratamento aeróbico. Geralmente, o carbono orgânico metabolizável é adicionado separadamente de uma maneira controlada para garantir que o efluente desnitrificado tem um baixo BOD. Qualquer carbono orgânico metabolizável adequado pode ser usado como metanol, ânion de acetato e similares.

[0264] Uma compreensão geral desse processo pode ser facilitada por referência às Figuras 4 e 5.

[0265] Um aparelho 400 é uma representação esquemática de uma instalação de tratamento de água residual municipal que usa os processos desta invenção. A água residual municipal entra no aparelho 400 através da linha 402. Para propósitos de facilitar a compreensão e não como limitação da invenção, a água residual contém cerca de 50 partes por milhão em massa de cátion de amônio e tem um BOD de cerca de 150 miligramas por litro. A água residual passa para a centrífuga 404 para separação de sólidos. Deve ser compreendido que, ao invés da centrífuga 404, um filtro ou lagoas de decantação podem ser usados. Uma calda espessa que contém sólidos é extraída da centrífuga 404 através da linha 406. Um líquido sobrenadante passa da centrífuga 404 através da linha 408 para um biorreator 410.

[0266] O biorreator 410 contém biocatalisador desta invenção adequado para a conversão catabólica de carbono orgânico em dióxido de carbono e cátion de amônio em ânion de nitrato. Para os propósitos desta discussão, o biocatalisador é substancialmente aquele do Exemplo 148 que contém Rhodococcus sp. Ar entra no biorreator 410 através da linha 412 e efluente gasoso é extraído através da linha 414. O tempo de permanência hidráulica médio no biorreator 410 é suficiente para fornecer um efluente oxidado que tem uma concentração de cátion de amônio menor que 5 partes por milhão em massa e um BOD menor que 20 miligramas por litro. O biorreator 410 é um reator de leito de fluxo descendente para os propósitos desta ilustração. Devido a substancialmente nenhum sólido ser gerado, nenhuma operação de unidade de separação de sólidos é necessária. Entretanto, se desejado, o efluente oxidado pode passar por um filtro para remover pelo menos uma porção de quaisquer sólidos presentes.

[0267] Um biorreator preferencial é ilustrado na Figura 5 na qual componentes similares têm o mesmo número de identificação que aqueles na Figura 4. O licor sobrenadante passa através da linha 408 para um biorreator 410 no topo de um leito de biocatalisador 502. O ar é introduzido no biorreator 410 através da linha 412 e do distribuidor 504 em uma porção de fundo do reator 410. O ar flui para cima pelo leito de biocatalisador. Um efluente gasoso é extraído através da linha 414 no topo do biorreator 410 e um efluente oxidado é extraído através da linha 416 do fundo do biorreator 410 através da linha 416. O biorreator 410 é revelado como tendo zona de retenção 506 abaixo do leito do biocatalisador. Essa zona de retenção serve para reter pelo menos uma porção dos sólidos, pelo menos alguns dos quais são hidrolisados para orgânicos que podem ser oxidados adicionalmente para dióxido de carbono durante processamento subsequente do efluente. A oxidação metabólica dos orgânicos pode ser efetuada pelos microrganismos usados no biocatalisador, por exemplo, para a nitrificação, desnitrificação ou remoção de fosfato. Algumas vezes, os microrganismos nativos no biorreator de nitrificação e qualquer reator subsequente que usa o biocatalisador desta invenção contribuem menos do que cerca de 5, com frequência entre cerca de 1 e 3 ou 4 por cento da bioatividade observada.

[0268] O efluente oxidado passa de um biorreator 410 através da linha 416 para um biorreator anaeróbico 420. O biorreator anaeróbico 420 serve para reduzir o ânion de nitrato em nitrogênio e opera sob condições anaeróbicas. Vantajosamente, o biorreator anaeróbico 420 contém biocatalisador substancialmente conforme apresentado no Exemplo 168 que contém microrganismos de Paracoccus denitrificans. A presença de algum oxigênio, por exemplo, até cerca de 2 ou 4 partes por milhão em massa, pode ser tolerada no efluente oxidado sendo tratado em um biorreator anaeróbico 420. Uma vez que o carbono orgânico é substancialmente reduzido no biorreator 410, o carbono orgânico adicional como ânion de acetato é adicionado através da linha 418 ou ao efluente oxidado na linha 416 ou ao biorreator anaeróbico 420. O biorreator anaeróbico 420 pode ser qualquer tipo adequado de reator. Para os propósitos da discussão, é um biorreator de leito fixo de fluxo descendente. O tempo de permanência hidráulica médio é, com frequência, menor que cerca de 1 hora.

[0269] O nitrogênio e outros gases saem do biorreator anaeróbico 420 através da linha 422. Uma vantagem adicional do uso do biocatalisador é que relativamente poucos dos compostos de enxofre contidos no efluente oxidado são reduzidos para sulfato de hidrogênio ou outros compostos de sulfidrila. O biorreator anaeróbico 420 fornece um efluente desnitrificado extraída através da linha 424. O efluente normalmente contém menos que cerca de 1 parte por milhão por massa de ânion de nitrato.

EXEMPLO 216

[0270] Um aparelho que contém um biorreator nitrificante e um biorreator desnitrificante similar àquele descrito em conexão com a Figura 4 é usado para esse exemplo. O exemplo é conduzido com temperaturas de água residual dentro da faixa de cerca de 20°C a 25°C.

[0271] O efluente de um tratamento primário na usina de água residual municipal em Union City, Califórnia, é usado como a alimentação para o aparelho. Amostras frescas de efluente são obtidas normalmente diariamente tanto para garantir que água residual bruta fresca é usada e observar o efeito, se houver, de variações na composição de água bruta sendo alimentada para uma instalação de água residual municipal. Alterações no uso, escoamento de chuva e operação do tratamento primário podem ter todos um efeito. O efluente primário é mantido em um tanque de retenção que é aerado para controlar odor. O COD do tratamento primário efluente varia de cerca de 80 a 440 miligramas por litro e o BOD varia de cerca de 50 a mais de 160 miligramas por litro. A concentração de cátion de amônio varia entre cerca de 25 e 55 miligramas por litro.

[0272] O efluente primário é alimentado ao biorreator aeróbico de nitrificação que contém biocatalisador substancialmente conforme apresentado no Exemplo 148. Durante os primeiros 17 dias de operação, o efluente primário é alimentado ao biorreator sem filtragem. Após isso, o efluente é filtrado. O reator de nitrificação aeróbico é um biorreator de fluxo descendente com ar sendo alimentado no fundo que faz causa uma suspensão do biocatalisador. Uma placa perfurada é usada para reter o leito do biocatalisador e distribuir o ar no biorreator. O influente de biorreator tem uma concentração de oxigênio dissolvido de cerca de 5 a 8 miligramas por litro. Diversos tempos de retenção hidráulica são usados variando de cerca de 3 horas a cerca de 5 horas. O biorreator aeróbico de nitrificação tem um volume no fundo onde se observa que os sólidos decantam. O efluente passa, então, para um biorreator anóxico de leito fluidizado que contém o biocatalisador substancialmente conforme apresentado no Exemplo 101. Nenhuma operação de unidade é usada para remover oxigênio do efluente do reator de nitrificação antes da introdução do mesmo no de desnitrificação. O efluente do biorreator de desnitrificação contém cerca de 2 a 5 miligramas de oxigênio por litro. O tempo de permanência hidráulica no biorreator de desnitrificação é de cerca de 20 minutos.

[0273] Após 3 dias de operação, a análise de efluente do biorreator de desnitrificação começa e continua por cerca de 8 semanas. Após 3 dias, o BOD é menor que 20 miligramas por litro e a amônia é cerca de 1 miligrama por litro em um tempo de retenção hidráulica no biorreator de nitrificação de cerca de 5 horas. Após cerca de 14 dias, o BOD permaneceu sob cerca de 10 miligramas por litro independente do tempo de retenção hidráulica no biorreator de nitrificação ser 3, 4 ou 5 horas. A concentração de cátion de amônio do efluente também permaneceu relativamente constante em 1 ou menos miligrama por litro, exceto por alguns dias, mas sempre abaixo de cerca de 10 miligramas por litro. O nitrato total e o nitrito no efluente do biorreator desnitrificante normalmente estão abaixo de 10 e na maioria dos dias abaixo de cerca de 5 miligramas por litro, embora uma excursão ocasional de até cerca de 15 miligramas por litro seja observada.

EXEMPLO 217

[0274] Substancialmente o mesmo aparelho descrito no Exemplo 216 é usado para esse exemplo. A água residual é obtida da usina de água residual municipal em Union City, Califórnia e tem um COD de cerca de 350 a 400 miligramas por litro e BOD de cerca de 130 a mais de 160 miligramas por litro. A concentração de cátion de amônio varia entre cerca de 40 a 55 miligramas por litro.

[0275] O biorreator aeróbico contém biocatalisador substancialmente conforme descrito no exemplo 134 e é operado substancialmente conforme apresentado no exemplo anterior. O tempo de permanência hidráulica médio é cerca de 3 horas no biorreator aeróbico. O efluente do biorreator aeróbico contém tanto nitrato quanto ânion de nitrito. O efluente passa, então, para o biorreator anaeróbico que contém biocatalisador substancialmente conforme descrito no exemplo 52. A concentração de oxigênio dissolvido no efluente do biorreator aeróbico é cerca de 4 miligramas por litro. O tempo de permanência hidráulica médio no segundo biorreator é cerca de 24 minutos e o efluente contém um nitrogênio total abaixo de cerca de 10 miligramas por litro.

II. REMOÇÃO DE FOSFATO

[0276] Conforme mencionado acima, fósforo pode levar à eutrofização. Assim, em alguns casos, regulamentos governamentais exigiram a remoção de fosfato de correntes de água residual, com frequência para abaixo de cerca de 1 parte por milhão em massa (ppm-m). Independente da presença de fósforo em águas superficiais, ironicamente fósforo é um recurso limitado. Muitos dos fertilizantes comerciais que contêm fósforo derivam aquele fósforo da mineração de rocha de fósforo e as reservas de rocha de fósforo se tornam esgotadas.

[0277] Inúmeros processos para o tratamento de água para reduzir concentração de fosfato foram propostos como precipitação química e tratamento biológico. Um processo revelado para tanto remover fosfato da água quanto fornecer um fertilizante que contém fósforo é revelado por Britton na Publicação de Pedido de Patente dos Estados Unidos 2012/0031849. No processo revelado, a estruvita é produzida pela adição de magnésio à água que contém fosfato. A estruvita é precipitada como pelotas que podem ser usadas como fertilizante ou para outras aplicações. Em 2007, A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos emitiu um relatório "Biological Nutrient Removal Processes and Costs" (Relatório da EPA). Esse estudo considerou tanto a rota de precipitação química quanto a rota de tratamento biológico para remover fosfatos solúveis que incluem o custo para instalação e operação de unidades comerciais selecionadas.

[0278] Por esta invenção, são fornecidos processos biológicos para a remoção de fosfato solúvel da água com o uso de biocatalisadores desta invenção. Esses processos para a redução biológica de fosfato solúvel em água compreendem: a. colocar em contato a dita água em um biorreator com um biocatalisador desta invenção que tem retido de modo substancialmente irreversível no mesmo microrganismos acumuladores de fosfato (PAOs) sob condições acumuladoras de fosfato por um tempo suficiente para reduzir a concentração de fosfato na dita água e fornecer um biocatalisador que contém microrganismo carregado de fosfato em que as ditas condições acumuladoras de fosfato compreendem a presença de poliidróxialcanoato (PHAs), especialmente poli-β-hidroxibutirato dentro dos ditos microrganismos e a presença de condições aeróbicas ou anóxicas na água: b. submeter o dito biocatalisador que contém microrganismo carregado de fosfato a condições anaeróbicas em um meio aquoso suficiente para liberar fosfato dos ditos microrganismos no dito meio aquoso para fornecer um meio aquoso rico em fosfato; e c. separar o dito biocatalisador do meio aquoso rico em fosfato para uso e a etapa (a).

[0279] Exemplos de microrganismos acumuladores de fosfato incluem, mas não se limitam a, Acintobacter spp., Actinobacteria, Candiidatus Accumulibacter phosphatates, α-Proteobacteria, β-Proteobacteria e Y— Proteobacteria.

[0280] Os processos desta invenção tratam água para remover fosfato solúvel (fosfato solúvel, conforme usado no presente documento, concebe incluir fosfato monobásico, fosfato dibásico, fosfato tribásico e ânions de pirofosfato). A água a ser tratada (no presente documento referida como "corrente de água bruta") pode ser derivada de qualquer fonte adequada que inclui, mas não se limita a, água de superfície e subterrânea, água residual municipal, água residual industrial e água gerada pelas operações de mineração. Devido à robustez fornecida pelo biocatalisador, a água a ser tratada pode conter um número de componentes que incluem a presença de componentes que afetariam, se os microrganismos estivessem em uma suspensão livre, adversamente a remoção de fosfato. A alimentação de água bruta pode ser submetida a operações de unidade para remover um ou mais componentes antes de ser submetida à remoção de fosfato ou pode ser alimentada diretamente ao processo de remoção de fosfato.

[0281] A alimentação de água bruta com frequência contém pelo menos cerca de 2, digamos pelo menos cerca de 4 miligramas de fosfato (calculada como PO4+3) por litro. A água residual municipal frequentemente contém entre cerca de 4 e 20 miligramas de fosfato por litro; entretanto, os processos desta invenção podem ser usados para tratar correntes de água bruta que contêm altas concentrações de fosfato, por exemplo, 500 ou mais miligramas por litro.

[0282] Os processos desta invenção servem para reduzir a concentração de fosfato solúvel na alimentação de água bruta para fornecer água tratada. A redução na concentração de fosfato solúveis é, com frequência, pelo menos cerca de 50, preferencialmente pelo menos cerca de 70 por cento. Nos aspectos preferenciais desta invenção, a água tratada contém menos que cerca de 1 e com frequência menos que cerca de 0,1 miligrama de fosfato por litro. Vantajosamente, as baixas concentrações de fosfato na água tratada podem ser obtidas sem a necessidade de usar um precipitante químico. A água tratada pode ser adequada para descarga, reciclagem ou processamento adicional. Uma vez que essencialmente nenhuma pasta fluida de detritos microbianos é gerada, A água tratada não precisa ser submetida a operações pós-tratamento como lagoas de decantação.

[0283] A remoção de fosfato é efetuada sob condições oxidantes. As condições oxidantes podem ser fornecidas pelo suprimento de oxigênio ou de componente oxidante. Convenientemente, o oxigênio é suprido por ar ou ar enriquecido. Geralmente, o teor de oxigênio dissolvido da alimentação de água bruta durante a remoção de fosfato é pelo menos cerca de 1, preferencialmente pelo menos cerca de 2, digamos, entre cerca de 2 e 20 miligramas por litro, o oxigênio pode ser suprido por qualquer meio conveniente que inclui por borbulhamento ou pulverização de gás que contém oxigênio pela água ou agitação ou outra forma de tratamento mecânico para a água para facilitar contato água-gás. Os componentes oxidantes incluem, mas não se limitam a, nitrato, peróxido e percarbonato. Onde tais componentes oxidantes são usados, a concentração de oxigênio ativo está preferencialmente na faixa dentre cerca de 1 e 10, mais preferencialmente entre cerca de 1 e 5 miligramas por litro.

[0284] Como a maioria dos microrganismos acumuladores de fosfato é mesófilos, Condições de Mesófilo Comuns podem ser usadas. O pH da corrente de água bruta sendo tratada é preferencialmente mais básico que cerca de 6 e é, com frequência, na faixa dentre cerca de 6 ou 6,5 e 9.

[0285] A duração do contato entre a corrente de água bruta e o biocatalisador durante a etapa de remoção de fosfato é suficiente para fornecer a redução desejada de fosfato solúvel na água. A duração irá, assim, depender da concentração do fosfato solúvel na corrente de água bruta, da redução desejada de concentração de fosfato e da densidade de microrganismos acumuladores de fosfato no biorreator, assim como as condições empregadas para a remoção de fosfato. Devido à alta concentração de microrganismos que acumulam fosfato que pode ser fornecida pelo uso do biocatalisador, um ciclo de batelada ou tempos de retenção hidráulica relativamente baixos podem ser realizados.

[0286] Os microrganismos acumuladores de fosfato retêm o fósforo em excesso da quantidade necessária para processos biológicos na forma de polifosfato dentro da célula. Em algumas realizações, a água que contém fosfato concentrada tem uma concentração de fosfato pelo menos 10 vezes maior que aquela da alimentação de água bruta. Em alguns casos, essa água concentrada terá pelo menos cerca de 100, preferencialmente pelo menos cerca de 500 miligramas de fosfato por litro. Normalmente maiores concentrações de fosfato em água concentrada resultam em menos energia ser necessária para obter um produto que contém fosfato sólido.

[0287] Uma transição entre os estágios aeróbico e anaeróbico é necessária e pode ser efetuada de qualquer maneira adequada. Por exemplo, o suprimento de oxigênio ou outro composto oxidante para a água bruta sendo processada no biorreator pode ser terminado. O oxigênio residual pode ser consumido no acúmulo de quantidades adicionais de fosfato e, então, a água sendo tratada pode ser deslocada com o meio aquoso separado concebido para acumular o fosfato liberado.

[0288] Nos processos desta invenção, a liberação do fosfato é dentro de um meio aquoso separado que na água tratada. Em operações preferenciais, a liberação do fosfato permite que uma água que contém fosfato concentrada seja obtida que é relativamente livre da presença de outros contaminantes que podem ser contidos na corrente de água bruta. Assim, a água concentrada tem utilidade intensificada no fornecimento de fosfato adequado para uso industrial ou agrícola. Se desejado, o fosfato pode ser recuperado da água que contém fosfato concentrada. Qualquer processo adequado pode encontrar aplicação para efetuar tal recuperação. As operações de unidade para fornecer água ainda mais concentrada incluem precipitação química, evaporação e osmose reversa.

[0289] O fósforo pode ser liberado pela manutenção dos microrganismos sob condições anaeróbicas. Com frequência, a concentração de oxigênio dissolvido na água (ou valor oxidante de um composto oxidante que é usado ao invés de oxigênio) é menor que cerca de 0,5, preferencialmente menor que cerca de 0,2 miligrama por litro. Deve ser compreendido que alguns microambientes dentro do biocatalisador podem ter concentrações maiores ou menores de oxigênio. De fato, em uma operação contínua é possível sequenciar entre o estágio de remoção de fosfato aeróbico e o estágio de liberação de fosfato anaeróbico de forma que somente uma porção dos microrganismos retidos no biocatalisador são usados para remover e liberar fósforo. Acredita-se que o restante dos microrganismos não somente estão disponíveis para acomodar alterações na taxa de fluxo de volume da corrente de água bruta e a concentração de fosfato da mesma, mas também serve para transferir oxigênio e fosfato dentro do biocatalisador.

[0290] Como as condições de temperatura, pressão e pH para a liberação de fosfato podem ser as mesmas que aquelas para a recuperação de fosfato da água bruta, com frequência não há necessidade de propositalmente induzir uma alteração. Normalmente, não é necessário adicionar nutrientes, os quais incluem micronutrientes, ao meio aquoso separado.

[0291] Para alguns microrganismos, a taxa cinética de liberação de fosfato dos microrganismos é mais rápida que para o acumulo de fosfato. Preferencialmente, o estágio de liberação de fosfato é operado para fornecer uma alta concentração de fósforo no produto que contém fosfato concentrado. Se desejado, o estágio de liberação de fosfato pode ser operado em duas ou mais etapas, a primeira sendo para fornecer a concentração máxima de fosfato no meio aquoso e as etapas posteriores para fornecer a redução do fosfato contido nos microrganismos, apesar de fornecer um produto que contém fosfato concentrado que tem uma menor concentração de fosfato que aquela do estágio de remoção de fosfato.

[0292] Durante o acumulo do fosfato, acredita-se que o PHA e oxigênio ou compostos oxidantes são bioconvertidos em dióxido de carbono e água. Em geral, entre cerca de 2 e 20, preferencialmente entre cerca de 4 e 10 átomos de carbono de PHA são bioconvertidos por átomo de fósforo de fosfato solúvel acumulado no microrganismo. O PHA é formado pelos microrganismos acumuladores de fosfato sob condições anaeróbicas na presença de substrato que contém carbono. Ácidos graxos voláteis de 2 a 5 átomos de carbono têm sido geralmente preferenciais como o substrato que contém carbono. Entretanto, com o uso de biocatalisadores desta invenção, fontes de carbono mais complexas como açúcares e ácido acético podem ser usados para gerar o PHA.

[0293] Os processos desse aspecto da invenção, pela retenção dos microrganismos acumuladores de fosfato no biocatalisador, fornecem flexibilidade significativa de quando a produção de PHA ocorre. Por exemplo, o substrato que contém carbono pode ser fornecido durante pelo menos uma porção da duração da liberação de fosfato ou um estágio anaeróbico separado pode ser empregado especificamente para a produção de PHA. No caso posterior, os microambientes dentro do biocatalisador e o estado metabólico dos microrganismos permitem aos microrganismos permanecerem viáveis durante a duração do estágio de liberação do fosfato. Esse caso posterior é benéfico onde se deseja que o produto que contém fosfato concentrado tenha uma ausência essencial de compostos orgânicos adicionados.

[0294] A taxa cinética para a formação de PHA depende, em parte, do substrato que contém carbono usado e da concentração do substrato. Na maioria dos casos, a taxa de reação biológica para PHA é mais rápida que aquela para o acumulo de fosfato. Adicionalmente, o biocatalisador pode permitir a retenção de substrato que contém carbono além da duração do estágio de geração de PHA e os microrganismos mais oclusos no biocatalisador podem ter uma ausência suficiente de oxigênio e uma presença suficiente de substrato que contém carbono para gerar PHA adicional.

[0295] Os processos podem ser conduzidos em uma batelada, base semicontínua e contínua e são conduzidos preferencialmente em uma base contínua. O biorreator pode ser em qualquer configuração adequada que inclui Sistemas de Biorreator Comuns. Um biorreator pode ser empregado e a batelada ciclada por todos os estágios de remoção de fosfato e deliberação. Para a maioria das operações comerciais, a operação em uma base contínua é preferencial. O biocatalisador pode ser movido de um biorreator para outro, com cada um dos biorreatores sendo adaptado para realizar uma função diferente, por exemplo, um biorreator para remoção de fosfato da água bruta; um biorreator para liberação de fosfato; e, opcionalmente, um biorreator separado para geração de PHA. Dessa maneira, fluxos contracorrente do biocatalisador e da água podem ocorrer em cada biorreator para facilitar a remoção de fosfato solúvel da corrente de água bruta e maximizar a concentração de fosfato no produto que contém fosfato. Outra abordagem é ciclar cada biorreator que contém biocatalisador de, por exemplo, um estágio de remoção de fosfato a um estágio de liberação de fosfato, para um estágio de geração de PHA. Combinações dessas duas abordagens podem ser usadas. Por exemplo, um biorreator pode ser usado para remover fosfato da corrente de água bruta e o estágio removedor de fosfato é, então, parado com o biocatalisador sendo, então, fornecido para um biorreator de fluxo contracorrente que opera sob condições anaeróbicas para fornecer um produto que contém fosfato altamente concentrado. O biocatalisador é, então, fornecido para outro biorreator com uma primeira operação sob condições de formação de PHA e é, então, transicionado para condições para remoção de fosfato.

[0296] Uma compreensão geral da invenção e a aplicação da mesma podem ser facilitadas pela referência a Figuras 6, 7 e 8.

[0297] A Figura 6 é uma representação esquemática de um tipo de aparelho geralmente designado como 600 adequado para praticar os processos desta invenção. Conforme representado, o aparelho compreende 5 conjuntos de biorreator A, B, C, D e E. Cada um dos conjuntos será descrito em detalhes adicionais em relação à Figura 7.

[0298] Para os propósitos da discussão, os biorreatores são reatores de leito fluidizado, embora possa ser imediatamente reconhecido que outros tipos de biorreatores, como com leito fixo e leito com enchimento, podem ser usados. Conforme mostrado, o aparelho é um número de condutores de transporte de fluido que podem compreender uma ou mais linhas condutoras de fluido. O conjunto de condutor de fluxo de água é indicado pelo elemento 602 e fornece o transporte de água bruta para os conjuntos de biorreator, assim como água entre os conjuntos de biorreator e água sendo reciclada dentro de um conjunto de biorreator. A linha 604 é adaptada para fornecer fonte de carbono, se necessário, para o conjunto de condutor 602. O condutor de ar 606 é adaptado para suprir ar ou outro gás que contém oxigênio a cada um dos conjuntos de biorreator. O condutor de dreno 608 é adaptado para transportar água de treino de um conjunto de biorreator para outro. O conjunto de condutor 610 é adaptado para fornecer comunicação fluida dentro de um conjunto de biorreator, de um conjunto de biorreator para outro conjunto de biorreator e para a remoção de uma corrente que contém fosfato concentrada. O conjunto de condutor 612 é adaptado para extrair água tratada do aparelho. O conjunto de condutor 614 é adaptado para escapar gases do aparelho. Na Figura 6, os elementos circulares geralmente indicam conjuntos de válvulas. Os conjuntos de válvulas e a operação serão discutidos adicionalmente em conexão com Figura 7.

[0299] A Figura 7 é uma representação mais detalhada dos conjuntos de biorreator da Figura 6. Conforme mostrado, os conjuntos de biorreator compreendem um biorreator 702. O biorreator 702 contém biocatalisador que compreende Candidatus Accumulibacter phosphatis. A linha 704 é adaptada para direcionar correntes aquosas para o biorreator 702. Conforme será discutido a seguir, a corrente aquosa pode ser uma corrente de água bruta, uma corrente de outro biorreator ou uma corrente de reciclagem. A linha 706 fornece gás que contém oxigênio, normalmente ar, ao biorreator. A Válvula 708 controla o fluxo ali e o distribuidor 710 serve para distribuir o gás que contém oxigênio no biorreator 702. A linha 712 é fornecida no fundo do biorreator 702 para os propósitos de purga ou dreno do biorreator 702. A válvula 714 controla o fluxo de água através da linha 712.

[0300] No topo do biorreator 702 é fornecida a linha 720 para os propósitos de extrair gases como o residual do gás que contém oxigênio suprido através da linha 706 e dióxido de carbono que resulta da atividade metabólica. A válvula 722 é fornecida em linha 720 e é adaptada para controlar o fluxo de gases pela linha 720. Esses gases de extração normalmente são descarregados para a atmosfera; entretanto, os mesmos podem ser submetidos a um tratamento para inserir ou remover componentes como metano. Conforme mostrado, em uma porção superior de biorreator 702, a linha 716 é fornecida para extrair água tratada do biorreator. Conforme será discutido a seguir, essa água tratada linha é usada para remover água de um biorreator que opera no modo de polimento ou se nenhum biorreator opera no modo de polimento, então, de um biorreator que opera no modo de remoção de fosfato primário. A válvula 718 controla o fluxo de água pela linha 716. Além disso, a linha 724 é fornecida em uma porção superior do biorreator 702 para a remoção de água para reciclagem ou transporte para outro biorreator. Ambas as linhas 716 e 724 são dotadas de telas ou outros dispositivos para evitar que biocatalisador contido no biorreator 702 passe nessas linhas. A linha 724 é dotada de válvula 726 que é adaptada para controlar o fluxo de água do biorreator 702 na linha 724. A linha 724 também é dotada de válvula de direcionamento 728 que é adaptada para direcionar a água na linha 730 que carrega uma corrente aquosa que contém fosfato concentrada para remoção e/ou para a linha 732. A linha 732 contém válvula 734 que é adaptada para reciclar água através da linha 738 e da linha 704 para o biorreator 702 ou passar água em linha 736 para passagem para outro biorreator.

[0301] Conforme mostrado, a linha 704 também pode fornecer outras correntes aquosas. Essas correntes podem incluir água bruta fornecida através da linha 740 e água de outro biorreator através da linha 744. A válvula 742 é fornecida para controlar os volumes relativos de uma quantidade dessas correntes conforme será discutido a seguir. A linha 746 é adaptada para fornecer fonte de carbono, se necessário, para um biorreator 702. A válvula 748 controla o fluxo da fonte de carbono para o biorreator 702.

[0302] Somente para os propósitos da ilustração e não em limitação da invenção, os 5 conjuntos de biorreator representados na Figura 6 são adaptados para serem sequenciados por vários modos de operação. Um versado na técnica pode reconhecer imediatamente que um pequeno ou grande número de conjuntos de biorreator pode ser usado e o sequenciamento alterado.

[0303] O seguinte resume os cinco modos de operação usados para os propósitos desta ilustração: Modo de Geração de PHA Anaeróbico — nesse modo, o biorreator é operado sob condições anaeróbicas que incluem a presença de fonte de carbono que pode ser uma fonte de carbono adicionada ou que é contida na água bruta a ser tratada; Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário — nesse modo, gás que contém oxigênio passa pelo biorreator para efetuar remoção de fosfato da água; Modo de Remoção de PO4 Aeróbico de Polimento — nesse modo, a água tratada por outro biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário é submetida adicionalmente ao contato com biocatalisador no biorreator para remoção de fosfato adicional da água; Modo de Purga — nesse modo, o biorreator transita de um ambiente aeróbico ou anóxico para um ambiente anaeróbico para liberação de fosfato do biocatalisador; e Modo de Liberação de PO4 Anaeróbico — nesse modo, o biorreator é operado sob um ambiente anaeróbico para liberação de fosfato do biocatalisador para fornecer uma corrente de efluente rica em fosfato.

[0304] A seguinte discussão descreve a operação do aparelho das Figuras 6 e 7 com o uso do sequenciamento delineado na Figura 8. Conforme pode ser observado na Figura 8, cada um dos conjuntos de biorreator, A, B, C, D e E sequencia através dos mesmos modos. Essa discussão irá, portanto, fazer referência à operação de um único conjunto de biorreator com a compreensão de que a discussão será igualmente aplicável a cada um dos outros conjuntos de biorreator. Cada um dos modos de operação tem a mesma duração de tempo para os propósitos desta ilustração.

[0305] A discussão começa com a operação de um biorreator no Modo de Geração de PHA Anaeróbico que é um reator que tem sido, no período imediatamente precedente de tempo, usado no Modo de Liberação de PO4 Anaeróbico. Assim, no início do ciclo, o biorreator contém um meio aquoso que, embora seja anaeróbico, é rico em fosfato. No início desse ciclo, a válvula 742 e a válvula 714 são fechadas. Primeiro, a válvula 714 é aberta para impedir que o meio aquoso no biorreator 702 passe pela linha 712 e, então, seja direcionada para recuperação de fosfato. Durante o dreno, a alimentação de água bruta para o aparelho pode ser finalizada ou a alimentação de água bruta pode ser direcionada para um biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário. Alternativamente, o aparelho pode ser dotado de tanques de pressão. Qualquer fluido adequado pode ser usado para substituir o volume de biorreator 702 que ocorre do dreno. Com frequência, um ar é adequado mesmo sendo desejado que o biorreator seja operado e esteja aerobicamente nesse modo. Alternativamente, o deslocamento do meio rico em fosfato no biorreator 702 no início desse modo pode ser efetuado pela passagem de água bruta através da linha 704 no biorreator 702 enquanto extrai o meio aquoso rico em fosfato do topo do biorreator através da linha 724.

[0306] Uma vez que o biorreator 702 é drenado, a válvula 714 é fechada e a válvula 742 é posicionada para permitir que uma corrente de alimentação de água bruta que contém um fosfato solúvel passe da linha 740 na linha 704 para introdução no biorreator 702. A corrente de alimentação de água bruta refluidifica o biocatalisador. A válvula 722 e a válvula 718 permanecem fechadas. O biorreator 702 é operado sob condições metabólicas que incluem condições anaeróbicas ou anóxicas de forma que o biocatalisador bioconverte a fonte de carbono na alimentação de água bruta em PHA. A fonte de carbono pode ser contida na corrente de alimentação de água bruta. Se necessário, uma fonte de carbono pode ser fornecida durante esse modo através da linha 746 para a concentração desejada pela regulação da válvula 748. A corrente de alimentação de água bruta, após passar através do leito fluidizado do biocatalisador no biorreator 702, sai através da linha 724 e passa através da válvula 728 para a linha 732. A válvula 734 direciona a água através da linha 736 para um biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário. Se necessário, uma porção dessa água pode ser direcionada pela válvula 734 através da linha 738 de volta para o biorreator 702 para manter um grau desejado de fluidização do biocatalisador.

[0307] Próximos ao término do Modo de Geração de PHA Anaeróbico, no biorreator 702, a transição para o Modo de Remoção de PO4 Aeróbico de Polimento começa. Essa transição compreende iniciar o fluxo de gás que contém oxigênio em biorreator 702 através da linha 706 pela abertura de válvula 708. Nesse momento, a válvula 722 é aberta para permitir que gases saiam do biorreator 702 através da linha 720. O fluxo da água do biorreator 702 permanece inalterado durante essa transição e passa para um biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário. Essa transição permite ao biorreator servir como o biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico de Polimento durante o próximo período.

[0308] Na conclusão do Período 1, a válvula 742 termina o fluxo de água de alimentação bruta e começa um fluxo de efluente do biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário da linha 744. Além disso, a válvula 726 é fechada e a válvula 718 são abertas para permitir que água de fosfato reduzido passe do aparelho através da linha 716. Entretanto, se uma corrente de reciclagem é desejada para fornecer fluxo suficiente para fluidizar o biocatalisador no biorreator 702, a válvula 726, a válvula 728 e a válvula 734 podem ser definidas para fornecer a taxa de fluxo procurada de água de volta para o biorreator 702. Uma vez que o biorreator foi colocado em transição anterior 702 em um ambiente aeróbico, os microrganismos têm um teor de PHA intensificado e teor de fósforo reduzido e pode, assim, efetivamente remover fosfato solúvel na água sendo tratado para concentrações desejavelmente baixas. Além disso, o uso de um biorreator no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico de Polimento permite flutuações na concentração de fosfato solúvel na, assim como flutuações na taxa de fluxo da alimentação de água bruta a ser acomodada enquanto ainda fornecimento o fluxo procurado de concentração de fosfato na água tratada.

[0309] Em geral, nenhuma transição é necessária para ciclar um biorreator de operação no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico de Polimento para o Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário. O biorreator 702, na conclusão do Período 2, começa a operação no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário pela alteração da fonte da água e da linha 744 de outro biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário para o efluente de um biorreator que opera no Modo de Geração de PHA Anaeróbico. A válvula 718 é fechada e a válvula 726 é aberta permitindo que o meio aquoso seja direcionado através da linha 724 para a válvula 728 e para a linha 732. A válvula 734 direciona o efluente através da linha 736 para um biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico de Polimento. Uma porção do efluente pode ser direcionada pela válvula 734 para a linha 738 para reciclagem para um biorreator 702 para fornecer a fluidização desejada do biocatalisador.

[0310] Ou antes do fim do Período 3 no qual o biorreator 702 opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário ou no início do Período 4 no qual o biorreator 702 irá operar no Modo de Purga, a válvula 708 é fechada para cessar o fluxo de gás que contém oxigênio no biorreator 702. Oxigênio residual suficiente permanece no meio aquoso no biorreator 702 e no biocatalisador para permitir absorção de fosfato dissolvido adicional. O efluente do biorreator 702 pode continuar a ser direcionado para um biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico de Polimento ou para um biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário (linha 736 estaria assim em comunicação fluida com a linha 744 de outro biorreator que opera no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário). Normalmente, no Modo de Purga, o meio aquoso no biorreator 702 é reciclado continuamente pelo posicionamento de válvulas 726, 728 e 734. Se desejado, todo ou uma porção do meio aquoso contido no biorreator 702, cujo meio contém oxigênio dissolvido, pode ser drenado através da linha 712. O meio aquoso drenado pode passar para outro biorreator que opera ou no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico Primário ou no Modo de Remoção de PO4 Aeróbico de Polimento. No Modo de Purga, o processo para liberação de fósforo retido pelos microrganismos começa. O Modo de Purga também facilita dissipação de gradientes de concentração de oxigênio dentro do biocatalisador.

[0311] No Período 5, o biorreator 702 é operado no Modo de Liberação de PO4 Anaeróbico. Nesse modo, a água repleta de fosfato no biorreator 702 é reciclada por meio de linhas 724, 732, 738 e 704 com uma porção da água sendo direcionada pela válvula 728 para a linha 730. A combinação do uso de um Modo de Purga com o Modo de Liberação de PO4 Anaeróbico tende a fornecer a maior concentração possível de fosfato na água corrente extraída através da linha 730. Em uma realização alternativa, a água repleta de fosfato no biorreator 702 pode ser drenada pela linha 712. A água repleta de fosfato pode ser disposta ou submetida para tratamento químico ou processado adicionalmente para recuperar fosfato. Por exemplo, a estruvita pode ser formada e a fase separada com o retorno da água para o aparelho. Alternativamente, a água repleta de fosfato pode ser submetida à evaporação, destilação ou osmose reversa para fornecer uma corrente que contém fosfato mais concentrada que pode encontrar uso industrial ou agrícola.

[0312] Embora a ilustração tenha representado o Modo de Purga e o Modo de Liberação de PO4 Anaeróbico ocorrendo em períodos separados, os modos podem ser combinados em um único período.

III. MITIGAÇÃO DE BIODANIFICAÇÃO DE MICRORGANISMOS AQUÁTICOS

[0313] A água obtida de fontes que contêm organismos aquáticos, especialmente macrorganismos como cirripedia (como cracas e percebes); mexilhões marinhos; mexilhões de água doce; mexilhões zebra; briozoários; verme tubular; poliquetas, tunicados, esponjas; e anêmonas do mar é usada para inúmeros propósitos. Por exemplo, a água pode ser procurada para ser usada como água potável, uma fonte de água para dessalinização, água de resfriamento como para usinas elétricas e instalações de fabricação, para instalações sanitárias e lastro para navios. As fontes de água que contêm os macrorganismos podem causar biodanificação de superfícies como canos, tanques e equipamento de processo como bombas, válvulas, trocadores de calor, dispositivos de filtragem, reatores e similares. A manutenção periódica é necessária para remover os depósitos ou substituir equipamento danificado. A remoção dos depósitos desses macrorganismos pode ser problemática devido à força da aderência desses organismos à superfície e à dureza dos corpos de concha.

[0314] De acordo com esse aspecto da invenção, a água que contém ou pode fazer contato com macrorganismos aquáticos é primeiro colocada em contato com os biocatalisadores desta invenção que contêm microrganismos que podem fazer conversão catabólica de carbono orgânico metabolizável dissolvido (organo-carbono) na água. O microrganismo selecionado deve ser tolerante aos outros componentes da água bruta que incluem, mas não se limitam a, salinidade, outros ânions e cátions, quaisquer orgânicos ou poluentes presentes e pH. Exemplos de microrganismos que podem converter organo-carbono em dióxido de carbono incluem, mas não se limitam a, Acinetobacter Johnsonii, Alcanivorax dieselolie, Azoarcus sp, Bacillus globiformis, Bacillus mojavensis, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Eubacterium biforme, Lactosphaera pasteurii. Microthirx parvicella, Moraxella cuniculi, Nocardia asteroids, Pseudomonas pseudoalcaligenes, Rhococccus rhodnii, Rhodcoccus coprophilus, Rhodoferax fermentans, Rhodococcus jostii, Saccharophagus degradans, Skermania piniformis, Sphingomonas capsulate, Variovorax paradoxus e Zoogloea sp.

[0315] O contato é por um tempo suficiente para reduzir a concentração de organo-carbono metabolizável até um nível onde a sobrevivência de macrorganismos é inibida. Uma alimentação de água pode ser colocada em contato continuamente com um biocatalisador; entretanto, tratamento intermitente ou periódico da água pode ser suficiente para interromper o crescimento de macrorganismo a jusante do biocatalisador.

[0316] Consequentemente, a biodanificação por macrorganismos aquáticos pode ser obtida sem a adição de produtos químicos. Além disso, os biocatalisadores não geram sozinhos fontes de alimento para os macrorganismos, não aumentam a massa de sólidos a ser removida por qualquer filtragem a jusante. Em aspectos preferenciais da invenção, a concentração de organo-carbono a jusante do contato com o biocatalisador é insuficiente para manter a viabilidade de microrganismos suspensos.

[0317] A água é, com frequência, mas não necessariamente sempre, obtida das fontes de superfície e talvez sal, água salobra ou fresca. A água contém alimento e nutrientes para suportar os macrorganismos aquáticos e normalmente contém microrganismos.

[0318] As condições para o contato da água e do biocatalisador podem variar ao longo de uma ampla faixa e é são normalmente sob Condições de Mesófilo Comuns. Normalmente, a temperatura do contato é substancialmente a temperatura ambiente da água. Em alguns casos, o oxigênio dissolvido na água é suficiente para a bioconversão metabólica do organo-carbono em dióxido de carbono; entretanto, a aeração da água pode ser desejada em alguns casos. Geralmente, o teor de oxigênio dissolvido na água a ser colocado em contato com os biocatalisadores é na faixa de cerca de 1 a 50 ou mais, digamos, 1 a 10 partes por milhão em massa. Normalmente, nenhum nutriente precisa ser adicionado à água.

[0319] O biorreator pode ser em qualquer configuração adequada que inclui Sistemas de Biorreator Comuns. Com as altas densidades celulares e bioatividades obteníveis com o uso dos biocatalisadores desta invenção, o tempo de permanência hidráulica médio da água nos biorreatores normalmente é menor que cerca de 24, mais frequentemente menor que cerca de 6 ou 10 horas e, em alguns casos, pode ser na faixa de cerca de 0,5 a 4 horas.

[0320] Uma vez que o biocatalisador fornece ambientes nos quais os microrganismos podem sobreviver por períodos de tempo estendidos sem a adição de fontes de alimento adicionais, o biocatalisador pode ser ciclado entre ambientes que contém organo-carbono ("ciclo de metabolização") e ambientes que não contêm essencialmente organo-carbono ("ciclo de limpeza"). Essa ciclagem com frequência retarda qualquer crescimento de organismos na superfície do biocatalisador. Em geral, a duração do ciclo de limpeza, se usada, é pelo menos cerca de 2, digamos entre cerca de 6 e 48 horas.

[0321] Com referência à Figura 9, o aparelho 900 é um conjunto para a dessalinização de água do mar que usa membranas de osmose reversa. A água do mar passa para um espaço cheio 902. As setas indicam o fluxo da água do mar no espaço cheio 902. O espaço cheio 902 como uma pluralidade de telas, duas das quais são ilustradas, a tela 904a e a tela 904b. Uma aba móvel 905 é fornecida no espaço cheio 902 e é adaptada para parar o fluxo da água para a tela 904a e, então, se move conforme indicado pela linha pontilhada para parar um fluxo de água para a tela 904b. Deve ser compreendido que a aba móvel 905 pode ser posicionada de forma que a água pode fluir tanto para a tela 904a quanto para a 906b.

[0322] Cada tela tem um condutor dedicado que para a tela 904a é o condutor 906a e para a tela 904b é o condutor 906b. Cada condutor tem linhas que vão para cada biorreator. Para os propósitos desta ilustração, dois biorreatores são mostrados, o biorreator 912 e o biorreator 914. A linha 908a fornece comunicação fluida entre o condutor 906a e o biorreator 912 e a linha 908b fornece comunicação fluida entre o condutor 906b e o biorreator 912. A linha 910a fornece comunicação fluida entre o condutor 906a e o biorreator 914 e a linha 910b fornece comunicação fluida entre o condutor 906b e o biorreator 914.

[0323] Cada biorreator 912 e 914 é representado como biorreatores de leito fluido que contêm biocatalisador que, para os propósitos da discussão, são o biocatalisador do exemplo 113. O biorreator 912 é mostrado como tendo linhas de efluente 916 e 912 e o biorreator 914 é mostrado como tendo linhas de efluente 918 e 924. As linhas de efluente 916 e 918 estão em comunicação fluida com o condutor de reciclagem 920. As linhas de efluente 922 e 924 estão em comunicação fluida com um condutor de água tratada 926. O condutor de água tratada 926 direciona água tratada para unidade de membrana de ultrafiltragem 928. O filtrado da unidade de membrana de ultrafiltragem 928 passa através da linha 930 para a unidade de osmose reversa 932. A água dessalinizada sai através da linha 934 e uma corrente rejeitada sai através da linha 936 da unidade de osmose reversa 932.

[0324] Retornando para o condutor de reciclagem 920, a água passa para o tanque de pressão 938. A água do tanque de pressão 938 pode ser direcionada através da linha 942 do espaço cheio 902. A água da linha 942 entra no espaço cheio 902 na região oclusa pela aba móvel 905 e a montante da tela oclusa.

[0325] Existem diversos modos de operação do aparelho, todos dentro dos amplos aspectos desta invenção. Em um modo, os biorreatores 912 e 914 operam de forma independente e, em outro modo, os biorreatores 912 e 914 operam na sequência de fluxo de água.

[0326] Como exemplo, em um primeiro modo de operação, água bruta entra no espaço cheio 902 e é direcionada pela tela 904b para o condutor 906b. A linha 908b é fechada por válvula e a água no condutor 906b passa pela linha 910b para o biorreator 914. No biorreator 914, o organo-carbono é convertido em dióxido de carbono para fornecer uma corrente de água tratada que não contém essencialmente nenhum organo-carbono. Essa corrente de água tratada sai através da linha 924 e passa para o condutor de água tratada 926 onde a mesma, por fim, passa pela unidade de osmose reversa para fornecer uma água dessalinizada. Nesse momento no tempo, a linha 918 é fechada por válvula.

[0327] O tanque de pressão 938 que foi previamente preenchido com água tratada que não contém essencialmente nenhum organo-carbono supre água através da linha 940 na região oclusa do espaço cheio 902 definido pela aba móvel 905 e pela tela 904a. A água passa, então, pela tela 904a no condutor 906a. A linha 910a é fechada por válvula de forma que a água não entra no biorreator 914, mas a linha 908a é aberta por válvula de forma que a água tratada passa pelo biorreator 912. A água, então, sai do biorreator 912 através da linha 916 para ser retornada pelo condutor de reciclagem 920 para o tanque de pressão 938. Nesse momento no tempo, a linha 922 é fechada por válvula. Conforme pode ser observado, a ciclagem de água tratada pela tela 904a, pelo condutor e pela linha 906a e 908a e pelo biorreator 912 serve para fornecer um ciclo de limpeza. O uso de aba móvel 905 permite que a água tratada entre em contato com a aba para atenuar de forma similar o crescimento de macrorganismos na aba.

[0328] Após o término do ciclo de limpeza para a tela 904a, o condutor 906a e o biorreator 912, a aba móvel 905 é movida para permitir fluxo de água bruta pela tela 904a e ocluir o fluxo de água bruta para a tela 904b. As mesmas posições de válvula são mantidas para os condutores 906a e 906b que resultam em um biorreator 912 que trata a água bruta. A linha de efluente 916 é fechada por válvula e a linha de efluente 922 é aberta por válvula para passar a água tratada para o condutor de água tratada 926. O biorreator 914 é submetido a um ciclo de limpeza como é a tela 904b, o condutor 906b e a linha 910b. A linha de efluente 924 do biorreator 914 é fechada por válvula e a linha de efluente 918 é aberta por válvula e passa a água para o condutor de reciclagem 920. A água de tanque de pressão 938 passa através da linha 940 para a região oclusa definida pela aba móvel 905 e pela tela 904b no espaço cheio. O lado do espaço cheio que foi exposto à água bruta durante o ciclo anterior é exposto agora à água que tem uma ausência essencial de organo- carbono. Assim, o aparelho facilita a manutenção de ambos os lados da aba móvel 905 relativamente livres de macrorganismos.

[0329] No próximo ciclo, a linha 908a é fechada por válvula, a linha 908b é aberta por válvula e o biorreator 912 é submetido a um ciclo de limpeza. Ao mesmo tempo, a linha 910a é aberta por válvula, linha 910b é fechada por válvula e o biorreator 914 serve para tratar água bruta para remover organo-carbono. Nesse ciclo, a linha de efluente 918 é fechada por válvula e a linha de efluente 924 é aberta por válvula e passa água tratada para o condutor de água tratada 926. Além disso, a linha de efluente 922 do biorreator 912 é fechada por válvula e a água passa através da linha 916 para o condutor de reciclagem 920.

[0330] No último dos quatro ciclos, a aba móvel 905 é movida para ocluir o fluxo da água bruta para a tela 904a e permitir fluxo de água bruta para a tela 904b. Assim, o biorreator 914 trata água bruta e a linha de efluente 918 é fechada por válvula e a linha de efluente 924 é aberta por válvula para direcionar a água tratada para o condutor de água tratada 926. O biorreator 912 é submetido a um ciclo de limpeza com uma linha de efluente 916 aberta por válvula e uma linha de efluente 922 fechada por válvula. A linha 940 direciona a água do tanque de pressão 938 para a região oclusa definida pela aba móvel 905 e pela tela 904a.

[0331] O aparelho representado na Figura 9 também pode ser usado em um modo de leito sequencial. Em um primeiro ciclo, a aba móvel 905 fornece uma região oclusa a montante da tela 904a em um espaço cheio 902. A água bruta que entra no espaço cheio 902 passa pela tela 904b e no condutor 906b. A linha 908b é fechada por válvula e a água passa pela linha 910b para o biorreator 914 para tratamento para remover organo-carbono. A água tratada passa através da linha 918 para a linha de condutor de reciclagem 920. A linha 924 é fechada por válvula. Assim, o tanque de pressão 938 recebe uma água tratada que passa, então, através da linha 940 para a região oclusa a frente à tela 904a. Uma vez que a água tratada não tem substancialmente nenhum organo-carbono, a água é útil para um ciclo de limpeza. Essa água entra no condutor 906a e passa para biorreator 912 através da linha 908a que é aberta por válvula. A linha 910a é fechada por válvula. Qualquer organo-carbono residual ou adicional é submetido a um biocatalisador no biorreator 912 para bioconversão adicional em dióxido de carbono. A água de biorreator 912 passa através da linha 918 para o condutor de água tratada 926. A linha de efluente 916 é fechada por válvula.

[0332] De uma maneira consistente com a descrição do primeiro modo de operação do aparelho, o posicionamento de aba móvel e as válvulas para cada um dos biorreatores podem ser cicladas de forma que todas as linhas e reatores passem por um ciclo de limpeza.

IV. CATABÓLISE AERÓBICA DE ÍON DE AMÔNIO PARA NITROGÊNIO

[0333] Conforme discutido acima, os processos biológicos para remoção de cátion de amônio de correntes aquosas oxidam cátion de amônio normalmente conduzido em um ambiente aeróbico. O efluente de oxidação contém ânions de nitrato e possivelmente ânions de nitrito, especialmente onde a oxidação não está completa. Com frequência, mais de 4 quilogramas de oxigênio são consumidas por quilograma de nitrogênio de amônio removida e os processos de nitrificação e de desnitrificação aumentam o consumo de potência para uma instalação comum em 30 por cento ou mais.

[0334] O nitrato e os íons de nitrito resultantes também são contaminantes e são preferencialmente removidos da água antes da descarga para o ambiente. Os processos de bioconversão para desnitrificação também são bem conhecidos. Normalmente, a redução desses oxiânions para nitrogênio exige um ambiente anóxico ou anaeróbico e doador de elétron. Assim, algumas instalações adicionar um doador como metanol ou até mesmo esgoto bruto. A necessidade de condições fundamentalmente diferentes para oxidação de amônio e redução de nitrato contribui para o capital e gastos operacionais da adoção de um sistema para bioconverter amônio em nitrogênio. As condições anaeróbicas para a redução de nitrato também podem levar à produção de sulfato de hidrogênio e de outros compostos de sulfidrila.

[0335] Também é discutido acima o processo anammox.

[0336] Por esse aspecto da invenção, os biocatalisadores desta invenção permitem que cátion de amônio seja bioconvertido em um ambiente aeróbico para nitrogênio com o uso de microrganismos contidos em pasta fluida ativada (no presente documento referido como um "microrganismo N/D"). Uma vez que o biocatalisador desta invenção é usado, nenhum sólido é gerado pelos microrganismos no biocatalisador. Nos amplos aspectos, o contato entre água que contém cátion de amônio e o biocatalisador está sob condições metabólicas para um tempo suficiente para fornecer uma água tratada que tem uma concentração de amônio menor que cerca de 50, preferencialmente menor que cerca de 90 por cento daquela em que a concentração de nitrato da água de alimentação e uma concentração de íon de nitrato menor que cerca de 1 miligrama por litro. Adicionalmente, essa redução de nitrato e de ânions de nitrito na água tratada pode ocorrer mesmo na presença de quantidades significativas de oxigênio, por exemplo, maior que 5 ou 8 miligramas de oxigênio por litro na água. Em realizações preferenciais desse aspecto da invenção, a água tratada que contém água suficiente de forma que não precisa ser aerada para descarga no ambiente, por exemplo, contém pelo menos cerca de 0,5, preferencialmente pelo menos cerca de 1 miligrama de oxigênio por litro. Além disso, nenhum sulfato de hidrogênio ou outro composto de sulfidrila são gerados pelo processo.

[0337] A água pode ser de qualquer fonte que inclui água residual municipal, água subterrânea e água da superfície. O teor de cátion de amônio da água a ser tratada também pode variar por uma ampla faixa e é, com frequência, entre cerca de 5 ou 10 e 250, mais frequentemente entre cerca de 25 e 200 miligramas por litro. A água a ser tratada pode conter outros componentes que incluem, mas não se limitam a, compostos de enxofre, compostos de fósforo, sais inorgânicos e metais solubilizados. Com frequência, a concentração de oxigênio na água a ser tratada é na faixa de cerca de 0,5 a 10 ou mais miligramas por litro.

[0338]O biocatalisador desta invenção usado nesses processos contém microrganismos N/D, os microrganismos N/D adequados podem exibir ou não tanto atividades metabólicas de nitrificação quanto de desnitrificação quando estão em uma suspensão livre em um meio aquoso. Embora não se deseje limitar à teoria, acredita-se que uma alteração fenotípica ocorre, em alguns casos, que contribui para o desempenho de microrganismos N/D. Os microrganismos N/D podem ser obtidos de pasta fluida ativada. Preferencialmente, a pasta fluida ativada é aclimatada sob condições aeróbicas sob Condições de Mesófilo Comuns e alimentada com ânion de bicarbonato. Em alguns casos, o pH é mantido entre cerca de 6 e 8.

[0339]Os processos de biodegradação de amônio podem ser conduzidos de qualquer maneira adequada. Os processos podem ser em um modo de operação contínuo, semicontínuo ou de batelada e usar Sistemas de Biorreator Comuns.

[0340]Quaisquer condições metabólicas adequadas podem ser usadas que incluem as Condições de Mesófilo Comuns. Em geral, o pH é mantido entre cerca de 4 e 8,5, por exemplo, entre 6,0 e 8,0. Tampões, se desejado, podem ser usados para manter a água em um dado valor de pH durante o processo. O nutriente de fonte de carbono pode ser necessário e pode ser qualquer fonte de carbono conveniente como um hidrocarboneto de baixo peso molecular ou hidrocarboneto oxigenado como etanol, acetato e açúcares.

[0341]A duração do contato da água e do biocatalisador é por um tempo suficiente para obter a redução procurada no amônio. A duração pode variar por uma ampla faixa dependendo do tipo de reator, o biocatalisador e a concentração da população de microrganismo no biorreator. Em muitos casos, a duração do contato pode ser menor que 12, preferencialmente menor que 8 horas para obter uma redução na concentração de amônio para menos que cerca de 1 miligrama por litro e, algumas vezes, o contato é menor que uma hora. Uma vantagem significativa dos processos desta invenção é que não somente o amônio é convertido em nitrogênio, mas a água tratada contém pouco, se tiver qualquer, nitrato ou ânion de nitrito.

EXEMPLO 218

[0342] Um biorreator de tanque aerado agitado continuamente é preenchido até cerca de 70 por cento da altura do mesmo com um biocatalisador substancialmente conforme descrito no exemplo 92, mas que usa microrganismos derivados de pasta fluida ativada aclimatizada conforme apresentado acima e em uma densidade úmida de célula de cerca de 350 a 400 gramas por litro. O biocatalisador é na forma de esferas que têm diâmetros de cerca de 4 milímetros. O efluente de um tratamento primário na usina de água residual municipal em Union City, Califórnia é usado como a alimentação para o biorreator. Uma série de testes de batelada é conduzida no biorreator, cada um usando o efluente com diferentes concentrações de cátion de amônio: 100, 200 e 1.000miligramas de cátion de amônio por litro. As concentrações de cátion de amônio são ajustadas pela adição de hidróxido de amônio. O pH é ajustado para cerca de 7 no início de cada batelada. Cada teste é conduzido até a concentração de cátion de amônio estar abaixo de cerca de 0,1 miligrama por litro. Na conclusão de cada batelada, a água residual é analisada por nitrito e ânion de nitrato. O nitrogênio total na água residual é abaixo de cerca de 1 miligrama por litro.

V. REMOÇÃO DE NITRATO E DE PERCLORATO DA ÁGUA

[0343] Os biocatalisadores desta invenção podem ser usados para remover nitrato e remover ânion de perclorato e ambos quando presentes juntos da água. Os nitratos são um contaminante na água e a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos definiu um limite de 10 miligramas de nitrato (com base na massa de nitrogênio) em água potável. A contaminação por ânion de perclorato de um número de fontes de água subterrânea e de água da superfície ocorreu. A concentração de ânion de perclorato nessas águas contaminadas pode variar amplamente. Uma preocupação de saúde que surge devido à presença de perclorato é a interferência do mesmo com a habilidade da glândula da tiroide para produzir hormônios que, por sua vez, pode causar problemas de metabolismo, de crescimento e de desenvolvimento. Devido às preocupações sobre os efeitos adversos de perclorato, se procura obter a redução de níveis de perclorato para concentrações para as muito poucas microgramas por litro. Com frequência, a água que é contaminada com ânion de perclorato contém ânion de nitrato. A presença de nitrato na água contaminada com perclorato apresenta um desafio a um processo metabólico em que não somente o nitrato é preferencialmente reduzido, mas a concentração de perclorato também deve ser reduzida para níveis muito baixos.

[0344] Nos amplos aspectos, os processos para redução da concentração de ânion de nitrato ou ânion de perclorato ou ambos quando presentes na água compreende colocar a água em contato com um biocatalisador desta invenção que contém uma cepa de microrganismo capaz de reduzir os ditos ânions sob condições metabólicas e por um tempo suficiente bioconverter tal ânion. Os microrganismos de redução de nitrato e perclorato, especialmente bactérias, são obteníveis imediatamente do ambiente e alguns trabalhadores anteriores descreveram sistemas de autoinoculação para a biodegradação desses ânions. Consulte, por exemplo, o Pedido de Patente Publicado no. US 2010/0089825. Representantes da espécie de bactérias que estão disponíveis na natureza, especialmente de riachos e de água residual, incluem Vibrio dechloraticans, Cuznesove B-1168, Wolinella succinogenes, Acinetobacter thermotoleranticus, Ideonella dechloratas e GR-1, uma cepa identificada como pertencendo ao subgrupo β de Proteobacteria. Consulte, por exemplo, Coates, et al, Nature Rev. Microbiol., 2, páginas 569 a 80 (2004) e Applied Enviromental Microbiol., 65, páginas 5234 a 41 (1999); e Wu, et al, Bioremediation Journal, 5, páginas 119 a 30 (2001) para discussões de microrganismos capazes de respiração de perclorato. É compreendido que os microrganismos usados podem ser cepas selvagens ou podem ser microrganismos recombinantes modificados geneticamente.

[0345] A concentração de nitrato na água pode variar amplamente dependendo da fonte e é, com frequência, na faixa de cerca de 0,5, digamos 1 a 100 ou mais miligramas por litro. Em operações de mineração e de aquacultura, a água residual pode, com frequência, conter 500 ou mais miligramas de nitrato por litro e a redução de tais altas concentrações de ânion de nitrato para níveis adequados para descarga tem sido problemática. A concentração de perclorato na água pode variar amplamente dependendo da fonte. Em alguns casos relatados, concentrações de perclorato maiores que 10 miligramas por litro foram observadas. Entretanto, tendo em vista as preocupações que surgem pela contaminação por perclorato, pode ser desejado tratar a água que contém concentrações muito baixas de perclorato, por exemplo, tão baixas quanto cerca de 10 microgramas por litro. A água a ser tratada pode conter outros componentes que incluem, mas não se limitam a, compostos de enxofre, compostos de fósforo, sais inorgânicos e metais solubilizados. Com frequência, a concentração de oxigênio na água a ser tratada está na faixa de cerca de 0,5 a 10 ou mais miligramas por litro.

[0346] O biocatalisador pode conter qualquer microrganismo adequado. Os processos de biodegradação podem ser conduzidos de qualquer maneira adequada. Os processos podem ser em um modo de operação contínuo, semicontínuo ou por batelada que usa biorreatores adequados que incluem Sistemas de Biorreator Comuns.

[0347] Condições metabólicas adequadas são mantidas como Condições Mesofílicas Comuns. O pH da água a ser tratada irá depender da fonte da mesma. Em geral, o pH é mantido entre cerca de 4 e 8,5, por exemplo, entre 4 e 8,0. Um pH menor tende a intensificar a degradação do ânion de perclorato.

[0348] Se necessário, doadores de elétron podem ser adicionados à água a ser tratada. Os doadores de elétron incluem, mas não se limitam a, hidrogênio, carboidratos, hidrocarbonetos, alcanóis, aldeídos, ácidos carboxílicos, cetonas, aldeídos, glicerídeos e similares. Consulte, por exemplo, o parágrafo 0055 do Pedido de Patente Publicado no. US 2006/0263869. Se os doadores de elétron são necessários, os mesmos podem ser adicionados de qualquer maneira adequada. A adição de doadores de elétron normalmente é com base na obtenção da redução procurada no perclorato ao invés de um aceitante de elétron total na água a ser tratada. Consequentemente, onde um doador de elétron tiver de ser fornecido, os processos desta invenção exigem menos doador de elétron que aqueles onde oxigênio é consumido preferencialmente antes de qualquer biodegradação significativa do ânion de perclorato.

[0349] A duração do contato da água com matrizes poliméricas é por um time suficiente para obter a redução procurada no nitrato e no ânion de perclorato. A duração pode variar por uma ampla faixa. Conforme mencionado acima, mesmo com a concentração de ânion de perclorato podendo ser muito baixa, por exemplo, menor que 100 microgramas por litro e oxigênio estando presente, a duração do contato pode ser relativamente breve, mesmo para obter uma água tratada que contém menos que 5 microgramas de perclorato por litro. Em muitos casos, a duração do contato pode ser menor que diversas horas para obter uma redução no ânion de perclorato concentração menor que cerca de 5 microgramas por litro e, algumas vezes, o contato é menor que uma hora e, com frequência, menor que cerca de 30, até menor que cerca de 5 minutos.

[0350] A água tratada pode conter oxigênio já que o uso do biocatalisador não necessita que o oxigênio seja consumido antes da biodegradação de ânion de perclorato. Na maioria dos casos, a concentração de oxigênio da água tratada é pelo menos cerca de 0,1, preferencialmente pelo menos cerca de 0,5 e mais preferencialmente pelo menos cerca de 10 ou até mesmo 50 miligramas por litro. Se a concentração de oxigênio dissolvido na água tratada é suficientemente alta ou não para ser descarregada sem aeração irá, em parte, depender da concentração de oxigênio na água a ser tratada. A filtração pode ser desejada para remover quaisquer sólidos de, por exemplo, microrganismos exógenos que podem ser introduzidos com água a ser tratada.

EXEMPLO 219

[0351] É preparada uma solução aquosa que contém ânion de perclorato em uma quantidade de 500 microgramas e ânion de nitrato (calculado como nitrogênio) em uma quantidade de 10 miligramas por litro de água destilada. O oxigênio é removido para abaixo de 0,5 miligrama por litro pela pulverização da solução aquosa com nitrogênio. O volume da solução aquosa é reduzido por cerca de 20 por cento de volume e contém 410 microgramas de ânion de perclorato e 15 miligramas de ânion de nitrato por litro de solução aquosa. O acetato de sódio é, então, adicionado em uma quantidade de 0,6 partes por massa de acetato de sódio por parte por massa de perclorato total e ânion de nitrato na solução aquosa. O pH da aquosa é ajustado para cerca de 7.

[0352] A solução aquosa é, então, adicionada a um frasco de vidro que contém biocatalisadores do Exemplo 31 em uma quantidade suficiente para imergir o biocatalisador. A solução aquosa e o biocatalisador são mantidos na temperatura ambiente, cerca de 25°C. Após 24 horas, a concentração de perclorato é de cerca de 80 microgramas por litro de solução e a concentração de nitrato é cerca de 790 microgramas por litro da solução.

EXEMPLO 220

[0353] Uma solução aquosa que contém 128 miligramas de ânion de nitrato, 12 miligramas de ânion de nitrito e cerca de 9 miligramas de oxigênio molecular por litro de água é alimentada continuamente para um biorreator de fluxo ascendente em uma taxa que fornece um tempo de permanência hidráulica de 25 minutos. O reator de fluxo ascendente contém o biocatalisador conforme apresentado substancialmente no Exemplo 52. A água tratada do biorreator contém menos que cerca de 1,3 miligramas de ânion de nitrato e menos que 0,01 miligramas de ânion de nitrito por litro de água.

EXEMPLO 221

[0354] Uma solução aquosa que contém cerca de 12 a 15 miligramas de ânion de nitrato e cerca de 0,4 miligramas de ânion de perclorato e cerca de 4 miligramas de oxigênio molecular por litro de água é alimentado continuamente a um biorreator de fluxo ascendente em uma taxa que fornece um tempo de permanência hidráulica de 25 minutos. O biorreator de fluxo ascendente contém cerca de 70 por cento do volume do mesmo com biocatalisador substancialmente conforme descrito no Exemplo 52. O biocatalisador contém Paracoccus denitrificans. O pH da água que passa para o biorreator é ajustado para cerca de 7 e um acetato de sódio é adicionado à água como fonte de carbono. A concentração de nitrato do efluente do biorreator é menor que cerca de 1 miligrama por litro e o ânion de perclorato menor que cerca de 4 microgramas por litro.

EXEMPLO 222

[0355] Uma solução aquosa que contém entre cerca de 600 e 800 miligramas de ânion de nitrato por litro é continuamente alimentada para os dois biorreatores de fluxo ascendente em série. Cada reator de fluxo ascendente é do mesmo tamanho e cada um contém o biocatalisador conforme substancialmente apresentado no Exemplo 52. O tempo de permanência hidráulica é variado entre 25 minutos e 30 minutos com base no volume de ambos os biorreatores. A água tratada do segundo biorreator contém menos que 10 partes por milhão de ânion de nitrato e menos que 1 parte por milhão de ânion de nitrito.

VI. REMOÇÃO DE METAIS

[0356] Os compostos semimetálico e metálico solúveis podem ser encontrados como contaminantes em diversas fontes de água. Esses contaminantes podem ser de ocorrência natural ou podem ser o resultado de atividades humanas, tal como fabricação, mineração, refinação de metal, eliminação de resíduos e similares. Alguns desses compostos representam riscos de saúde e podem afetar negativamente o meio ambiente.

[0357] Os biocatalisadores dessa invenção são vantajosamente úteis para o tratamento de água que contém pelo menos um composto solúvel de metal ou semimetal, uma vez que o interior do biocatalisador fornece microambientes que favorecem as condições de redox para afetar a redução do metal ou semimetal para formar um sólido. Esses processos compreendem: (a) introduzir de forma contínua a dita água no interior de uma zona de reação que contém o biocatalisador dessa invenção; (b) colocar a água em contato com o dito biocatalisador que contém microrganismo capaz de reduzir o dito composto solúvel por um tempo suficiente para reduzir a concentração do dito pelo menos um composto solúvel na água; (c) manter o dito biocatalisador sob condições metabólicas suficientes para reduzir metabolicamente o estado de oxidação do metal ou semimetal para formar semimetal ou metal elementar ou composto precipitado do mesmo; e (d) retirar a água que tem uma concentração reduzida do dito pelo menos um composto solúvel da zona de biorreação.

[0358] Frequentemente, o metal ou semimetal do composto solúvel compreende pelo menos um dentre enxofre, fósforo, selênio, tungstênio, molibdênio, bismuto, estrôncio, cádmio, cromo, titânio, níquel, ferro, zinco, cobre, arsênio, vanádio, urânio, rádio, manganês, germânio, o índio, o mercúrio antimônio e metais de terras raras. O composto solúvel irá depender do metal ou semimetal específico e pode ser um hidróxido, carbonato, nitrato, carboxilato (por exemplo, formiato, acetato ou propionato); ou um oxiânion metal ou semimetal que seja solúvel em água.

[0359] As condições metabólicas incluem a presença de uma fonte de carbono que é metabolizada pelos microrganismos no biocatalisador. Acredita-se que o metabolismo de fonte de carbono fornece um gradiente no interior do biocatalisador para intensificar a atividade de uma porção dos microrganismos para a redução metabólica de metais e semimetais. Por esse motivo, a redução metabólica pode ocorrer mesmo quando a água que é tratada contém oxigênio. A redução metabólica pode fornecer um material elementar ou um composto precipitado. O composto precipitado tem o metal ou o semimetal em um estado de oxidação reduzido e o composto precipitado pode ser um ou mais de óxidos, carbonatos, sulfuretos e hidróxidos. A natureza específica do composto precipitado dependerá do metal ou semimetal, dos quais é composto para fornecer as propriedades de insolubilidade.

[0360] Em alguns casos, a redução metabólica do metal ou semimetal pode retardar a acumulação do composto solúvel pelas matrizes porosas e os microrganismos. Em tais situações, a zona de biorreação pode ser modelada para permitir uma operação de estado estacionário ou as matrizes porosas podem ser alternadas entre uma zona de biorreação, para a qual a água a ser tratada passa e a zona de biorreação que é mantida sob condições metabólicas onde a redução metabólica adicional ocorre.

[0361] Os processos metabólicos podem ser conduzidos em qualquer maneira adequada, que incluem condições mesofílicas típicas e com o uso de sistemas de biorreatores típicos. O nutriente de fonte de carbono pode ser requerido e pode ser qualquer fonte de carbono conveniente tal como um hidrocarboneto de baixo peso molecular ou hidrocarboneto oxigenado tal como etanol, e acetato e açúcares.

[0362] O interior do biocatalisador fornece uma pletora de microambientes para microrganismos e esses microambientes podem variar dentro do biocatalisador. Assim, alguns microambientes podem alterar a composição da água, de modo que outros microambientes possam estar sob condições mais favoráveis para a redução metabólica. Por exemplo, quando a água contém oxigênio, os microrganismos podem metabolizar o oxigênio e fornecer uma água depletada de oxigênio que passa para outros microambientes em que as condições favorecem a redução metabólica. Por esse motivo, o biocatalisador serve para fornecer uma automodelação da redução metabólica. Em algumas realizações dessa invenção, a modulação externa das condições de redução metabólica pode ser afetada pela taxa de suprimento de doador de elétrons. Em geral, quanto mais doadores de elétrons, mais ácido o pH dentro do biocatalisador. Uma vez que a modulação está no interior de cada estrutura de biocatalisador, as atividades biocatalíticas dos biocatalisadores em uma zona reação podem ser relativamente uniformes.

[0363] Frequentemente pelo menos uma porção dos restos de produtos metabólicos sólidos na célula ou, de outro modo, no biocatalisador. Em outros exemplos, o produto metabólico é removível do biocatalisador. Se desejado, a água do biorreator pode ser sujeita a uma operação de unidade de remoção de sólidos, tal como ultrafiltração, decantação, centrifugação e similares. Conforme descrito acima, com alguns sistemas, é possível regenerar as matrizes porosas. Alternativamente, o biocatalisador pode fornecer uma fonte concentrada do metal ou semimetal a eliminação ou recuperação.

[0364] Os microrganismos de redução representativos incluem, mas não se limitam a, aqueles do gênero Saccharomyes; a bactérias redutoras de enxofre que incluem os gêneros Proteus, Campylobacter, Pseudomonas, Salmonella, Desulfuromonas, Desulfovibrio, Desulfonema; bactérias redutoras de fósforo incluindo gêneros Acinetobacter, Phormidium, Rhodobacter e Staphylococcus; bactérias redutoras de urânio que incluem Desulfovibrio, Deinococcus, Geobacter, Celulomonas, Shewanella e Pseudomonas; organismos redutores de molibdato que incluem os gêneros Serratia, Enterobacter e Escherichia; bactérias redutoras de cádmio que incluem os gêneros Pseudomonas e Klebsiella.

[0365] Alguns microrganismos preferenciais para tipos específicos de compostos solúveis são, como a seguir, bactérias redutoras de selenato que incluem espécies do genoma Enterobacter cloacae, Planomicrobium mcmeekinii, Psuedomonas alcaligenes, Psuedomonas denitrificans, Psueomonas stutzeri e Roseomonas; outros microrganismos redutores de selenato que incluem os revelados do documento de patente no U.S. 7.815.801, incorporados no presente documento por referência na sua totalidade; organismos redutores de cromato que incluem Enterobacter cloacae, Desulfovibrio vulgaris, Geobacter sulfurreducens, Psuedomonas chromatophilia, Psuedomonas fluorescens e Swanella alga; microrganismos de redução de ferricion que incluem aqueles dos gêneros Ferribacterium, Geobacter e Geothrix; e bactérias redutoras de arsenato que incluem aqueles dos gêneros Geobacter, Corynebacterium, Pseudomonas, Shewanella e Hydrogenophaga.

VII. REMOÇÃO DE GOSTO E ODOR DA ÁGUA

[0366] Os metabólitos de algas em fontes de água potável podem resultar em um sabor ruim característico e odor desagradável. Acredita-se que o sabor e odor desagradáveis são devido à presença de 2-metilisoboreal (MIB) e trans-1,10-dimetil-trans-decalol (geosmina). Os seres humanos podem detectar níveis de MIB tão baixo quanto 5 a 10 partes por trilhão. A geosmina é detectada de forma similar em níveis muito baixos. Outras possibilidades para água potável são substâncias orgânicas halogenadas, tal como trialometanos, que são derivados de uma combinação de cloro e bromo, com componentes orgânicos halogenados da água. Subprodutos de desinfecção, tais como compostos orgânicos halogenados podem também estar frequentemente presentes em concentrações mais elevadas. A remoção desses compostos orgânicos halogenados é desejável por razões organolépticas e de saúde pública. A remoção dos metabólitos de algas e componentes halogenados da água potável é particularmente problemática devido às baixas concentrações nas quais essas impurezas devem ser reduzidas.

[0367] Os biocatalisadores dessa invenção são capazes de tratar água que contém concentrações ultrabaixas de contaminantes que incluem esses metabólitos de algas e compostos orgânicos halogenados e reduz suas concentrações a níveis aceitáveis. De forma significante devido às alterações fenotípicas dos microrganismos no biocatalisador, uma alta população estável de microrganismos pode existir no interior de, sem a necessidade de doador de elétrons excessivos para apoiar a população de microrganismo. Os processos para o uso dos biocatalisadores dessa invenção para reduzir a concentração de contaminantes ultrabaixos em uma corrente de água, compreendem: a. passar continuamente a dita corrente de água para um biorreator, em que o dito biorreator é mantido em condições metabólicas que inclui a presença do biocatalisador, em que o biocatalisador tem microrganismos capazes de bioconversão dos ditos contaminantes ultrabaixos retidos irreversivelmente no mesmo; b. colocar a dita corrente de água em contato com o dito biocatalisador por um tempo suficiente para reduzir a concentração dos ditos contaminantes ultrabaixos; e c. retirar do dito biorreator uma corrente de água tratada que tem uma concentração reduzida dos ditos contaminantes ultrabaixos.

[0368] Preferencialmente, cada um dos contaminantes ultrabaixos está presente em uma concentração na corrente de água que passou para o biorreator em uma quantidade de pelo menos cerca de 40, aproximadamente pelo menos cerca de 50 nanogramas por litro (ng/l) e menos do que cerca de 50, frequentemente menos do que cerca de 20 microgramas por litro (mcg/l). Os contaminantes ultrabaixos compreendem preferencialmente metabólitos de algas, tais como MIB e geosmina. Os contaminantes também podem incluir compostos orgânicos halogenados, tais como subprodutos de desinfecção, tais como trialometanos (THM) e ácido halo-acético (HAA), cada um dos quais podem ser apresentados em quantidades de 1 a 1.000 microgramas por litro. Após o tratamento, a concentração dos contaminantes ultrabaixos na água tratada é tipicamente abaixo de cerca de 40, preferencialmente abaixo de cerca de 20 e, algumas vezes, abaixo de cerca de 10 nanogramas por litro. Frequentemente, os compostos orgânicos halogenados na água tratada estão em concentrações de menos do que cerca de 70, preferencialmente menos do que 50 microgramas por litro.

[0369] Os processos dessa invenção são adequados para o uso com qualquer microrganismo capaz de bioconversões de baixa concentração. Os microrganismos preferenciais são do gênero Rhodococcus. O gênero Rhodococcus é um grupo muito diversificado de bactérias que possui a capacidade para degradar um grande número de compostos orgânicos. Os mesmos têm uma capacidade de adquirir uma notável faixa de genes catabólicos diferentes e têm fisiologia celular robusta. O Rhodococcus parece ter adotado uma estratégia de hipercombinação associada a um grande genoma. Notavelmente, eles abrigam grandes plasmídeos lineares que contribuem para a sua diversidade catabólica, agindo como um "armazenamento em massa" para um grande número de genes catabólicos.

[0370] Em muitos exemplos, as condições metabólicas não requerem a adição de doador de elétron a fim de manter a atividade metabólica das matrizes porosas, já que os contaminantes ultrabaixos e outros contaminantes na água são suficientes para fornecer o doador de elétron necessário. Quando é desejado que o doador de elétron seja adicionado, é preferencialmente em uma concentração que vai ser essencialmente completamente metabolizada pelo biocatalisador, isto é, o doador de elétrons será fornecido em uma quantidade insuficiente para manter a população dos microrganismos no biorreator.

[0371] Em alguns casos, o tempo médio de residência hidráulica da água que é tratada no biorreator é menor do que cerca de 5, preferencialmente menos do que cerca de 2 horas e pode ser na faixa de entre cerca de 10 e 50 minutos. Frequentemente, o biocatalisador pode reter a atividade metabólica por pelo menos cerca de 50, aproximadamente, pelo menos cerca de 250 dias. É possível que os microrganismos possam ser mantidos por décadas ou mais. Os biocatalisadores preferenciais podem manter a atividade metabólica desejada (por exemplo, dentro de cerca de 3 a 5 dias do reinício) após longos períodos de paralisação, aproximadamente, entre cerca de 100 e 500 dias.

[0372] Os processos metabólicos podem ser conduzidos em qualquer maneira adequada e podem estar sob condições mesofílicas típicas com o uso de sistemas de biorreator típicos. O processo pode ser em um modo de operação contínuo, semicontínuo ou de batelada, mas é preferencialmente contínuo. A oxigenação é preferencialmente pelo menos cerca de 1, mais preferencialmente pelo menos cerca de 2 e algumas vezes entre cerca de 2 e 10 ou mais miligramas de oxigênio livre por litro. Se necessário, os doadores de elétrons podem ser adicionados à água para serem tratados. Os doadores de elétrons incluem, mas não se limitam a, hidrogênio, hidratos de carbono, hidrocarbonetos, alcanois, aldeídos, ácidos carboxílicos, cetonas, aldeídos, glicerídeos e similares. Consulte, por exemplo, o parágrafo 0055 do Pedido de Patente Publicado no U.S. 2006/0263869. Se os doadores de elétrons forem requeridos, podem ser adicionados de qualquer forma adequada. Normalmente, a quantidade adicionada é suficiente para fornecer biodegradação procurada.

[0373] Os produtos de degradação podem ser removidos da água de qualquer maneira adequada, que inclui usar técnicas de separação típicas.

EXEMPLO 223

[0374] Um biorreator de tanque continuamente agitado com capacidade de 4 litros é carregado até cerca de 30 por cento do seu volume com o biocatalisador substancialmente conforme descrito no Exemplo 72. Uma corrente de alimentação de água passa continuamente pelo biorreator à temperatura ambiente (22 °C) a uma faixa suficiente para fornecer um tempo aproximado de residência hidráulica de cerca de 30 minutos. A água é de um reservatório de água fresca que não tenha sido tratada. O MIB e a geosmina são, cada um, fornecidos em uma quantidade de cerca de 400 nanogramas por litro (adicionar MIB e geosmina quando requerido para aproximar os níveis de concentração alvejados). A água fresca contém metabólitos de algas conforme pode ser detectado por odor e gosto. A água tem um pH de cerca de 7 e pelo menos 4 partes por milhão, em massa, de oxigênio dissolvido por litro. A concentração de MIB é reduzida a menos do que 5 nanogramas por litro e a geosmina a menos do que cerca de 20 nanogramas por litro. A água tratada do reator não tem odor ou gosto detectável.

[0375] O reator é desligado por cerca de 6 meses (no fluxo de água através do reator) e mantido à temperatura ambiente. Após o reinício, passando-se uma corrente de água similar através do biorreator, substancialmente, sob as mesmas condições, dentro de um dia, a água descarregada a partir do reator não tem um odor ou gosto detectável.

VIII. REMOÇÃO DE 1,4-DIOXANO DA ÁGUA

[0376] Os estudos em animais mostraram que a inalação e ingestão de 1,4-dioxano podem levar à formação de cavidade nasal e de carcinomas hepáticos, juntamente com efeitos neurotóxicos. O 1,4-dioxano inserido em fontes de água, primeiramente a partir do uso como um estabilizador de solvente para solventes usados em várias aplicações de limpeza e de desengorduramento, solventes clorados especialmente, tais como tricloroetano (TCA) e tricloroetileno (TCE). O 1,4-dioxano também é detectado em produtos de consumo, tais como xampús, sabões, ceras e loções, como um resultado de contaminação de compostos etoxilados, tal como lauril sulfato de sódio. Os estados tais como Califórnia, Massachusetts, Flórida e Carolina do Norte estabeleceram padrões de água potável para 1,4-dioxano em baixos níveis de partes por bilhão (ppb).

[0377] A biodegradação de 1,4-dioxano é problemática. A presença de solventes clorados tem um efeito inibitório sobre os microrganismos identificado para degradar o 1,4-dioxano; compostos de indução, tais como o propano ou o tetra-hidrofurano (THF) são requeridos para muitos microrganismos para degradar 1,4-dioxano, mas são eles próprios contaminantes; e microrganismos que não requerem compostos indutores tendem a ser menos robustos e crescimento lento.

[0378] O biocatalisador dessa invenção é particularmente atrativo para o uso em processos para reduzir a concentração de 1,4-dioxano em uma corrente de água. Em alguns casos, o uso de um composto de indução não é requerido mesmo que a água contenha tanto o 1,4-dioxano quanto um composto halogenado. Esses processos compreendem: a. passar continuamente a dita corrente de água por um biorreator, em que o dito biorreator é mantido em condições metabólicas que incluem condições aeróbicas e a presença do biocatalisador dessa invenção que contém microrganismos adaptados para degradar o 1,4-dioxano metabolicamente; b. colocar a dita corrente de água em contato com o dito biocatalisador por um tempo suficiente para reduzir a concentração do dito 1,4- dioxano na corrente de água; e c. retirar do dito biorreator uma corrente de água tratada que tem uma concentração reduzida de 1,4-dioxano.

[0379] Os microrganismos preferenciais usados no biocatalisador são do género Rhodococci, Pseudonocardia dioxanivorans e Pseudonocardia benzenivorans. Os processos preferenciais incluem aqueles que o 1,4-dioxano está presente na corrente de água em uma quantidade menor do que cerca de 100 microgramas por litro e a corrente de água tratada tem uma concentração de 1,4-dioxano de menos do que cerca de 10 microgramas por litro. Em alguns casos, 1,4-dioxano está presente na corrente de água em uma quantidade maior do que cerca de 10 microgramas por litro e a corrente de água tratada tem uma concentração de 1,4-dioxano de menos do que cerca de 5 microgramas por litro.

[0380] Em muitos exemplos, nenhuma fonte de carbono adicional é requerida para manter a população de microrganismos no biocatalisador devido ao microambiente e alterações fenotípicas. Entretanto, em baixas concentrações, o 1,4-dioxano na água a ser tratada, a adição de pequenas quantidades de fonte de carbono pode ser vantajosa para sustentar a robustez energética da população. Contudo, a atividade metabólica dos biocatalisadores pode ser suficiente para assegurar que, substancialmente, nenhum carbono biodegradável está contido na água tratada.

[0381] Os processos metabólicos podem ser conduzidos de qualquer forma adequada, que inclui condições mesófilicas típicas e que usa sistemas de biorreatores típicos. O processo pode ser em um modo de operação contínuo, semicontínuo ou de batelada, mas é preferencialmente contínuo. A oxigenação é preferencialmente pelo menos cerca de 1, mais preferencialmente pelo menos cerca de 2 e algumas vezes entre cerca de 2 e 10 ou mais miligramas de oxigênio livre por litro. Se necessário, os doadores de elétrons podem ser adicionados à água a ser tratada. Os doadores de elétrons incluem, mas não se limitam a, hidrogênio, hidratos de carbono, hidrocarbonetos, alcanois, aldeídos, ácidos carboxílicos, cetonas, aldeídos, glicerídeos e similares. A acetona ou glucose é um doador de elétrons conveniente. Observe, por exemplo, o parágrafo 0055 do Pedido de Patente Publicado no U.S. 2006/0263869. Se os doadores de elétrons são requeridos, podem ser adicionados de qualquer forma adequada.

[0382] Os produtos de degradação podem ser removidos da água de qualquer forma adequada, que inclui o uso de técnicas de separação típicas.

EXEMPLO 224

[0383] Um biorreator de fluxo descendente de levantamento de ar com capacidade de 4 litros com uma placa perfurada equipada com difusores para fornecer aeração uniforme do biorreator é carregado com 3.000 gramas do biocatalisador do exemplo 48. Uma bomba de ar fornece ar para o biorreator abaixo da placa perfurada em uma quantidade suficiente para manter o biocatalisador suspenso. A água a ser tratada é adicionada continuamente à fase líquida acima da placa perfurada com o uso de uma bomba de velocidade variável.

[0384] A água a ser tratada é água deionizada na qual os componentes são adicionados. A acetona, o cloreto de amônia e o dipotássio bifosfato são adicionados, se necessário, para manter uma razão atômica de carbono:nitrogênio:fósforo na água de 100:3:1. O carbono atômico é calculado como o carbono total nos componentes adicionados à água. O oxigênio dissolvido no biorreator está entre cerca de 5 e 7 miligramas por litro (conforme determinado através de uma sonda e medidor Oakton D06 Acorn Series). O biorreator é operado à temperatura ambiente (cerca de 21 °C a 25 °C) e um tempo médio de residência hidráulica de 5 horas e um pH entre cerca de 7 e 8 é mantido no biorreator.

[0385] A água é primeiramente enriquecida com cerca de 71.000 microgramas por litro de 1,4-dioxano. Após a conclusão desse ciclo, a água é enriquecida com 100 microgramas por litro de 1,4-dioxano e 50 microgramas de acetona por litro. A concentração de 1,4-dioxano no efluxo é determinada por cromatografia por gás e está em ambos os casos abaixo do limite de não detecção da cromatografia por gás de cerca de 2 microgramas por litro.

[0386] Adicionalmente, o efluente não filtrado do biorreator é disposto em placas de ágar (LBB + glicose). Após uma incubação de 5 dias, as colônias (se houver) foram contadas. Substancialmente, nenhuma colônia é observada de modo a indicar que os microrganismos são, substancialmente, retidos de forma irreversível no biocatalisador.

[0387] Os resultados são indicativos de que os biocatalisadores exigem muito pouco tempo de indução antes de a remoção eficaz de 1,4- dioxano ocorrer e que a concentração de 1,4-dioxano pode ser reduzida a níveis de não detecção tanto nas concentrações mais elevadas quanto nas mais baixas.

IX. ÁCIDO SUCCÍNICO

[0388] Os biocatalisadores dessa invenção podem ser usados para converter açúcares em ácido succínico. Nos aspectos mais amplos, os processos para a bioconversão de açúcar e, opcionalmente, dióxido de carbono com o uso de um biocatalisador que contém um microrganismo que produz ácido succínico, compreendem: a. colocar um meio aquoso em contato com o dito biocatalisador sob condições metabólicas que inclui a temperatura e a presença de sugar e outros nutrientes para o microrganismo por um tempo suficiente para produzir ânion succinato e fornece um meio aquoso que contém ânion succinato; b. remover pelo menos uma porção do dito meio aquoso que contém ânion succinato e o dito biocatalisador; c. reutilizar na etapa (a) o dito biocatalisador do qual pelo menos uma porção do dito meio aquoso que contém ânion succinato tenha sido removida; e d. recuperar o ânion do dito meio aquoso que contém ânion succinato.

[0389] Exemplos de microrganismos que produzem ânion succinato revelados até o momento incluem, mas que não se limitam a, microrganismos geneticamente modificados ou naturais, tais como Mannheimia succiniciproducens, Anaerobiospirillum succiniciproducens, Actinobacillus succinogenes, Alcaligenes eutrophus, Aspergillus niger, Bacillus, Bacteroides fragilis, Bacteroides ruminicola, Bacteroides amylophilus, Brevibacterium ammoniagenes, Brevibacterium lactofermentum, Candida brumtii, Candida catenulate, Candida mycoderma, Candida zeylanoides, Candida paludigena, Candid sonorensis, Candida utilis, Candida zeylanoides, Citrobactor freundii, Corynebacterium glutamicum, Debaryomeces hansenii, Enterococcus faecalis, Escherichia coli {cepas de E. coli SB550 MG pHL 413, KJ122 e TG400), Fibrobacter succinogenes, Fusarium oxysporum, Gluconobacter oxydans, Glyconobacter asaii, Humical lanuginosa, Kloeckera apiculata, Kluyveromyces lactic, Kluyveromyces wickerhamii, Paecilomcyes varioti, Penicillum simplicissimum, Pichia anomala, Pichia besseyi, Pichia media, Picha guiliermondii, Pichia inositovora, Pichia stipidis, Rhizobium, Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces bayanus, Schizosaccharommyces, Schizosaccharomyces pombe, Torulopsos Candida, Veillonella parvula, Wollinella succinogenes e Yarrowia lipolytica.

[0390] Os processos metabólicos podem ser conduzidos em qualquer maneira adequada. O substrato compreende hidrato de carbono, que inclui açúcares C5 e C6 e podem incluir dióxido de carbono. Devido ao uso do biocatalisador, os açúcares menos preferenciais para bioconversão podem ser usados de maneira eficaz pelos microrganismos. A concentração de açúcares usados no meio aquoso pode estar em uma ampla faixa. Em geral, os açúcares estão presentes em uma concentração no meio aquoso de pelo menos cerca de 0,5, aproximadamente, entre cerca de 1 e 200 gramas por litro. Preferencialmente, a quantidade de açúcar fornecida no meio aquoso é tal que pelo menos cerca de 90, mais preferencialmente, pelo menos cerca de 95, em massa, por cento são consumidos durante o processo metabólico.

[0391] O dióxido de carbono pode ser obtido a partir de qualquer fonte adequada; entretanto, os componentes que são excessivamente prejudiciais para os microrganismos devem ser removidos antes de entrar em contato com o meio aquoso que contém o biocatalisador. Em geral, o dióxido de carbono é suprido na forma gasosa, embora os sais de carbonato e de bicarbonato possam ser usados. Quando suprido como um gás, a concentração de dióxido de carbono no gás é tipicamente da faixa de cerca de 40 a 100, aproximadamente, 70 a 100 por cento em volume. As fontes de dióxido de carbono incluem, mas não se limitam a, gases de escape de processos industriais e de fermentação, gases de exaustão de combustão de combustíveis e material residual, correntes de gás natural que contêm dióxido de carbono, correntes a partir da gaseificação de biomassa, por exemplo, para produzir gás de síntese e similares.

[0392] O meio aquoso contém água que pode ser fornecida a partir de qualquer fonte adequada que inclui, mas não se limita a, água, água desmineralizada, água destilada e correntes de água residual ou de processos. Quaisquer condições metabólicas adequadas podem ser usadas, incluindo condições mesofílicas típicas. Onde são usados substratos gasosos, pressões mais elevadas tendem a aumentar a quantidade de substrato dissolvido no líquido de cultura e, assim, intensificar a transferência de massa. Frequentemente, o pH está entre cerca de 3 e 8,5, aproximadamente, 3,5 a 7. As condições metabólicas para a bioconversão de açúcares e dióxido de carbono em ânion succinato são tipicamente anaeróbicas e, preferencialmente, o meio aquoso tem uma concentração de oxigênio molecular dissolvido de menos do que cerca de 0,5 miligrama por litro. Onde o biocatalisador é submetido a meios aquosos diferentes e um dos meios aquosos é destinado a fornecer atividades metabólicas para intensificar a viabilidade dos microrganismos, a concentração de oxigênio molecular dissolvido pode ser em excesso de cerca de 2, aproximadamente, cerca de 2 a 10 miligramas por litro.

[0393] A duração do contato entre o meio aquoso e biocatalisador também pode estar em uma ampla faixa e dependerá, em parte, da concentração de substrato, da concentração de ânion succinato encontrada no meio aquoso, do tipo de biorreator, das outras condições metabólicas usadas, da natureza do microrganismo usado e do tipo de microrganismo e densidade de célula no biocatalisador. Para operações de batelada, o contato é frequentemente na faixa de cerca de 5 minutos a 100 horas, aproximadamente, cerca de 1 a 50 horas e, em operações contínuas, a velocidade espacial horária líquida é tipicamente na faixa de cerca de 0,01 a 50 h-1.

[0394] A bioconversão pode ser em um modo de operação contínuo, semicontínuo ou de batelada. Qualquer projeto de biorreator adequado pode ser usado, incluindo sistemas de biorreatores típicos.

[0395] Em aspectos preferenciais, o biocatalisador é submetido a dois ou mais ambientes aquosos para intensificar a bioconversão de açúcares, reduzir a presença de açúcares não consumidos no produto de fermentação que contém ácido succínico e intensificar o uso de dióxido de carbono como um cossubstrato.

[0396] Em uma realização dos processos preferenciais, o contato do meio aquoso com o biocatalisador ocorre em pelo menos duas zonas de reação que têm condições metabólicas diferentes. Em um aspecto dessa realização, o meio aquoso de uma primeira zona de reação que contém o biocatalisador passa para uma zona de reação subsequente para um contato adicional com o biocatalisador. Substancialmente nenhum açúcar adicional é adicionado ao meio aquoso imediatamente antes de passar para a zona de reação subsequente ou durante seu tempo de residência na zona reação subsequente. Assim, a concentração de açúcar no meio aquoso é, adicionalmente, depletado na zona de reação subsequente, preferencialmente, a menos do que cerca de 1, aproximadamente, menos do que cerca de 0,5, em massa, por cento com base na massa do ânion succinato no meio aquoso. Preferencialmente, a primeira zona de reação e a zona de reação subsequente são submetidas à um ciclo. Em alguns casos, pode ser desejado para abastecer o substrato de dióxido de carbono para o meio aquoso na zona de reação subsequente para converter fosfoenolpiruvato adicional nos microrganismos em ânion succinato.

[0397] Em outro aspecto dessa realização preferencial, uma zona de reação que contém o biocatalisador é disposta entre o uso de um substrato de açúcar aquoso e um substrato de dióxido de carbono gasoso ou aquoso. Por exemplo, o açúcar é fornecido em um primeiro meio aquoso em contato com as matrizes porosas na primeira zona de reação, a qual pode estar sob condições suficientes para gerar fosfoenolpiruvato nos microrganismos sob condições que não favorecem a conversão do fosfoenolpiruvato para ânion succinato, as quais condições podem compreender condições micro-aeróbicas ou aeróbicas. O primeiro meio aquoso é retirado. Um segundo meio aquoso ou gás é introduzido na zona de reação sob condições anaeróbicas, que inclui a presença de dióxido de carbono, suficiente para bioconverter o fosfoenolpiruvato em ânion succinato. Enquanto o biocatalisador fornece ambientes que retêm nutrientes para os microrganismos na atividade metabólica dos microrganismos podem ser mantidos na segunda zona. Preferencialmente a segunda zona usa um meio aquoso que é substancialmente água, de modo que o produto de ânion succinato que passa no segundo meio aquoso pode mais ser recuperado mais facilmente. Mais preferencialmente, a concentração do ânion succinato no segundo meio aquoso é pelo menos cerca de 150, aproximadamente, pelo menos cerca de 200 a tanto quanto 300 ou 400 gramas por litro de meio aquoso. O segundo meio aquoso que contém ânion succinato é removido da primeira zona de reação para a recuperação do ânion succinato. Em alguns casos, o ácido succínico de alta pureza pode ser obtido reduzindo-se a temperatura do meio aquoso o suficiente para cristalizar um ácido succínico. Após a remoção do segundo meio aquoso, a primeira zona de reação pode entrar em contato com um primeiro meio aquoso. Em alguns casos, uma terceira ou até mesmo mais etapas podem ser usadas. Por exemplo, após a remoção do segundo meio aquoso, a primeira zona de reação pode entrar em contato com um primeiro meio aquoso da zona de reação de outra zona de reação e ser mantida sob condições para reduzir os metabólitos no meio aquoso e gerar mais fosfoenolpiruvato. Se desejado, múltiplas zonas de reação podem ser usadas a fim de fornecer um processo semicontínuo.

[0398] O produto de ácido succínico pode ser recuperado a partir do meio aquoso em qualquer maneira adequada. Diversos métodos para a recuperação do ácido succínico incluem separações por membranas e precipitação, sorção e troca iônica, eletrodiálise e extração líquido-líquido. Consulte, por exemplo, Davidson, et al., Succinic Acid Adsorption from Fermentation Broth and Regeneration, Applied Biochemistry and Biotechnology, Spring 2004, páginas 653 a 669, para uma discussão de sorventes para a recuperação de ácido succínico a partir de caldos de fermentação. Consulte também, Li, et al., Separation of Succinic Acid from Fermentation Broth Using Weak Alkaline Anion Exchange Adsorbents, Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48, páginas 3.595 a 3.599. Consulte, por exemplo, um método de cristalização múltiplo para recuperação de ácido succínico revelado na Publicação de Pedido de Patente no U.S. 2011/0297527. Hepburn, na sua tese de mestrado em Queen's University, The Synthesis of Succinic Acid and its Extraction from Fermentation Broth Using um Two-Phase Partitioning Bioreactor (abril 2011), revela um processo onde tal ácido cínico é produzido a níveis inibitórios e, então, o pH do sistema foi sugerido abaixo do PKA2 de ácido succínico com o uso de gás de dióxido de carbono dissolvido para criar um produto não dissociado. Polímeros com uma afinidade para ácido succínico foram absorvidos da solução e, então, o pH retornou aos níveis operacionais.

[0399] Um entendimento geral desse processo pode ser facilitado com referência às Figuras 10 e 11. Com referência à Figura 10, o aparelho 1000 é adequado para a produção biológica de ácido succínico em uma base contínua. O aparelho 1000 é retratado como tendo um biorreator primário 1002 e um biorreator de polimento 1004. Ambos os biorreatores são reatores de leito fluidizado que contêm biocatalisador, por exemplo, substancialmente descrito no Exemplo 175. Uma corrente aquosa que contém açúcar e outros nutrientes é suprida pela linha 1006 ao biorreator 1002. O gás que contém dióxido de carbono é suprido ao aparelho 1000 por meio da linha 1008. Uma porção do gás que contém dióxido de carbono passa através da linha 1010 para a linha 1006 para o interior do biorreator 1002. O biorreator 1002 é mantido sob condições metabólicas suficientes para a conversão de sugar e dióxido de carbono em ânion succinato. Os gases de escape são removidos do biorreator 1002 através da linha 1012. Uma corrente contínua do meio aquoso no biorreator 1002 é retirada através da linha 1014 e passa por um biorreator 1004. O biorreator 1002 é dotado de uma tela ou outro dispositivo para prevenir essencialmente que o biocatalisador passe para o interior da linha 1014. Um gás que contém dióxido de carbono da linha 1008 e da linha 1016 é fornecido para o biorreator 1004.

[0400] Em uma operação típica do aparelho 1000, o meio aquoso retirado do biorreator 1002 através da linha 1014 contém açúcares que não reagiram e metabólitos que podem ser, adicionalmente, bioconvertidos pelos microrganismos. O biorreator 1004 é operado para reduzir adicionalmente a concentração dos açúcares que não reagiram e esses metabólitos e, portanto, nenhum substrato açúcar adicional é fornecido para um biorreator 1004 em tal operação. Deve ser prontamente compreendido que, se desejado, o substrato de açúcar adicional pode ser adicionado ao meio aquoso no biorreator 1004.

[0401] O biorreator 1004 é operado sob condições metabólicas suficiente para converter o substrato em ânion succinato. Os gases não reagidos são retirados do biorreator 1004 através da linha 1018. Uma corrente contínua do meio aquoso do biorreator 1004 é retirada por meio da linha 1020. O biorreator 1004 é dotado de uma tela ou outro dispositivo para prevenir essencialmente que o biocatalisador passe para o interior da linha 1020. O meio aquoso retirado é direcionado para o conjunto de filtragem 1022 por meio da linha 1020. Visto que o meio aquoso é substancialmente desprovido de sólidos, é prático para o conjunto filtragem 1022 ser um conjunto de ultrafiltragem. O meio aquoso passa, então, do conjunto de filtragem 1022 por meio da linha 1024 para o conjunto de coluna de destilação 1026. No caso em que os biorreatores 1002 e 1004 são operados substancialmente de modo não tamponado, o conjunto de coluna de destilação 1026 serve para concentrar o meio aquoso para facilitar a cristalização do ácido succínico. No caso de um tampão de hidróxido de amónio ser usado, o conjunto de coluna de destilação 1026 também serve para converter os sais de amónio de ânion succinato em ácido succínico em que a amônia é liberada. O conjunto de coluna de destilação 1026 pode compreender uma ou mais operações de unidade, incluindo a neutralização e filtragem de precipitados, a ressolvatação e a cristalização intermediária, tal como descritos na Publicação de Pedido de Patente no U.S. 2011/0297527 e similares.

[0402] Conforme mostrado, a suspensão do conjunto de coluna de destilação 1026 sai por meio da linha 1028. Uma purga pode ser obtida através da linha 1030 e a sobrecarga restante reciclada em um ou ambos os biorreatores 1002 e 1004 por meio das linhas 1034 e 1032, respectivamente. Onde o tampão de hidróxido de amónio é usado, a reciclagem reduz a quantidade necessária de hidróxido de amónio a ser fornecida externamente. É também possível operar o biorreator 1004 a um pH mais baixo do que o usado no biorreator 1002. Assim, em um sistema de tampão, a porção predominante do ânion succinato será o monossal.

[0403] A corrente de fundos da coluna de destilação 1026 passa por meio da linha 1036 para a unidade de cristalização 1038. Tipicamente, a concentração de ácido succínico na corrente de fundos é maior do que cerca de 30%. A corrente de fundos que passa para a unidade de cristalização é frequentemente resfriada a uma temperatura abaixo de cerca de 15 °C, aproximadamente, entre cerca de 0 °C e 10 °C. O ácido succínico cristalino é removido da unidade de cristalização 1038 por meio da linha 1040. O líquido sobrenadante é removido por meio da linha 1042.

[0404] A Figura 11 retrata um aparelho 1100 que tem três biorreatores 1102, 1104 e 1106 que são operados em uma rotina cíclica e sequencial para bioconverter o açúcar e o dióxido de carbono em ácido succínico. Cada um dos reatores contém matrizes porosas que têm microrganismos produtores de ácido succínico irreversivelmente retidos nas mesmas. Os biorreatores têm um sistema de reciclagem de líquido interna a ser operado como reatores de leito fluidizado.

[0405] O aparelho 1100 é dotado de quatro coletores: o coletor 1108 que fornece um meio aquoso fresco que contém açúcar e outros nutrientes; o coletor 1110 que fornece o gás que contém dióxido de carbono; o coletor 1112 que fornece o gás que contém oxigênio e o coletor 1114 que fornece o transporte de fluidos entre os biorreatores. Os conjuntos de linha 1116, 1118 e 1120 conectam cada um dos quatro coletores 1108, 1110, 1112 e 1114 aos biorreatores 1102, 1104 e 1106, respectivamente. Cada um dos biorreatores 1102, 1104 e 1106 são dotados de linhas 1122, 1124 e 1126, respectivamente, para permitir a saída de gás e são dotados de linhas 1128, 1134 e 1138, respectivamente, para o meio aquoso drenado dos biorreatores. O meio aquoso drenado de um biorreator é direcionado tanto para o coletor 1132 quanto para o coletor 1114. Para o biorreator 1102, a linha 1128 está em comunicação fluida com a linha 1130 que é adaptada para direcionar o meio aquoso para um desses coletores. Para o biorreator 1104, a linha 1134 está em comunicação fluida com a linha 1136 que é adaptada para direcionar o meio aquoso para um desses coletores. Para o biorreator 1106, a linha 1138 está em comunicação fluida com a linha 1140 que é adaptada para direcionar o meio aquoso para um desses coletores.

[0406] Cada um dos biorreatores 1102, 1104 e 1106 é sequenciado entre um estágio microaeróbico, um estágio anaeróbico, estágio de conversão de açúcar e um estágio de conversão de dióxido de carbono. No estágio microaeróbico, o meio aquoso fresco é abastecido em um biorreator que concluiu o estágio de conversão de dióxido de carbono e foi drenado do meio aquoso para propósitos de recuperação de ácido succínico. Nesse aspecto, pequenas quantidades de gás contendo oxigênio, por exemplo, ar são abastecidas a partir do condutor 1112.

[0407] Na conclusão do estágio microaeróbico, o abastecimento de gás contendo oxigênio a partir do condutor 1112 é cessado e o biorreator entra no estágio de conversão de açúcar anaeróbico. O estágio de conversão de açúcar anaeróbico pode ser conduzido com ou sem a adição de dióxido de carbono a partir do condutor 1110. O estágio de conversão de açúcar anaeróbico é conduzido sob condições metabólicas adequadas para a produção de ânion de succinato. Em algumas realizações, as condições metabólicas durante o estágio microaeróbico e o estágio de conversão de açúcar anaeróbico aprimora a formação de fosfoenolpiruvato com relativamente pouco ânion de succinato que passa a partir das matrizes porosas até o meio aquoso circundante.

[0408] O reator, então, passa a partir do estágio de conversão de açúcar anaeróbico para o estágio de conversão de dióxido de carbono. No estágio de conversão de dióxido de carbono, o dióxido de carbono é abastecido a partir do condutor 1112 em uma quantidade suficiente para aprimorar uma porção do ânion de succinato que é derivada do substrato de dióxido de carbono através da conversão de fosfoenolpiruvato. O biorreator é mantido sob condições metabólicas que favorecem a bioconversão de substrato de dióxido de carbono. Na conclusão do estágio de conversão de dióxido de carbono, o meio aquoso é drenado do biorreator e passa para o condutor 1132 para recuperação de ácido succínico. O reator, então, é ciclizado de volta ao estágio microaeróbico.

[0409] Como com o aparelho mostrado na Figura 10, o aparelho 1100 passa o meio aquoso retirado do biorreator tendo passado através do estágio de conversão de dióxido de carbono para o conjunto de filtração 1142 e, então, através da linha 1144 para o conjunto de destilação 1146. A parte suspensa a partir do conjunto de destilação 1146 sai através da linha 1148 para reciclar no condutor 1108. Uma purga é tomada através da linha 1150. A corrente inferior do conjunto de destilação 1146 passa através da linha 1152 para o conjunto de cristalização 1154. O ácido succínico é retirado através da linha 1156 e o líquido sobrenadante é removido através da linha 1158.

[0410] O aparelho 1100 também pode ser operado usando uma sequência de estágios diferentes. Tal sequência usa a água que tem uma ausência substancial de açúcares e outros nutrientes no estágio de conversão de dióxido de carbono. Para descrição dessa sequência, faz-se referência ao condutor 1108a que supre tal corrente de água.

[0411] No estágio microaeróbico, o meio aquoso é abastecido por outro biorreator que concluiu o estágio de conversão de açúcar anaeróbico. Na conclusão do estágio microaeróbico, o biorreator entra no estágio de conversão de açúcar anaeróbico, conforme descrito acima, porém, sob condições que minimizam o acúmulo de ânion de succinato no meio aquoso. Açúcar e outros nutrientes são fornecidos para o biorreator através do condutor 1108. O açúcar e outros nutrientes são preferencialmente dissolvidos ou transformados em calda em um meio aquoso em uma concentração suficiente para manter a quantidade imaginada de meio aquoso no biorreator, assim como, concentrações suficientes dos açúcares e outros nutrientes para a atividade metabólica dos microrganismos.

[0412] Na conclusão do estágio de conversão de açúcar anaeróbico, o meio aquoso é retirado e passa por um biorreator que entra no estágio microaeróbico. O meio aquoso é substituído por água, que tem uma ausência substancial de açúcar e outros nutrientes. No estágio de conversão de dióxido de carbono, dióxido de carbono suficiente é fornecido para fornecer, sob condições metabólicas, ânion de succinato. O ânion succínico passa para a fase aquosa que terá concentrações de açúcares reduzidas, outros nutrientes e outros metabólitos em comparação ao meio aquoso no estágio de conversão de açúcar anaeróbico. Desse modo, a capacidade de obter ácido succínico de alta pureza é facilitada. Além disso, ao reciclar o meio aquoso a partir do biorreator que conclui o estágio de conversão de açúcar anaeróbico até o estágio microaeróbico, determinados metabólitos, tal como, ânion de acetato podem ser consumidos pelos microrganismos para propósitos metabólicos aprimorando, desse modo, a conversão de açúcares em ânion de succinato.

[0413] Nessa sequência, uma corrente de purga é tomada a partir do condutor 1114 através da linha 1114a para impedir o acúmulo indevido de componentes indesejados no meio aquoso, e parte suspensa a partir do conjunto de destilação 1146 pode ser usada para constituir pelo menos parte da água para a água abastecida pelo condutor 1108a através da linha 1148a.

X. BOTYROCOCCI

[0414] Botryococcus, que inclui, porém, não se limita a Botryococcus braunii, foi proposto para a conversão fotossintética de dióxido de carbono em diversos bioprodutos de hidrocarboneto e compostos orgânicos oxigenados, muitas vezes de 8 ou 10 a 50 átomos de carbono e, algumas vezes, entre cerca de 20 e 40, átomos de carbono (“óleos”). As espécies de Botryococcus que foram relatadas têm até 75 por cento da massa seca das microalgas que constituem hidrocarbonetos, considerando que outras microalgas possam conter apenas até cerca de 10 por cento em massa de hidrocarbonetos. As espécies de Botryococcus muitas vezes têm uma alta produtividade de bioprodutos. Os bioprodutos podem ser expressos a partir das células e dependendo da cepa ou raça das espécies podem incluir hidrocarbonetos em número ímpar, hidrocarbonetos n-alcadienos, trienos, triterpenos e tetraterpenos. Os hidrocarbonetos podem conter oxigênio em diversos grupos funcionais.

[0415] Embora as espécies de Botryococcus ofereçam potencial significativo como uma fonte de elementos bioquímicos e biocombustíveis, as dificuldades práticas associadas ao abastecimento e manutenção de uma população suficiente de espécies de Botryococcus impediram sua adoção em uma escala comercial. Essas dificuldades incluem: uma taxa de crescimento muito lenta; uma secreção de óleo se encontra principalmente na fase de não crescimento, desse modo, foram realizadas propostas para colher as algas uma vez que uma população suficiente foi obtida para recuperação de óleo; sensibilidade à luz forte que causa a degeneração de clorofila que pode ser de longa duração ou permanente; paredes celulares espessas que são resistentes à degradação química e impedem a extração de óleo; sensibilidade ao cisalhamento hidrodinâmico; e uma impraticabilidade de usar um biorreator de tamanho suficiente para ser competitivo para abastecer óleos livres de microrganismos de contaminação que podem consumir óleos, competir com nutrientes e produzir algicidas.

[0416] Os biocatalisadores desta invenção que contêm espécies de Botryococcus se aproveitam da atividade metabólica de espécies de Botryococcus para fornecer viabilidade de processo aprimorada. Nos aspectos amplos, os processos para a bioconversão de dióxido de carbono em bioprodutos que usam biocatalisador desta invenção que contêm microalgas que compreendem uma espécie de Botryococcus compreendem: a. manter o biocatalisador em um meio aquoso, sendo que o dito meio aquoso se encontram em condições metabólicas que incluem temperatura e a presença de nutrientes para as microalgas; b. colocar o meio aquoso em contato com dióxido de carbono para a bioconversão em que as microalgas secretam bioproduto; c. irradiar o meio aquoso com luz em uma frequência e intensidade suficiente para as microalgas fotossintetizarem dióxido de carbono em bioproduto; e d. remover o bioproduto do meio aquoso.

[0417] A bioconversão pode ser fotossintética ou heterotrófica em que as microalgas têm a capacidade de operar em tal ambiente, ou ambos. De preferência, o biocatalisador tem uma dimensão menor, inferior a cerca de 15, preferencialmente, inferior a cerca de 2, milímetros, diga-se, entre cerca de 100 mícrons e 2 milímetros.

[0418] Os processos desta invenção usam microalgas que compreendem espécies de Botryococcus. De preferência, as microalgas consistem essencialmente em espécies de Botryococcus, isto é, existe um ambiente monocultural para a conversão fotossintética de dióxido de carbono em bioproduto ou um ambiente multicultural com bactérias que podem aprimorar o desempenho de espécies de Botryococcus, tal como, revelado em Wang, et al., Effect of nutrient conditions on the growth of Botryococcus braunii, Chinese Journal of Process Engineering, 3:141 a 145 (1996), incorporado no presente documento a título de referência em sua totalidade. As espécies de Botryococcus podem ser de um tipo selvagem (de ocorrência natural) ou uma microalga recombinante. Os exemplos de espécies de Botryococcus incluem, porem, não se limitam a, Botryococcus braunii. Inúmeras cepas de Botryococcus braunii são conhecidas, tais como, horridus, minor, perarmatus, validus, Showa e Ninsei. Outras espécies de Botryococcus incluem, B australis, B. calcareous, B. canadensis, B. comperei, B. fernanoi, B. giganteus, B. miromorus, B. neglectus e B. pila. As cepas podem ser adicionalmente categorizadas em raças, tais como, Botryococcus braunii raça A, Botryococcus braunii raça B e Botryococcus braunii raça L. As cepas de Botryococcus braunii são tipicamente preferenciais devido à produção e taxas de bioproduto, especialmente aquelas das raças A e B, e as cepas de Botryococcus braunii raça B são mais preferenciais onde os bioprodutos não contêm átomos de oxigênio são desejadas.

[0419] Uma espécie vantajosa de Botryococcus compreende Botryococcus geneticamente modificado contendo enzima para metabolizar fonte de carboidratos, tal como, açúcar, para crescimento heterotrófico. Essa modificação genética facilita a obtenção de uma grande população de Botryococcus a ser incorporada no biocatalisador. O aumento da população pode ser facilitado através do uso de fontes de carbono alternativas, tais como, carboidratos onde as microalgas contêm enzimas e transportadores adequados. Botryococcus braunii tem tipicamente transportadores para glicose.

[0420] Os biocatalisadores desta invenção são usados nos processos fotossintéticos para bioconverter dióxido de carbono em bioprodutos. A composição dos bioprodutos pode variar dependendo da cepa de Botryococcus usada, e podem ser hidrocarbonetos ramificados ou cíclicos, que incluem, porém, não se limitam a terpenoides de 10 a 50 carbonos, e podem ser substituídos por porções químicas que contêm oxigênio, tais como, hidroxila, alcóxi, acila e carboxila. Os bioprodutos podem incluir biodiesel e outros glicerídeos. Os bioprodutos são expressos a partir das microalgas, e passam a partir das matrizes porosas para o meio aquoso contendo as matrizes porosas. Um solvente pode ser usado para facilitar a coleta dos bioprodutos. Um solvente preferido é aquele que é imiscível em água, solubiliza os hidrocarbonetos ou outros bioprodutos, tem um baixo ponto de ebulição, tem uma densidade significativamente diferente da água, é prontamente disponível e pouco dispendioso, é reutilizável e reciclável, e não é extremamente tóxico para os organismos. Heptano é um exemplo de tal solvente.

[0421] Os processos metabólicos podem ser conduzidos de qualquer maneira adequada. O substrato compreende dióxido de carbono e pode incluir carboidrato, incluindo os açúcares C5 e C6. O dióxido de carbono pode ser obtido a partir de qualquer fonte adequada; entretanto, os componentes que são exclusivamente deletérios para as microalgas devem ser removidos antes de entrar em contato com o biocatalisador. Geralmente, o dióxido de carbono é abastecido na forma gasosa, embora os sais de carbonato e bicarbonato possam ser usados, porem, sejam menos preferenciais. Onde abastecida como um gás, a concentração de dióxido de carbono no gás se encontra tipicamente na faixa de cerca de 40 a 100, diga-se, 70 a 100, por cento em volume. As fontes de dióxido de carbono incluem, porem, não se limitam a, efluentes gasosos a partir de processos industriais e de fermentação, gases de escape da combustão de combustíveis e materiais residuais, correntes de gás natural contendo dióxido de carbono, correntes provenientes da gaseificação de biomassa, por exemplo, para produzir gás de síntese, e similares.

[0422] As condições metabólicas adequadas que usam radiação de luz em uma intensidade suficiente para fornecer atividade fotobiocatalítica que inclui líquido de cultura podem ser usadas incluindo Condições Mesofílicas Típicas. A intensidade de luz pode variar, porém, de preferência, ser relativamente forte, por exemplo, pelo menos cerca de 20, diga-se, entre cerca de 20 e 200 ou mais, microEinsteins por metro quadrado por segundo, para luz dentro da faixa de onda de 400 a 800 nanômetros. A pressão não é crítica e pode ser pressão ambiente, reduzida ou elevada. Onde os substratos gasosos são usados, altas pressões tendem a aumentar a quantidade de substrato dissolvido no líquido de cultura e, desse modo, aprimoram a transferência de massa. Muitas vezes, o pH se encontra entre cerca de 6,5 e 8,5, diga-se, 6,5 e 8,0. As condições metabólicas podem incluir a presença de oxigênio molecular e, se presente, em uma quantidade entre cerca de 5 e 50 por cento em volume com base no volume de dióxido de carbono alimentado no meio aquoso.

[0423] Geralmente, a atividade de bioconversão pode ser mantida por pelo menos cerca 30 e, muitas vezes, pelo menos cerca de 300 ou mais dias.

[0424] O produto químico pode ser recuperado a partir do líquido de cultura de qualquer maneira adequada. A remoção contínua ou descontínua frequente do bioproduto é preferencial como o bioproduto.

XI. BUTANOL

[0425] O biocatalisador desta invenção é atraente para a conversão de substrato em butanol que pode ser isobutanol ou n-butanol. Ambos os isômeros de butanol são tóxicos em concentrações relativamente baixas para os microrganismos que produzem butanol, tipicamente, inferior a cerca de 3 por cento em massa por litro de meio aquoso. Os processos que usam o biocatalisador desta invenção permitem que títulos mais altos de butanol sejam produzidos reduzindo, desse modo, os custos da separação de água/butanol. Consulte, por exemplo, Tracy, "Improving Butanol Fermentation to Enter the Advanced Biofuel Market, mbio.asm.org, vol. 3, 6, novembro/dezembro de 2012, e Kaminski, et al., Biobutanol — Production and Purification Methods, Ecological Chemistry and Engineering S, 18:1, pp. 31 a 37 (2011).

[0426] Nos aspectos amplos, os processos para bioconverter substrato em butanol compreendem: a. colocar um meio aquoso em contato com um biocatalisador desta invenção, sendo que o dito biocatalisador contendo microrganismos capazes de bioconverter o dito substrato em butanol, em que o dito meio aquoso é mantido sob condições metabólicas que incluem a presença de nutrientes para os ditos microrganismos e contém o dito substrato; b. manter o contato entre o meio aquoso e o biocatalisador durante um tempo suficiente para bioconverter pelo menos uma porção do dito substrato em butanol; e c. recuperar butanol a partir do dito meio aquoso.

[0427] O butanol pode ser isobutanol ou n-butanol dependendo do microrganismo usado no processo. O microrganismo a ser usado também irá definir o substrato. Os substratos que encontraram aplicação na produção de butanol incluem dióxido de carbono, açúcares, glicerol e gás de síntese. Os microrganismos capazes de produzir butanol são butirogênios e incluem, porém, não se limitam a, Clostridia do tipo selvagem ou recombinante, tais como, C. acetobutylicum, C. beijerinckii, C. pasteurianum, C. saccharobutylicurn, C. saccharoperbutylacetonicum; Oeneococcus oeni; e Ralstonia eutropha, e microrganismos recombinantes, tal como, E. coli em que trajetórias para produzir butanol foram adicionadas. Consulte, por exemplo, o pedido de patente publicado no U.S. 20100143993 para uma discussão mais extensiva de outros microrganismos para produzir butanol. Cianobactéria fotoautotrófica geneticamente aprimorada, algas e outros organismos fotoautotróficos foram adaptados para bioconverter carboidratos dentro do microrganismo diretamente em butanol. Por exemplo, a cianobactéria geneticamente modificada que tem construtos que compreendem fragmento de DNA que codificam enzimas piruvato descarboxilase (pdc) e álcool desidrogenase (adh) são descritos na patente no U.S. 6.699.696.

[0428] As condições de bioconversão muitas vezes se encontram dentro das Condições de Bioconversão Mesofílica Típicas e Sistemas de Biorreator Típicos podem ser usados. Os processos contínuos são preferenciais especialmente uma vez que os biocatalisadores desta invenção podem fornecer densidades celulares altas e, desse modo, em conjunto com a taxa de bioconversão aprimorada, fornecem altas eficiências de conversão de substrato com tempos de permanência média relativamente breves no biorreator, por exemplo, muitas vezes, inferior a cerca de 3 ou 4 horas e algumas vezes inferior a cerca de 30 minutos.

[0429] Um aspecto desse processo é adicionalmente ilustrado na Figura 12 que é uma representação esquemática de um conjunto de biorreator 1200 para a produção de n-butanol. Uma matéria-prima contendo açúcar é fornecida através da linha 1202 para o primeiro biorreator 1204 que é um biorreator de fluxo ascendente contendo um meio de fermentação aquoso e biocatalisador para a bioconversão de açúcar em n-butanol. O biocatalisador contém. No biorreator 1204, o abastecimento de açúcar ocorre, de modo que apenas uma porção seja bioconvertida em butanol e, desse modo, fornece um meio aquoso contendo cerca de 6 a 8 por cento em volume de butanol. O meio aquoso a partir do primeiro biorreator 1204 passa através da linha 1206 para o segundo biorreator 1208, onde os açúcares remanescentes são bioconvertidos. O segundo biorreator 1208 é um biorreator de leito fluidizado. O segundo biorreator 1208 contém um meio aquoso com o biocatalisador contendo Clostridia acetobutyricutn. No segundo biorreator, algum açúcar remanescente é bioconvertido para fornecer um meio aquoso contendo cerca de 10 por cento em volume de butanol. Devido à concentração mais alta de butanol no segundo reator 1208, a taxa de bioconversão em butanol é inferior a cerca de 50 por cento daquela no primeiro biorreator 1204. O meio aquoso é retirado do segundo biorreator 1208 e passa para o decantador 1214 para fornecer uma fase superior contendo n-butanol que passa através da linha 1216 para recuperação de produto. A alta concentração de butanol na linha 1216 facilita a recuperação de butanol com uma economia substancial nos custos de energia.

[0430] Uma fase aquosa saturada com butanol é retornada através da linha 1218 a partir do decantador 1214 para o segundo biorreator 1208 e contém cerca de 7 a 8 por cento em volume de butanol e açúcares, etanol e acetona não reagidos. Uma purga é removida através da linha 1220 para manter condições de estado estável. Essa corrente pode ser usada para recuperação de produto para obter etanol, acetona e butanol. O segundo biorreator 1208 pode ser operado, de modo que com a taxa de reciclagem do meio aquoso, apenas uma porção do açúcar seja bioconvertida, porém, aquela convertida em butanol passa para uma fase de butanol para recuperação. Se necessário, água e nutrientes adicionais podem ser fornecidos para o primeiro biorreator 1204 através da linha 1222.

[0431] O conjunto de biorreator, embora descrito em conexão com a produção de n-butanol, é útil para a bioconversão de substratos onde a atividade de bioconversão do biocatalisador diminui com a concentração de bioproduto aumentada no meio aquoso e onde o bioproduto pode formar uma fase de líquido separada. Em seus aspectos amplos, esses processos contínuos para a bioconversão de substrato em bioproduto que usam um microrganismo capaz de tal bioconversão em que o bioproduto é tóxico para o microrganismo compreendem: a. fornecer continuamente substrato e meio aquoso para pelo menos um primeiro biorreator que contém meio aquoso, sendo que pelo menos um dito primeiro biorreator tem no mesmo o biocatalisador desta invenção que compreende o dito microrganismo; b. manter pelo menos um dito primeiro biorreator sob condições metabólicas e retirar continuamente um efluente de primeiro reator pelo menos de um dito primeiro biorreator em uma taxa suficiente para manter as condições de estado estável e fornecer um tempo de permanência hidráulico suficiente para bioconverter uma porção do substrato, um dito efluente do primeiro biorreator contendo substrato não consumido e bioproduto, em que a atividade de bioconversão para o dito bioproduto pelo menos em um dito primeiro biorreator se encontra em uma primeira taxa; c. abastecer continuamente o efluente de primeiro biorreator retirado para pelo menos um biorreator subsequente contendo o meio aquoso, sendo que pelo menos um dito biorreator subsequente tem no mesmo o biocatalisador desta invenção que compreende o dito microrganismo; d. manter pelo menos um dito biorreator subsequente sob condições metabólicas e retirar continuamente um efluente de biorreator subsequente a partir de pelo menos um dito biorreator subsequente em uma taxa suficiente para manter as condições de estado estável e fornecer um tempo de permanência hidráulico suficiente para bioconverter pelo menos uma porção do substrato, sendo que um dito efluente de biorreator subsequente contém bioproduto, em que a atividade de bioconversão para o dito bioproduto em pelo menos um dito biorreator subsequente se encontra em uma segunda taxa que é mais baixa que a primeira taxa; e. separar continuamente uma corrente rica de bioproduto a partir do dito efluente de biorreator subsequente retirado para recuperação de produto e fornecer uma corrente aquosa residual; e f. reciclar continuamente pelo menos uma porção da corrente aquosa residual em pelo menos um biorreator subsequente.

[0432] Em muitos casos, o efluente de biorreator subsequente contém substrato. Nos aspectos preferenciais desse processo, pelo menos um biorreator subsequente compreende um biorreator de leito fluidizado. A separação da etapa (e) pode ser qualquer técnica de separação adequada, que inclui, porém não se limita a, Técnicas de Separação Típicas. Nos aspectos preferenciais, o bioproduto é capaz de formar uma fase de líquido separada no meio aquoso e pelo menos pelo menos em um biorreator subsequente, a concentração do bioproduto forma uma fase de líquido separada e o efluente de biorreator subsequente é submetido à separação de fase para fornecer uma fase que contém bioproduto e a fase aquosa residual. Em alguns aspectos preferenciais, especialmente onde o bioproduto forma uma fase de líquido separada, o efluente de biorreator subsequente e a reciclagem da corrente aquosa residual se encontram em taxas suficientes para manter uma segunda taxa desejada de atividade de bioconversão e formar a segunda fase de líquido. Muitas vezes, apenas uma porção do substrato é bioconvertida em pelo menos um dito biorreator subsequente, e uma concentração suficiente de substrato é mantida no meio aquoso pelo menos em um biorreator subsequente para aprimorar a taxa de conversão de substrato em bioproduto.

EXEMPLOS 225 A 231

[0433] Uma série de sete experimentos de fermentação em batelada é conduzida usando procedimento geral a seguir. Em cada experimento, um biocatalisador que é usado substancialmente conforme descrito no Exemplo 93 tem um diâmetro nominal de cerca de 4 milímetros e é mantido sob um ambiente anaeróbico de nitrogênio. Um meio de batelada é preparado de acordo com o Meio ATCC® 2107, um meio de agar/caldo Clostridial reforçado modificado, da seguinte maneira: Combinar 38 gramas de meio clostridial reforçado BD 218081 (ATCC, Manassas, Virgínia); 14,5 g de agar e 1.000 mililitros de água deionizada e fervida para dissolver o agar,Preparar separadamente uma solução de 10 gramas de peptona, 10 gramas de extrato de carne, 3 gramas de extrato de levedura, 5 gramas de dextrose, 5 gramas de cloreto de sódio, 1 grama de amido solúvel, 0,5 grama de cloridrato de L-cisteína, 3 gramas de acetato de sódio e 4 mililitros de Resazurin (0,025%) em 1.000 mililitros de água deionizada, e Combinar as soluções.

[0434] Glicose é adicionada à solução combinada em 60 ou 120 gramas por litro, e a solução é ajustada em um pH de cerca de 5,5 com 5N de hidróxido de sódio. O meio de batelada se torna, então, anaeróbico por autoclavagem a 121 °C por 20 minutos enquanto asperge com o nitrogênio que passou através de um filtro de 0,2 mícron. Cada fermentação em batelada é conduzida em um reator de tanque vedado e cerca de 2 mililitros do meio de batelada são usado por grama de biocatalisador. Em alguns dos reatores, n- butanol é injetado para determinar o efeito de n-butanol nos biocatalisadores e a fermentação. As fermentações são conduzidas a uma temperatura de cerca de 37 °C, e amostras do caldo de fermentação são tomadas periodicamente e analisadas por cromatografia gasosa. As fermentações continuam por 48 horas. Os dados são resumidos na Tabela VI.TABELA VI

XII. ETANOL

[0435] O biocatalisador desta invenção é atraente para a conversão de substrato em etanol. O título máximo de etanol em caldos de fermentação que usam leveduras é tipicamente cerca de 15 a 18 por cento, e a eficiência de conversão de substrato, tais como, açúcares e gás de síntese em etanol em processos comerciais que usam leveduras teoricamente é tipicamente inferior a cerca de 95 por cento. Com outros microrganismos que produzem etanol, tais como, cianobactéria e Clostridia, sua sensibilidade às concentrações de etanol pode ser muito maior que àquela das leveduras. Por exemplo, relatou-se que 1,5 por cento em volume de etanol causa uma redução de crescimento de 50 por cento em Synechocystis sp. PCC 6803. Portanto, os processos que usam esses microrganismos alternativos geram caldos contendo etanol muito diluídos. A patente no U.S. 7.682.821 B2 revela um fotobiorreator fechado que usa oscilações de temperatura ambiente diárias como um meio para reduzir o custo de separação de etanol. Os processos que usam o biocatalisador desta invenção permitem que títulos mais altos de etanol sejam produzidos reduzindo, desse modo, os custos da separação de água/etanol, e a eficiência de conversão quase se aproxima da eficiência teórica devido às alterações fenotípicas para o microrganismo nos biocatalisadores desta invenção.

[0436] Nos aspectos amplos, os processos para bioconverter o substrato em etanol compreendem: a. colocar um meio aquoso em contato com um biocatalisador desta invenção, sendo que o dito biocatalisador contém microrganismos capazes de bioconverter o dito substrato em etanol, em que o dito meio aquoso é mantido sob condições metabólicas que incluem a presença de nutrientes para o dito microrganismos e contém o dito substrato; b. manter o contato entre o meio aquoso e o biocatalisador durante um tempo suficiente para bioconverter pelo menos uma porção do dito substrato em etanol; e c. recuperar o etanol a partir do dito meio aquoso.

[0437] O microrganismo a ser usado irá definir o substrato. Os substratos que encontraram aplicação na produção de etanol incluem dióxido de carbono, açúcares e gás de síntese. Os microrganismos capazes de produzir etanol incluem, porém, não se limitam a, bactérias e leveduras do tipo selvagem ou recombinantes, por exemplo, Clostridia, tais como, C. ljungdahlii, Clostridium aceticum, e C. thermoaceticum, Acetogenium kivui, Acetobacterium woodii, Acetoanaerobium noterae, Butyribacterium methylotrophicum, Eubacterium limosum,Zymomonas mobilis, Zymomonas palmae, leveduras mesofílicas, tais como, Pichia stipitis, Pichia segobiensis, Candida shehatae, Candida tropicalis, Candida boidinii, Candida tenuis, Pachysolen tannophilus, Hansenula polymorpha, Candida famata, Candida parapsilosis, Candida rugosa, Candica sonorensis, Issatchenkia terricola, Kloeckera apis, Pichia barkeri, Pichia cactophila, Pichia deserticola, Pichia norvegensis, Pichia membranefaciens, Pichia mexicana, Sacchrimyces cervisea e Torulaspora delbrueckii e leveduras temofílicas, tais como, Candida bovina, Candida picachoensis, Candida emberorum, Candida pintolopesii, Candida thermophila, Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces fragilis, Kazachstania telluris, Issatchenkia orientalis e Lachancea thermotolerans. As bactérias termofílicas incluem, entre outras, Clostridium thermocellum, Clostridium thermohydrosulphuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Thermoanaerobium brockii, Thermobacteroides acetoethylicus, Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Acetogenium kivui, Desulfotomaculum nigrificans e Desulvovibrio thermophilus, Thermoanaerobacter tengcongensis, Bacillus stearothermophilus e Thermoanaerobacter mathranii. A cianobactéria fotoautotrófica geneticamente aprimorada, algas e outros organismos fotoautotróficos foram adaptados para bioconverter carboidratos dentro do microrganismo em etanol. Por exemplo, as cianobactérias geneticamente modificadas que têm construtos que compreendem fragmento de DNA que codifica as enzimas piruvato descarboxilase (pdc) e álcool desidrogenase (adh) são descritas na patente no U.S. 6.699.696. As cianobactérias são bactérias fotossintéticas que necessitam de luz, elementos inorgânicos, água e uma fonte de carbono, geralmente dióxido de carbono para metabolizar e se desenvolver. A produção de etanol que usa cianobactéria geneticamente modificada também foi descrita no pedido de patente PCT publicado no WO 2007/084477. Consulte, também, o pedido de patente no U.S. 20120301937 para uma listagem de microrganismos que produzem etanol.

[0438] As condições de bioconversão muitas vezes se encontram dentro das Condições de Bioconversão Mesofílica Típicas e os Sistemas de Biorreator Típicos podem ser usados. Os processos contínuos são preferenciais especialmente uma vez que os biocatalisadores desta invenção podem fornecer altas densidades celulares e, desse modo, em conjunto com a taxa de bioconversão aprimorada, fornecer altas eficiências de conversão de substrato com tempos de permanência média relativamente breves no biorreator, por exemplo, muitas vezes, inferior a cerca de 3 ou 4 horas e algumas vezes inferior a cerca de 30 minutos.

[0439] Para os processos fotossintéticos, a combinação de altas concentrações de células por unidade de volume de meio de cultura líquido, a ausência essencial de resíduos dos microrganismos que fornecem, desse modo, um meio de cultura mais límpido e as alterações fenotípicas associadas aos biocatalisadores desta invenção, permite um aumento significativo no etanol que pode ser gerado por unidade de tempo por unidade de área superficial. Portanto, áreas ocupadas menores são requeridas para os fotobiorreatores, e os processos fechados, tal como, revelado na patente no U.S. 7.682.821 podem gerar concentrações ainda mais altas de etanol no condensado. De maneira adicional, uma vez que a esterilização in situ pode ser usada, operações mais confiáveis podem ocorrer, à medida que a população de quaisquer microrganismos de contaminação pode ser controlada. O fotobiorreator pode conter um meio de cultura líquido com os biocatalisadores no mesmo. O substrato, por exemplo, dióxido de carbono, pode ser dissolvido no meio de cultura, ou o biocatalisador pode se colocado em contato com o substrato gasoso e, então, o etanol pode ser removido do biocatalisador, por exemplo, por evaporação ou ao entrar em contato com um extrator para etanol, tal como, água.

EXEMPLO 232

[0440] Um biorreator de leito fluidizado é carregado em cerca de 75 por cento em volume de sua capacidade com o biocatalisador substancialmente conforme descrito no exemplo 147. Um fluxo contínuo de água contendo glicose a uma concentração de 120 gramas por litro ou 250 gramas por litro é fornecido para o biorreator em diversas taxas para fornecer tempos de permanência hidráulicos de 4 ou 10 horas. O biorreator é mantido a uma temperatura de cerca de 37 °C. O efluente a partir do biorreator é periodicamente analisado para concentrações de etanol e glicose. No tempo de retenção hidráulica de 4 horas, a conversão de açúcares produz cerca de 95 a 97 por cento de produção de etanol teórica em cada concentração de glicose. No tempo de retenção hidráulica de 10 horas, a conversão de açúcares produz cerca de 98 a 99 por cento de produção de etanol teórica em cada concentração de glicose.

XIII. DIGESTÃO ANAERÓBICA

[0441] Conforme discutido acima, a água residual urbana muitas vezes é submetida a uma bioconversão aeróbica. O abastecimento de oxigênio para o biorreator é um gasto significativo, mesmo que o ar seja usado como o gás contendo oxigênio para a instalação de água residual urbana e, muitas vezes, consiste em pelo menos cerca de 30 por cento dos custos totais. Além disso, onde o tratamento terciário for necessário, uma bioconversão anaeróbica é usada e, desse modo, a concentração de oxigênio na água que é tratada deve ser reduzida. Para atender os requisitos regulamentares estabelecidos em inúmeras jurisdições, o tratamento de água residual deve reduzir o teor orgânico, assim como, reduzir ou eliminar substancialmente os patógenos.

[0442] A digestão anaeróbica mesofílica foi proposta. Embora eliminem os custos de abastecimento de oxigênio, tais processos sofrem de inúmeras desvantagens. A manutenção de populações eficazes de microrganismos se provou difícil, especialmente, uma vez que tanto acidogênese como metanogênese devem ser suportadas. O tempo de permanência é longo, muitas vezes, na faixa de 15 dias, e o processo muitas vezes não fornece redução suficiente de patógenos.

[0443] A digestão anaeróbica termofílica fornece a vantagem de um tempo de permanência mais curto e uma melhor capacidade para tratar os patógenos. Consulte, por exemplo, o pedido de patente publicado no U.S. 2013010539. A manutenção da população de microrganismos ainda permanece problemática, e a água residual deve ser levada até e mantida a uma temperatura de pelo menos 45 °C para operação dos microrganismos termofílicos.

[0444] Os biocatalisadores desta invenção fornecem aperfeiçoamentos na digestão anaeróbica de água residual pelo fato de que não apenas os microrganismos termofílicos podem ser alvejados para o biocatalisador em oposição aos sistemas convencionais onde os microrganismos muitas vezes são derivados da lama, mas, também, o biocatalisador pode fornecer uma alta concentração dos microrganismos termofílicos por unidade de volume de biorreator. A taxa de bioconversão e, desse modo, o tempo de permanência hidráulico, podem ser reduzidos. De maneira mais importante, uma vez que a bioconversão anaeróbica termofílica é exotérmica, a alta concentração de microrganismos serve eficazmente como uma fonte de calor para obter e manter as temperaturas de bioconversão termofílicas. Também, à medida que os termófilos se encontram no biocatalisador desta invenção, os processos são úteis mesmo para o tratamento de água residual que tem um baixo teor orgânico.

[0445] Os processos para a digestão anaeróbica termofílica de água residual contendo composto orgânico compreende: a. colocar sob condições termofílicas a dita água residual em contato com o biocatalisador desta invenção contendo microrganismos termofílicos adequados para a bioconversão de compostos orgânicos em metano, preferencialmente, as ditas condições termofílicas compreendem uma temperatura de pelo menos cerca de 45 °C, diga-se, entre cerca de 47 °C e 65 °C ou 70 °C, durante um tempo suficiente para reduzir as concentração de composto orgânico, preferencialmente, a uma BOD inferior a cerca de 10, preferencialmente, inferior a cerca de 4 miligramas de oxigênio por litro para fornecer uma água tratada e um biogás, b. separar o biogás da água residual e c. separar a água tratada do biocatalisador.

[0446] De preferência, o microrganismo usado no biocatalisador compreende um metanogênio, especialmente, um ou mais dos seguintes microrganismos Methanosarcina acetivorans, Methanothermobacter thermautotrophicus, Methanobrevibacter smithii, Methanospirillum hungatei, Candidatus Brocadia anammoxidans, Kuenenia sp., Anammoxoglobus sp., Jettenia sp., e Scalindua sp. A concentração celular no biocatalisador é de preferencialmente pelo menos cerca de 100 ou 200 gramas por litro. Geralmente, as condições de bioconversão incluem manter um pH na faixa de cerca de 6,5 a 9, diga-se, cerca de 7 e 8,5. Muitas vezes, a concentração de oxigênio na água residual a ser colocada em contato com biocatalisador é inferior a cerca de 2 miligramas por litro. Qualquer configuração de biorreator adequada pode ser usada incluindo, porém, sem se limitar a, Sistemas de Biorreator Típicos. De preferência, o biorreator contém biocatalisador suficiente para fornecer pelo menos cerca de 100 gramas de células por litro de capacidade.

XIV. OUTRAS APLICAÇÕES

[0447] As propriedades dos biocatalisadores desta invenção permitem uma ampla faixa de aplicações específicas. Por exemplo, a capacidade de atingir uma alta população de microrganismos com uma população estável torna os biocatalisadores desta invenção úteis para dispositivos de detecção biológica; revestimentos que incluem, porém, não se limitam a, tinta anti-incrustante e revestimentos, tais como para cascos de navios e outras superfícies imersas em água de superfície; e filtros para remover componentes indesejáveis de gases e líquidos. Os biocatalisadores podem ser usados em células de combustível biológico.

[0448] Os biocatalisadores desta invenção podem ser usados para produzir hidrogênio ou equivalentes de hidrogênio usando microrganismos mesofílicos ou termofílicos, anaeróbicos ou anaeróbicos facultativos. O hidrogênio pode ser recuperado ou usado em outro processo químico ou metabólico. Em tal processo, metano pode ser usado para produzir hidrogênio e, então, o hidrogênio usado para reduzir sulfato a sulfeto usando microrganismos redutores de sulfato. Uma vez que os microrganismos são irreversivelmente retidos nos biocatalisadores, coculturas, no mesmo biocatalisador ou em biocatalisadores diferentes, podem ser mantidas.

[0449] Os biocatalisadores desta invenção podem encontrar aplicação na metanogênese de substratos carbonáceos especialmente em metano. Os microrganismos que têm essa bioatividade são tipicamente síntrofos, e o biocatalisador aprimora a estabilidade do sistema sintrófico.

[0450] Os biocatalisadores desta invenção podem ser usados para produzir alcenos, tais como, etileno, propileno, buteno, butadieno e estireno, por exemplo, a partir de carboidratos, tais como, açúcares, gás de síntese e dióxido de carbono. Consulte, por exemplo, pedido de patente publicado no U.S. 20130122563.

[0451] Os biocatalisadores desta invenção podem ser usados para o tratamento de diversos terrenos, superfícies, águas residuais urbanas e correntes de água industriais, conforme estabelecido acima. De maneira adicional, as aplicações benéficas incluem digestão anaeróbica, remoção de ânions de sulfato e sulfito, e um catalisador em camadas para conduzir o tratamento de água residual aeróbica.

APÊNDICE A

[0452] Os microrganismos representativos incluem, sem limitação, Acetobacter sp., Acetobacter aceti, Achromobacter, Acidiphilium, Acidovorax delafieldi P4-1, Acinetobacter sp. (A. calcoaceticus), Actinomadura, Actinoplanes, Actinomycetes, Aeropyrum pernix, Agrobacterium sp., Alcaligenes sp. (A. dentrificans), Alloiococcus otitis, Ancylobacter aquaticus, Ananas comosus (M), Arthrobacter sp., Arthrobacter sulfurous, Arthrobacter sp. (A. protophormiae), Aspergillus sp., Aspergillus niger, Aspergillus oryze, Aspergillus melleus, Aspergillus pulverulentus, Aspergillus saitoi, Aspergillus sojea, Aspergillus usamii, Bacillus alcalophilus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus brevis, Bacillus circulans, Bacillus clausii, Bacillus cereus, Bacillus lentus, Bacillus licheniformis, Bacillus macerans, Bacillus stearothermophilus, Bacillus subtilis, Beijerinckia sp., Bifidobacterium, Brevibacterium sp. HL4, Brettanomyces sp., Brevibacillus brevis, Burkholderia cepacia, Campylobacter jejuni, Candida sp., Candida cylindracea, Candida rugosa, Carboxydothermus (Carboxydothermus hydrogenoformans), Carica papaya (L), Cellulosimicrobium, Cephalosporium, Chaetomium erraticum, Chaetomium gracile, Chlorella sp., Citrobacter, Clostridium sp., Clostridium butyricum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium kluyveri, Clostridium carboxidivorans, Clostridium thermocellum, Cornynebacterium sp. cepa m15, Corynebacterium (glutamicum), Corynebacterium efficiens, Deinococcus radiophilus, Dekkera, Dekkera bruxellensis, Escherichia coli, Enterobacter sp., Enterococcus, Enterococcus faecium, Enterococcus gallinarium, Enterococcus faecalis, Erwinia sp., Erwinia chrysanthemi, Gliconobacter, Gluconacetobacter sp., Hansenula sp., Haloarcula, Humicola insolens, Humicola nsolens, Kitasatospora setae, Klebsiella sp., Klebsiella oxytoca, Klebsiella pneumonia, Kluyveromyces sp., Kluyveromyces fragilis, Kluyveromyces lactis, Kocuria, Lactlactis, Lactobacillus sp., Lactobacillus fermentum, Lactobacillus sake, Lactococcus, Lactococcus lactis, Leuconostoc, Methylosinus trichosporum OB3b, Methylosporovibrio methanica 812, Methanothrix sp. Methanosarcina sp., Methanomonas sp., Methylocystis, Methanospirilium, Methanolobus siciliae, Methanogenium organophilum, Methanobacerium sp., Methanobacterium bryantii, Methanococcus sp., Methanomicrobium sp., Methanoplanus sp., Methanosphaera sp., Methanolobus sp., Methanoculleus sp., Methanosaeta sp., Methanopyrus sp., Methanocorpusculum sp., Methanosarcina, Methylococcus sp., Methylomonas sp., Methylosinus sp., Microbacterium imperiale, Micrococcus sp., Micrococcus lysodeikticus, Microlunatus, Moorella (por exemplo, Moorella (Clostridium) thermoacetica), Moraxella sp. (cepa B), Morganella, Mucor javanicus, Mycobacterium sp. cepa GP1, Myrothecium, Neptunomonas naphthovorans, Nitrobacter, Nitrosomonas (Nitrosomonas europea), Nitzchia sp., Nocardia sp., Pachysolen sp., Pantoea, Papaya carica, Pediococcus sp., Pediococcus halophilus, Penicillium, Penicillium camemberti, Penicillium citrinum, Penicillium emersonii, Penicillium roqueforti, Penicillum lilactinum, Penicillum multicolor, Phanerochaete chrysoporium, Pichia sp., Pichia stipitis, Paracoccus pantotrophus, Pleurotus ostreatus, Propionibacterium sp., Proteus, Pseudomonas (P. pavonaceae, Pseudomonas ADP, P. stutzeri, P. putida, Cepa de Pseudomonas PSI, P. cepacia G4, P. medocina KR, P. picketti PK01, P. vesicularis, P. paucimobilis, Pseudomonas sp.DLC-P11, P. mendocina, P. chichhori, cepa IST 103), Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas denitrificans, Pyrococcus, Pyrococcus furiosus, Pyrococcus horikoshii, Ralstonia sp., Rhizobium, Rhizomucor miehei, Rhizomucor pusillus Lindt, Rhizopus, Rhizopus delemar, Rhizopus japonicus, Rhizopus niveus, Rhizopus oryzae, Rhizopus oligosporus, Rhodococcus, (R. erythropolis, R. rhodochrous NCIMB 13064), Salmonella, Saccharomyces sp., Saccharomyces cerevisiae, Schizochytriu sp., Sclerotina libertina, Serratia sp., Shigella, Sphingobacterium multivorum, Sphingobium (Sphingbium chlorophenolicum), Sphingomonas (S. yanoikuyae, S. sp. RW1), Streptococcus, Streptococcus thermophilus Y-I, Streptomyces, Streptomyces griseus, Streptomyces lividans, Streptomyces murinus, Streptomyces rubiginosus, Streptomyces violaceoruber, Streptoverticillium mobaraense, Synechococcus sp., Synechocystis sp.,Tetragenococcus, Thermus, Thiosphaera pantotropha, Trametes, Trametes versicolor, Trichoderma, Trichoderma longibrachiatum, Trichoderma reesei, Trichoderma viride, Trichosporon sp., Trichosporon penicillatum, Vibrio alginolyticus, Xanthomonas, Xanthobacter sp. (X autotrophicus GJ10, X flavus), levedura, Yarrow lipolytica, Zygosaccharomyces rouxii, Zymomonas sp., Zymomonus mobilis, Geobacter sulfurreducens, Geobacter lovleyi, Geobacter metallireducens, Bacteroides succinogens, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioparum, Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens, Eubacterium cellulosolvens, Clostridium cellulosolvens, Clostridium cellulovorans, Clostridium thermocellum, Bacteroides cellulosolvens, e Acetivibrio cellulolyticus Gliricidia sp., Albizia sp., ou Parthenium sp. Cupriavidus basilensis, Cupriavidus campinensis, Cupriavidus gilardi, Cupriavidus laharsis, Cupriavidus metallidurans, Cupriavidus oxalaticus, Cupriavidus pauculus, Cupriavidus pinatubonensis, Cupriavidus respiraculi, Cupriavidus taiwanensis, Oligotropha carboxidovorans, Thiobacillus sp., Thiobacillus denitrificans, Thiobacillus thioxidans, Thiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus concretivorus, Acidithiobacillus albertensis, Acidithiobacillus caldus, Acidithiobacillus cuprithermicus, Rhodopseudomonas, Rhodopseudomonas palustris, Rhodobacter sphaeroides, Rhodopseudomonas capsulate, Rhodopseudomonas acidophila, Rhodopseudomonas viridis, Desulfotomaculum, Desulfotomaculum acetoxidans, Desulfotomaculum kuznetsovii, Desulfotomaculum nigrificans, Desulfotomaculum reducens, Desulfotomaculum carboxydivorans, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina acetivorans, Moorella thermoacetica, Carboxydothermus hydrogenoformans, Rhodospirillum rubrum, Acetobacterium woodii, Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Eubacterium limosum, Oxobacter pfennigii, Peptostreptococcus productus, Rhodopseudomonas palustris P4, Rubrivivax gelatinosus, Citrobacter sp Y19, Methanosarcina acetivorans C2A, Methanosarcina barkeri, Desulfosporosinus orientis, Desulfovibrio desulfuricans, Desulfovibrio vulgaris, Moorella thermoautotrophica, Carboxydibrachium pacificus, Carboxydocella thermoautotrophica, Thermincola carboxydiphila, Thermolithobacter carboxydivorans, Thermosinus carboxydivorans, Methanothermobacter thermoautotrophicus, Desulfotomaculum carboxydivorans, Desulfotomaculum kuznetsovii, Desulfotomaculum nigrificans, Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp. thermosyntrophicum, Syntrophobacter fumaroxidans, Clostridium acidurici, Desulfovibrio africanus, C. pasteurianum, C. pasteurianum DSM 525, Paenibacillus polymyxa, Acanthoceras, Acanthococcus, Acaryochloris, Achnanthes, Achnanthidium, Actinastrum, Actinochloris, Actinocyclus, Actinotaenium, Amphichrysis, Amphidinium, Amphikrikos, Amphipleura, Amphiprora, Amphithrix, Amphora, Anaaena, Anabaenopsis, Aneumastus, Ankistrodesmus, Ankyra, Anomoeoneis, Apatococcus, Aphanizomenon, Aphanocapsa, Aphanochaete, Aphanothece, Apiocystis, Apistonema, Arthrodesmus, Artherospira, Ascochloris, Asterionella, Asterococcus, Audouinella, Aulacoseira, Bacillaria, Balbiania, Bambusina, Bangia, Basichlamys, Batrachospermum, Binuclearia, Bitrichia, Blidingia, Botrdiopsis, Botrydium, Botryococcus, Botryosphaerella, Brachiomonas, Brachysira, Brachytrichia, Brebissonia, Bulbochaete, Bumilleria, Bumilleriopsis, Caloneis, Calothrix, Campylodiscus, Capsosiphon, Carteria, Catena, Cavinula, Centritractus, Centronella, Ceratium, Chaetoceros, Chaetochloris, Chaetomorpha, Chaetonella, Chaetonema, Chaetopeltis, Chaetophora, Chaetosphaeridium, Chamaesiphon, Chara, Characiochloris, Characiopsis, Characium, Charales, Chilomonas, Chlainomonas, Chlamydoblepharis, Chlamydocapsa, Chlamydomonas, Chlamydomonopsis, Chlamydomyxa, Chlamydonephris, Chlorangiella, Chlorangiopsis, Chlorella, Chlorobotrys, Chlorobrachis, Chlorochytrium, Chlorococcum, Chlorogloea, Chlorogloeopsis, Chlorogonium, Chlorolobion, Chloromonas, Chlorophysema, Chlorophyta, Chlorosaccus, Chlorosarcina, Choricystis, Chromophyton, Chromulina, Chroococcidiopsis, Chroococcus, Chroodactylon, Chroomonas, Chroothece, Chrysamoeba, Chrysapsis, Chrysidiastrum, Chrysocapsa, Chrysocapsella, Chrysochaete, Chrysochromulina, Chrysococcus, Chrysocrinus, Chrysolepidomonas, Chrysolykos, Chrysonebula, Chrysophyta, Chrysopyxis, Chrysosaccus, Chrysophaerella, Chrysostephanosphaera, Clodophora, Clastidium, Closteriopsis, Closterium, Coccomyxa, Cocconeis, Coelastrella, Coelastrum, Coelosphaerium, Coenochloris, Coenococcus, Coenocystis, Colacium, Coleochaete, Collodictyon, Compsogonopsis, Compsopogon, Conjugatophyta, Conochaete, Coronastrum, Cosmarium, Cosmioneis, Cosmocladium, Crateriportula, Craticula, Crinalium, Crucigenia, Crucigeniella, Cryptoaulax, Cryptomonas, Cryptophyta, Ctenophora, Cyanodictyon, Cyanonephron, Cyanophora, Cyanophyta, Cyanothece, Cyanothomonas, Cyclonexis, Cyclostephanos, Cyclotella, Cylindrocapsa, Cylindrocystis, Cylindrospermum, Cylindrotheca, Cymatopleura, Cymbella, Cymbellonitzschia, Cystodinium Dactylococcopsis, Debarya, Denticula, Dermatochrysis, Dermocarpa, Dermocarpella, Desmatractum, Desmidium, Desmococcus, Desmonema, Desmosiphon, Diacanthos, Diacronema, Diadesmis, Diatoma, Diatomella, Dicellula, Dichothrix, Dichotomococcus, Dicranochaete, Dictyochloris, Dictyococcus, Dictyosphaerium, Didymocystis, Didymogenes, Didymosphenia, Dilabifilum, Dimorphococcus, Dinobryon, Dinococcus, Diplochloris, Diploneis, Diplostauron, Distrionella, Docidium, Draparnaldia, Dunaliella, Dysmorphococcus, Ecballocystis, Elakatothrix, Ellerbeckia, Encyonema, Enteromorpha, Entocladia, Entomoneis, Entophysalis, Epichrysis, Epipyxis, Epithemia, Eremosphaera, Euastropsis, Euastrum, Eucapsis, Eucocconeis, Eudorina, Euglena, Euglenophyta, Eunotia, Eustigmatophyta, Eutreptia, Fallacia, Fischerella, Fragilaria, Fragilariforma, Franceia, Frustulia, Curcilla, Geminella, Genicularia, Glaucocystis, Glaucophyta, Glenodiniopsis, Glenodinium, Gloeocapsa, Gloeochaete, Gloeochrysis, Gloeococcus, Gloeocystis, Gloeodendron, Gloeomonas, Gloeoplax, Gloeothece, Gloeotila, Gloeotrichia, Gloiodictyon, Golenkinia, Golenkiniopsis, Gomontia, Gomphocymbella, Gomphonema, Gomphosphaeria, Gonatozygon, Gongrosia, Gongrosira, Goniochloris, Gonium, Gonyostomum, Granulochloris, Granulocystopsis, Groenbladia, Gymnodinium, Gymnozyga, Gyrosigma, Haematococcus, Hafniomonas, Hallassia, Hammatoidea, Hannaea, Hantzschia, Hapalosiphon, Haplotaenium, Haptophyta, Haslea, Hemidinium, Hemitoma, Heribaudiella, Heteromastix, Heterothrix, Hibberdia, Hildenbrandia, Hillea, Holopedium, Homoeothrix, Hormanthonema, Hormotila, Hyalobrachion, Hyalocardium, Hyalodiscus, Hyalogonium, Hyalotheca, Hydrianum, Hydrococcus, Hydrocoleum, Hydrocoryne, Hydrodictyon, Hydrosera, Hydrurus, Hyella, Hymenomonas, Isthmochloron, Johannesbaptistia, Juranyiella, Karayevia, Kathablepharis, Katodinium, Kephyrion, Keratococcus, Kirchneriella, Klebsormidium, Kolbesia, Koliella, Komarekia, Korshikoviella, Kraskella, Lagerheimia, Lagynion, Lamprothamnium, Lemanea, Lepocinclis, Leptosira, Lobococcus, Lobocystis, Lobomonas, Luticola, Lyngbya, Malleochloris, Mallomonas, Mantoniella, Marssoniella, Martyana, Mastigocoleus, Gastogloia, Melosira, Merismopedia, Mesostigma, Mesotaenium, Micractinium, Micrasterias, Microchaete, Microcoleus, Microcystis, Microglena, Micromonas, Microspora, Microthamnion, Mischococcus, Monochrysis, Monodus, Monomastix, Monoraphidium, Monostroma, Mougeotia, Mougeotiopsis, Myochloris, Myromecia, Myxosarcina, Naegeliella, Nannochloris, Nautococcus, Navicula, Neglectella, Neidium, Nephroclamys, Nephrocytium, Nephrodiella, Nephroselmis, Netrium, Nitella, Nitellopsis, Nitzschia, Nodularia, Nostoc, Ochromonas, Oedogonium, Oligochaetophora, Onychonema, Oocardium, Oocystis, Opephora, Ophiocytium, Orthoseira, Oscillatoria, Oxyneis, Pachycladella, Palmella, Palmodictyon, Pnadorina, Pannus, Paralia, Pascherina, Paulschulzia, Pediastrum, Pedinella, Pedinomonas, Pedinopera, Pelagodictyon, Penium, Peranema, Peridiniopsis, Peridinium, Peronia, Petroneis, Phacotus, Phacus, Phaeaster, Phaeodermatium, Phaeophyta, Phaeosphaera, Phaeothamnion, Phormidium, Phycopeltis, Phyllariochloris, Phyllocardium, Phyllomitas, Pinnularia, Pitophora, Placoneis, Planctonema, Planktosphaeria, Planothidium, Plectonema, Pleodorina, Pleurastrum, Pleurocapsa, Pleurocladia, Pleurodiscus, Pleurosigma, Pleurosira, Pleurotaenium, Pocillomonas, Podohedra, Polyblepharides, Polychaetophora, Polyedriella, Polyedriopsis, Polygoniochloris, Polyepidomonas, Polytaenia, Polytoma, Polytomella, Porphyridium, Posteriochromonas, Prasinochloris, Prasinocladus, Prasinophyta, Prasiola, Prochlorphyta, Prochlorothrix, Protoderma, Protosiphon, Provasoliella, Prymnesium, Psammodictyon, Psammothidium, Pseudanabaena, Pseudenoclonium, Psuedocarteria, Pseudochate, Pseudocharacium, Pseudococcomyxa, Pseudodictyosphaerium, Pseudokephyrion, Pseudoncobyrsa, Pseudoquadrigula, Pseudosphaerocystis, Pseudostaurastrum, Pseudostaurosira, Pseudotetrastrum, Pteromonas, Punctastruata, Pyramichlamys, Pyramimonas, Pyrrophyta, Quadrichloris, Quadricoccus, Quadrigula, Radiococcus, Radiofilum, Raphidiopsis, Raphidocelis, Raphidonema, Raphidophyta, Peimeria, Rhabdoderma, Rhabdomonas, Rhizoclonium, Rhodomonas, Rhodophyta, Rhoicosphenia, Rhopalodia, Rivularia, Rosenvingiella, Rossithidium, Roya, Scenedesmus, Scherffelia, Schizochlamydella, Schizochlamys, Schizomeris, Schizothrix, Schroederia, Scolioneis, Scotiella, Scotiellopsis, Scourfieldia, Scytonema, Selenastrum, Selenochloris, Sellaphora, Semiorbis, Siderocelis, Diderocystopsis, Dimonsenia, Siphononema, Sirocladium, Sirogonium, Skeletonema, Sorastrum, Spermatozopsis, Sphaerellocystis, Sphaerellopsis, Sphaerodinium, Sphaeroplea, Sphaerozosma, Spiniferomonas, Spirogyra, Spirotaenia, Spirulina, Spondylomorum, Spondylosium, Sporotetras, Spumella, Staurastrum, Stauerodesmus, Stauroneis, Staurosira, Staurosirella, Stenopterobia, Stephanocostis, Stephanodiscus, Stephanoporos, Stephanosphaera, Stichococcus, Stichogloea, Stigeoclonium, Stigonema, Stipitococcus, Stokesiella, Strombomonas, Stylochrysalis, Stylodinium, Styloyxis, Stylosphaeridium, Surirella, Sykidion, Symploca, Synechococcus, Synechocystis, Synedra, Synochromonas, Synura, Tabellaria, Tabularia, Teilingia, Temnogametum, Tetmemorus, Tetrachlorella, Tetracyclus, Tetradesmus, Tetraedriella, Tetraedron, Tetraselmis, Tetraspora, Tetrastrum, Thalassiosira, Thamniochaete, Thorakochloris, Thorea, Tolypella, Tolypothrix, Trachelomonas, Trachydiscus, Trebouxia, Trentepholia, Treubaria, Tribonema, Trichodesmium, Trichodiscus, Trochiscia, Tryblionella, Ulothrix, Uroglena, Uronema, Urosolenia, Urospora, Uva, Vacuolaria, Vaucheria, Volvox, Volvulina, Westella, Woloszynskia, Xanthidium, Xanthophyta, Xenococcus, Zygnema, Zygnemopsis, Zygonium, Chloroflexus, Chloronema, Oscillochloris, Heliothrix, Herpetosiphon, Roseiflexus, Thermomicrobium, Chlorobium, Clathrochloris, Prosthecochloris, Allochromatium, Chromatium, Halochromatium, Isochromatium, Marichromatium, Rhodovulum, Thermochromatium, Thiocapsa, Thiorhodococcus, Thiocystis, Phaeospirillum, Rhodobaca, Rhodobacter, Rhodomicrobium, Rhodopila, Rhodopseudomonas, Rhodothalassium, Rhodospirillum, Rodovibrio, Roseospira, Nitrobacteraceae sp., Nitrobacter sp., Nitrospina sp., Nitrococcus sp., Nitrospira sp., Nitrosomonas sp., Nitrosococcus sp., Nitrosospira sp., Nitrosolobus sp., Nitrosovibrio sp., Thiovulum sp., Thiobacillus sp., Thiomicrospira sp., Thiosphaera sp., Thermothrix sp., Hydrogenobacter sp., Siderococcus sp., Aquaspirillum sp. Methanobacterium sp., Methanobrevibacter sp., Methanothermus sp., Methanococcus sp., Methanomicrobium sp., Methanospirillum sp., Methanogenium sp., Methanosarcina sp., Methanolobus sp., Methanothrix sp., Methanococcoides sp., Methanoplanus sp., Thermoproteus sp., Pyrodictium sp., Sulfolobus sp., Acidianus sp., Bacillus subtilis, Saccharomyces cerevisiae, Streptomyces sp., Ralstonia sp., Rhodococcus sp., Corynebacteria sp., Brevibacteria sp., Mycobacteria sp., levedura oleaginosa, Arabidopsis thaliana, Panicum virgatum, Miscandesse Miscanthus giganteus, Zea mays (plantas), Botryococcus braunii, Chlamydomonas reinhardtii e Dunaliela salina (algas), Synechococcus sp PCC 7002, Synechococcus sp. PCC 7942, Synechocystis sp. PCC 6803, Thermosynechococcus elongatus BP-1 (cianobactéria), Chlorobium tepidum (bactérias verdes sulfurosas), Chloroflexus auranticusl, Chromatium tepidum e Chromatium vinosum (bactérias púrpuras sulfurosas), Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter capsulatus, e Rhodopseudomonas palusris (bactérias púrpuras não sulfurosas).

Claims (19)

1. BIOCATALISADOR, caracterizado por compreender: uma estrutura sólida de polímero hidrofílico hidratado que define uma estrutura interior que tem uma pluralidade de cavidades maiores interconectadas que têm uma menor dimensão de entre 5 e 100 mícrons e um HEV entre 1000 e 200.000 e uma população de microrganismos, de modo substancialmente irreversível retida na estrutura interior, dita população de microrganismos estando em uma concentração de entre 60 e 750 gramas por litro com base no volume definido pelo exterior da estrutura sólida quando completamente hidratada, em que os microrganismos mantêm sua população substancialmente estável.

2. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo HEV ser pelo menos 20.000 e a concentração de microrganismos no interior da estrutura sólida ser de pelo menos 100 gramas por litro com base no volume definido pelo exterior da estrutura sólida.

3. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela estrutura sólida definir uma pele externa que tem poros de um diâmetro médio entre 1 e 10 mícrons e os poros compreendem 1 a 30% da área de superfície da pele externa.

4. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas cavidades maiores serem quiescentes.

5. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter uma exo-rede de ditos microrganismos.

6. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo biocatalisador compreender adicionalmente polissacarídeo.

7. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo biocatalisador compreender adicionalmente um sorvente sólido.

8. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita população de microorganismo ser um microorganismo fotossintético e o biocatalisador compreender adicionalmente um material fosforescente.

9. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo biocatalisador compreender adicionalmente enzima isolada.

10. BIOCATALISADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela população de microrganismo exibir alteração metabólica em comparação com o metabolismo planctônico, sob substancialmente as mesmas condições metabólicas, ou aumento da resistência a toxinas, ou ambos.

11. MÉTODO PARA PRODUZIR UM BIOCATALISADOR, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado por compreender: a. formar uma dispersão líquida de precursor solubilizado para polímero hidrofílico e microrganismos para dito biocatalisador em que a concentração de microrganismos na dispersão líquida é de entre 60 e 750 gramas por litro; b. submeter dita dispersão à condições de solidificação para formar uma estrutura sólida do polímero hidrofílico em que a estrutura sólida tem uma estrutura interior que tem uma pluralidade de cavidades maiores interconectadas que contêm ditos microrganismos, ditas cavidades maiores têm uma menor dimensão de entre 5 e 100 mícrons e em que a estrutura sólida tem um HEV de entre 1000 e 200.000, ditas condições de solidificação não afetam indevidamente de maneira adversa a população de ditos microrganismos; e c. manter a estrutura sólida que contém microrganismos sob condições que não afetam de maneira adversa a população de ditos microrganismos no interior da estrutura sólida durante um tempo suficiente para permitir que os microrganismos sejam submetidos a alterações fenotípicas para manter sua população substancialmente estável e se tornar de modo substancialmente irreversível retido no interior da estrutura sólida.

12. PROCESSO METABÓLICO, caracterizado por compreender submeter o biocatalisador, conforme definido na reivindicação 1, a condições metabólicas que incluem a presença de substrato para bioconverter dito substrato em bioproduto.

13. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo substrato ser carboidrato e o bioproduto ser etanol.

14. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por uma toxina estar presente e o biocatalisador exibir tolerância aumentada à toxina.

15. PROCESSO PARA METABOLIZAR CARBONO ORGÂNICO dissolvido e cátion de amônio em uma corrente de água residual, caracterizado por compreender: a. passar continuamente a dita corrente de água residual para um biorreator que contém biocatalisador, conforme definido na reivindicação 1, que tem de modo substancialmente irreversível retido no mesmo microrganismos para metabolizar carbono orgânico dissolvido para dióxido de carbono e cátion de amônio para ânion de nitrato ou nitrito; b. colocar em contato em dito biorreator, dita corrente de água residual com dito biocatalisador na presença de oxigênio durante um tempo suficiente para fornecer um efluente oxidado que contém menos de 5 em massa de cátion de amônio e que tem uma demanda bioquímica de oxigênio (BOD) de menos que 10 miligramas por litro, em que, substancialmente, nenhum sólido passa do biocatalisador para o efluente oxidado.

16. PROCESSO PARA A REDUÇÃO BIOLÓGICA DE FOSFATO solúvel em água, caracterizado por compreender colocar em contato dita água em um biorreator com biocatalisador, conforme definido na reivindicação 1, possuindo de modo substancialmente irreversível retido no mesmo, microrganismos de acúmulo de fosfato sob condições de acúmulo de fosfato durante um tempo suficiente para reduzir a concentração de fosfato na dita água.

17. PROCESSO PARA TRATAR ÁGUA que contém um composto solúvel de metal ou semimetal, caracterizado por compreender: (a) introduzir de forma contínua dita água no interior de uma zona de reação que contém biocatalisador, conforme definido na reivindicação 1, contendo microorganismo para reduzir metabolicamente dito composto solúvel; (b) colocar a água em contato com dito biocatalisador por um tempo suficiente para reduzir a concentração do dito um composto solúvel em água; (c) manter dito biocatalisador sob condições metabólicas suficientes para reduzir metabolicamente o estado de oxidação do metal ou semimetal para formar semimetal ou metal elementar ou composto precipitado do mesmo; e (d) retirar água que tem uma concentração reduzida de dito um composto solúvel da zona de biorreação.

18. PROCESSO PARA BIOCONVERSÃO DO SUBSTRATO contido em uma fase de gás para bioproduto, caracterizado por compreender: a. colocar em contato continuamente a fase de gás com biocatalisador, conforme definido na reivindicação 1, dito contato sendo a uma temperatura adequada para a bioconversão metabólica e durante um tempo suficiente para efetuar dita bioconversão de uma porção do substrato para bioproduto; b. realizar o ciclo de uma porção do biocatalisador da etapa (a) para uma etapa de imersão em um meio aquoso durante um tempo suficiente para hidratar de modo substancialmente o biocatalisador e, em que o meio aquoso, para uma de dita etapa de imersão, que compreende nutrientes para os microrganismos e dita imersão é durante um tempo suficiente para fornecer nutrientes no dito biocatalisador; c. separar o biocatalisador e o meio aquoso do uma etapa de imersão; e d. usar uma porção do biocatalisador separado para etapa (a).

19. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo substrato ser ânion nitrato, ou ânion perclorato, ou ambos.

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