PT2603577T

PT2603577T - Partículas de vidro magnéticas para aplicação em instalações de produção de biogás, processos de fermentação e de separação

Info

Publication number: PT2603577T
Application number: PT117491464T
Authority: PT
Inventors: Ruf Friedrich; Sohling Ulrich; Neitmann Elisabeth; linke Bernd; Mumme Jan; Ramm Patrice; Menhorn Oliver; Weinberger Karl; Kumpf Dr Peter
Original assignee: Dennert Poraver Gmbh
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2017-06-20
Also published as: BR112013002618A2; LT2603577T; WO2012020121A1; EP2603577B1; PL2603577T3; DE102010034083A1; CN103097515A; US8637300B2; US20130224823A1; CN103097515B; EP2603577A1

Description

DESCRIÇÃO

PARTÍCULAS DE VIDRO MAGNÉTICAS PARA APLICAÇÃO EM INSTALAÇÕES DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS, PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO

E DE SEPARAÇÃO A invenção refere-se a um método para tratar um substrato orgânico e/ou inorgânico, a um agregado magnetizável como é utilizado no método para o tratamento de um substrato orgânico, bem como a um método para produzir tal agregado magnetizável.

As fermentações têm sido utilizadas há muito tempo para preservar os géneros alimentícios, por exemplo. Para tanto, utilizam-se micro-organismos, por exemplo, na produção de vinho e cerveja ou na produção de iogurte e quefir, ou enzimas diretas, por exemplo, quando se acidifica leite com coalho. As fermentações podem ser feitas sob condições aeróbicas e anaeróbias. Uma fermentação em condições anaeróbicas é também chamada de fermentação anaeróbica. As fermentações são também utilizadas na produção industrial de produtos químicos, por exemplo, na produção de ácido cítrico ou na produção de medicamentos como antibióticos ou insulina. Um grande número de reatores e procedimentos foram desenvolvidos para estes processos industriais. Deste modo, os processos podem ser realizados cont inuamente ou por lotes. No caso dos reatores, foram desenvolvidos tipos em que os micro-organismos ou a enzima são dispostos de modo estacionário num reator, por exemplo, num leito empacotado, sobre o qual o substrato é então passado para a forma líquida. No entanto, são também conhecidos processos nos quais os micro-organismos ou a enzima são distribuídos homogeneamente no substrato. Os micro-organismos ou a enzima podem ser imobilizados num suporte sólido que é distribuído no substrato. No entanto, um suporte não é necessário em muitas reações.

Os substratos orgânicos que são utilizados nestas fermentações podem variar grandemente. Por exemplo, pode-se utilizar como base uma solução aquosa de glucose, que serve como substrato ou fonte de energia para o micro-organismo durante a produção da substância desejada. 0 substrato orgânico pode ser homogéneo e presente, por exemplo, como uma solução. Com outras fermentações técnicas utilizam-se substratos orgânicos muito heterogéneos. Por exemplo, na produção de biogás são utilizados substratos que também podem compreender constituintes sólidos, em que estes constituintes sólidos também podem estar presentes sob a forma de pedaços relativamente grandes. Os substratos orgânicos típicos utilizados na produção de biogás são, por exemplo, estrume animal que também pode ser misturado com lixo, palha de plantas ou lodo de esgoto. Vários micro-organismos, por exemplo, bactérias, fungos ou também culturas de células, são utilizados para fermentações. Se uma fermentação for levada a cabo com a ajuda de micro-organismos, numa primeira variante do controlo de processo, em primeiro lugar, os micro-organismos podem colonizar o substrato orgânico. Para isto, numa fase de arranque do biorreator, o substrato é primeiramente semeado com o micro-organismo relevante, que depois se multiplica, acompanhado por reação do substrato orgânico, e coloniza o substrato orgânico.

Contudo, também são conhecidos micro-organismos bem como reações catalisadas por estes, em que o substrato não é colonizado pelos micro-organismos. No caso dessa variante, processo de uma fermentação, os micro-organismos flutuam numa solução nutritiva e absorvem nutrientes dissolvidos através da superfície. Os micro-organismos podem ter enzimas previamente segregadas para, por exemplo, decompor substratos sólidos em componentes menores solúveis em água.

Se o processo tiver de ser realizado continuamente, o substrato orgânico fresco será canalizado para a câmara de reação do reator durante a fermentação, enquanto uma quantidade correspondente de substrato gasto é descarregada do reator. Os micro-organismos são também removidos da câmara de reação com o substrato descarregado. Esta perda de micro-organismos deve ser compensada por um crescimento correspondente. Em particular com organismos de crescimento lento, a velocidade de crescimento pode ser o fator limitante para a capacidade do reator. Abaixo de um valor critico em que a quantidade de micro-organismos renováveis é maior do que a quantidade de micro-organismos descarregados com o substrato gasto, existe sempre uma quantidade suficiente de micro-organismos disponíveis para sustentar a fermentação. Então, por exemplo, a quantidade de substrato orgânico alimentado pode formar o fator limitante. Se a quantidade de substrato orgânico alimentado for aumentada adicionalmente, será atingido um valor crítico no qual a quantidade de micro-organismos renováveis corresponde à quantidade de micro-organismos descarregados com o substrato gasto. A fermentação na câmara de reação prossegue então de forma estável. Com um aumento adicional na quantidade de substrato alimentado, a quantidade renovável de micro-organismos não poderá mais compensar a perda de micro-organismos descarregados com o substrato gasto. 0 conteúdo de micro-organismos do reator cairá então constantemente com o resultado de que a fermentação não mais prossegue de forma estável. 0 desempenho do reator e assim o rendimento do produto diminuem com um aumento adicional na quantidade de substrato alimentado até a fermentação finalmente parar.

Um exemplo de uma fermentação com micro-organismos de crescimento muito lento é a produção de biogás. Durante a produção de biogás, na etapa final, com a ajuda de bactérias metanogénicas, o metano é produzido a partir de H2 e CO2 ou de acetato de etil ou outros compostos de baixo peso molecular, como a metilamina. Esta reação ocorre sob condições estritamente anaeróbicas e redutoras. Por razões termodinâmicas, as bactérias metanogénicas podem conseguir apenas um ganho de energia extremamente pegueno por molécula de substrato gue reagiu. Os tempos de geração prolongada são, portanto, uma consequência necessária e inevitável. Por esta razão, a fase de arranque dos reatores de biogás recém-carregados também dura muito tempo. Uma vez que um reator de biogás atingiu finalmente o seu estado operacional, a taxa de crescimento dos micro-organismos de crescimento mais lento determina o rendimento máximo possível do substrato orgânico.

Para, num dado reator, aumentar a taxa de produção e, portanto, a capacidade do reator, a concentração estacionária de micro-organismos no reator tem de ser aumentada. Isso pode ocorrer dentro de um quadro muito limitado, otimizando os parâmetros do processo. Uma outra possibilidade para aumentar a quantidade estacionária de micro-organismos na câmara de reação do biorreator é recuperar os micro-organismos dos resíduos de biodigestão descarregados e devolvê-los à câmara de reação novamente. No entanto, como o resíduo de biodigestão é muito heterogéneo na composição, os micro-organismos podem ser separados do resíduo de biodigestão apenas com grande dificuldade.

Um método é descrito no documento de patente DE 10 2005 024 886 B3 em que partículas magnetizáveis são adicionadas ao substrato orgânico. Os micro-organismos estão presentes na câmara de reação ou no substrato orgânico sob a forma de flocos bacterianos. As bactérias são rodeadas por uma camada de limo que torna possível uma coesão entre as bactérias individuais e a composição de agregados maiores. As partículas magnetizáveis podem ser incorporadas no lodo separado dos micro-organismos, em que uma força exercida sobre as partículas magnetizáveis pode ser transferida para os micro-organismos. Foi possível demonstrar que é possível separar os micro-organismos do resíduo de biodigestão passando o resíduo de biodigestão por um íman estacionário. Um tubo de separação, para o exterior do qual ficam ligados imanes permanentes, pode ser fornecido para tal finalidade. Se o resíduo de biodigestão for passado através do tubo de separação, o íman estacionário atrairá as partículas magnetizáveis encerradas no lodo de bactérias, em que os flocos bacterianos no resíduo de biodigestão é movido em direção ao íman e depositado na parede do tubo de separação. Se os imanes permanentes forem removidos da parede externa do tubo de separação, a camada de micro-organismos depositada na parede interna do tubo de separação pode ser descarregada para fora do tubo. Os micro-organismos recolhidos podem então ser reconduzidos ao reator.

Através do método descrito no documento de patente DE 10 2005 024 886 B3 foi possível demonstrar que a separação de micro-organismos com a ajuda de partículas magnetizáveis é possível. No entanto, o método não permite ainda um grau de separação tão elevado que o método possa ser utilizado de forma rentável em instalações industriais. A ferrite utilizada no método é utilizada em forma de partículas muito finas, com o resultado de que a sua taxa de sedimentação acaba por ser baixa e as partículas podem ser encerradas na camada de limo das bactérias. Estas partículas magnetizáveis muito pequenas movem-se muito lentamente no campo magnético aplicado devido à viscosidade da água e às forças magnéticas fracas. Se se pretender melhorar a taxa de separação das partículas magnetizáveis aumentando a força exercida pelos imanes, ocorrerá o perigo de as partículas magnetizáveis serem puxadas para fora da camada de limo dos flocos de micro-organismo. Em seguida, não será mais possível separar o floco bacteriano do resíduo de biodigestão. Se se pretender melhorar a taxa de separação utilizando partículas maiores magnetizáveis, estas partículas maiores poderão ser colonizadas por micro-organismos, melhorando a ligação dos micro-organismos às partículas magnetizáveis. No entanto, ocorre o problema então que a velocidade de sedimentação das partículas magnetizáveis é muito elevada. As partículas não são então distribuídas de forma homogénea no substrato orgânico durante a fermentação, isto é, a fermentação pode ser realizada uniformemente em toda a câmara de reação somente com um gasto considerável. A possibilidade de acumular substâncias ou micro-organismos com a ajuda de partículas magnetizáveis a partir de uma mistura de substâncias já foi demonstrada utilizando vários exemplos. No entanto, estas aplicações referem-se principalmente apenas à separação de quantidades muito pequenas de substância, por exemplo na utilização em kits de teste. A utilização de partículas magnetizáveis torna então possível evitar uma separação trabalhosa por centrifugação.

Deste modo, partículas de vidro ferromagnéticas ou ferrimagnéticas altamente porosas que contêm óxido de ferro, ou pigmentos contendo ferro, são descritas no documento de patente US 7 183 002. As partículas de vidro têm preferencialmente um diâmetro de 5 a 25 pm, preferencialmente 7 a 10 pm. Para produzir as partículas de vidro, em primeiro lugar, é produzida uma suspensão das partículas magnetizáveis em, por exemplo, glicerol ou glicol. É então adicionado a esta suspensão um composto de silício hidrolisável, por exemplo, um tetraalcoxissilano. O composto de silício é então hidrolisado com um tampão alcalino ou ácido, com o resultado de que S1O2 se deposita sobre as partículas magnetizáveis e forma uma estrutura de poros abertos. As partículas são separadas e secas abaixo da temperatura de Curie, preferencialmente na faixa de 100 a 500 °C. As partículas de vidro podem ser utilizadas para acumular uma substância específica, por exemplo uma proteína, a partir de uma mistura de amostra. Para isto, a partícula de vidro poroso, cuja superfície foi opcionalmente modificada proporcionando grupos adequados para aumentar a afinidade entre a substância e a superfície da partícula de vidro, é misturada com a mistura de amostra. A substância contida na mistura é adsorvida na superfície das partículas de vidro magnetizáveis. Através da aplicação de um campo magnético externo, as partículas de vidro poroso podem ser depositadas em conjunto com as moléculas de interesse adsorvidas sobre as mesmas, por exemplo, na parede de um recipiente de amostra. A fase líquida pode então ser separada muito facilmente, de modo que que apenas as partículas de vidro magnetizáveis com a substância adsorvida sobre elas permaneçam no recipiente de amostra. M.-H. Liao, B.-H. Chen, Biotechnology Letters 24, 1913-1917, 2002 descrevem um adsorvente magnetizável que, por exemplo, pode ser utilizado para acumular uma proteína a partir de uma solução. Para isso, as nanopartícuias de Fe3C>4 superparamagnét ico são revestidas com uma camada covalentemente ligada de ácido poliacrílico. O poliacrilato tem um grande número de grupos iónicos que podem interagir com a proteína de interesse, pelo que a proteína está ligada à superfície da nanopartícuia. As cadeias de poliacrilato são ligadas à nanopartícuia de Fe304 por ativação com carbodiimida. Em média, duas moléculas de poliacrilato são ligadas por nanopartícuias magnéticas. X.-D. Tong, B. Xue, Y. Sun, Biotechnol. Prog. 2001, 17, 134-139 descrevem um suporte magnetizável que pode ser utilizado para a adsorção de proteínas, bem como a sua acumulação. As partículas magnetizáveis têm um núcleo de um material magnetizável, por exemplo Fe304, que é revestido com uma casca de álcool polivinílico reticulado. De modo a aumentar a afinidade das partículas por proteínas, a superfície pode ser modificada ligando grupos correspondentes à superfície da partícula.

Além das partículas magnetizáveis acima descritas, são conhecidos muitos outros suportes para realizar fermentações ou acumular proteínas. Assim, A. Soares, B. Guieysse, B. Mattiasson, Biotechnology Letters 25, 927-933, 2003 descrevem a degradação biológica de nonilfenol num biorreator de leito fixo operado continuamente. O leito consiste num material granular de vidro celular, em que um biofilme de micro-organismos é imobilizado na superfície dos grãos do material granular. O substrato carregado com nonilfenol é passado sobre o leito, sendo que uma degradação clara do nonilfenol pode ser detetada no eluato removido do reator. H. Zilouei, B. Guieysse, B. Mattiasson, Process Biochemistry 41 (2006), 1083-1089 descrevem a degradação biológica de clorofenóis com a ajuda de bactérias que são imobilizadas como biofilme num leito empacotado de material granular de vidro celular. Também aqui foi possível demonstrar que uma degradação clara dos clorofenóis pode ser conseguida se um substrato carregado com clorofenol for passado através do reator empacotado.

Grânulos de vidro espumados estão disponíveis no mercado em várias formas. Os grânulos de vidro espumados podem ter uma estrutura de poros abertos ou de poros fechados. Além disso, os materiais granulares podem ser produzidos a partir de vários tipos de vidro. Por exemplo, a resistência à força e à temperatura do material granular de vidro pode ser aumentada por adição de AI2O3. A produção de um material granular de vidro celular de poros abertos é descrita no documento de patente DE 195 31 801 Al. Para isto, um pó de vidro é misturado com um composto orgânico de silício assim como microesferas de cera. Esta mistura é processada para um material granular que é primeiro pré-endurecido a uma temperatura baixa. Uma coesão entre as partículas do pó de vidro é assim produzida por decomposição parcial do composto orgânico de silicio. Em seguida, a cera é derretida aumentando ainda mais a temperatura, com o resultado de que os poros abertos permanecem no material granular. Depois da cera ter sido fundida, o material granular de vidro é endurecido a uma temperatura mais elevada, preferencialmente na faixa de 600 a 800 °C. O material granular de vidro de poro aberto é adequado para imobilizar micro-organismos que são utilizados, por exemplo, em tratamento de água residual aeróbico.

Do mesmo modo, é utilizado um granulado de vidro expandido de poros abertos que é produzido a partir de uma mistura de pó de vidro com um componente de baixo ponto de fusão e de elevado ponto de fusão no documento de patente DE 197 34 791 AI. A mistura de vidro em pó é misturada com um agente de sopro e depois aquecida acima da temperatura de sopro do componente de vidro de baixo ponto de fusão. As paredes dos poros, que são construídas a partir do componente de baixo ponto de fusão, abrem durante o sopro, com o resultado de se obter uma estrutura de poros abertos.

Este granulado de vidro expandido de poros abertos também pode ser utilizado como suporte para micro-organismos para o tratamento aeróbio de águas residuais como descrito no documento de patente DE 198 17 268 AI. Para isto, o granulado de vidro expandido de poro aberto é revestido primeiro com aproximadamente 5% em massa de Fe2C>3 mergulhando o material granular numa solução de sal de ferro e depois temperando-o. O material granular pode então ser introduzido num reator de lama ativada. Através do óxido de ferro, os compostos pouco degradáveis são pré-oxidados pela adição de peróxido de hidrogénio, enquanto a posterior mineralização dos micro-organismos é efetuada.

Materiais granulares magnetizáveis em espuma-vidro também já foram descritos. Deste modo, os vidros de espuma em que as substâncias ferromagnéticas, tais como, por exemplo, ferro, níquel ou cobalto, são distribuídos de forma homogénea no vidro celular, são conhecidos dos documentos de patente EP 1 900 698 AI e EP 1 900 697 Al. Por vidro celular entende-se um vidro celular solidificado que compreende células hermeticamente fechadas. No entanto, a produção e a estrutura do vidro celular magnetizável não são descritas. O vidro celular magnetizável é utilizado para produzir filtros. Estes compreendem um invólucro estanque a líquidos com corpos em forma de vidro celular contidos no mesmo. Os corpos moldados podem, por exemplo, ser um material granular com uma granulação predeterminada ou largamente arbitrária.

Um outro material inorgânico magnetizável de poros abertos é descrito no documento de patente U.S. Número 5.734.020. O vidro poroso é impregnado com uma suspensão de partículas metálicas para produzir o material. O excesso de suspensão é removido e as partículas impregnadas são então secas. À medida que as partículas magnetizáveis são depositadas nos poros do vidro celular, o volume de poro do vidro diminui devido à impregnação. 0 material granular tem um tamanho de grão na faixa de aproximadamente 1 a 200 pm. Pode ser utilizado como suporte para processos cromatográficos, em imunoensaios, para sínteses, por exemplo de oligonucleótidos, bem como outros processos de separação e purificação.

Um material granular feito de fragmentos de um corpo de sinterização sinterizado a partir de vidro moído por sopro moído no qual partículas de ferro são incorporadas está descrito no documento de patente WO 2004/113245. O corpo de sinterização é quebrado num material granular com o resultado de que é obtida uma grande área de superfície, em que as partículas de ferro sobressaem da superfície. O material granular é produzido de acordo com uma realização específica, primeiro misturando pó de vidro com um agente de sopro e ferro de partículas finas e depois soprando a mistura, em que é obtido um corpo, por exemplo, na forma de uma placa. A placa é então quebrada num material granular. 0 material granular pode ser magneticamente influenciado com um teor em ferro de 6% em peso e acima. Isto pode ser utilizado, por exemplo, para separar as partículas finas do vidro celular de uma suspensão de contaminantes. 0 material granular pode ser utilizado em particular como matéria-prima para purificação de água.

Um método para produzir material granular de vidro celular que é adequado, por exemplo, como aditivo para materiais de construção, para aumentar a ação isolante de por exemplo paredes, está descrito no documento de patente DE 10 2004 012 598 AI. Para produzir o material granular de vidro celular, primeiramente o vidro pré-moído é misturado com vidro de água e agente de expansão acompanhado pela adição de água para formar uma mistura em bruto. A mistura em bruto é em seguida moída por via húmida durante várias horas para formar uma pasta. A pasta é granulada para formar corpos verdes de materiais granulares e estes são espumados em fornos rotativos a uma temperatura normalmente de 800 a 900 °C.

Um material poroso que tem um teor de óxido de silício numa faixa de 60% em peso a 85% em peso, óxido de alumínio numa faixa de 6% em peso a 20% em peso e alcalino e/ou óxido de metal alcalino-terroso e/ou hidróxido de metal alcalino e/ou alcalino-terroso numa faixa de 0 a 15% em peso está descrito no documento de patente EP 2 022 768 A2. A superfície do material poroso é rodeada por uma película que é preferencialmente estanque à água. A capacidade de absorção de água de acordo com a DIN EN 1609 está compreendida entre 0 e 5% em peso, preferencialmente entre 0,2 e 3% em peso, de um modo particularmente preferido 0,5 até 1% em peso. O vidro celular é produzido por mistura de argila, óxido de silício, bem como, opcionalmente, óxido de metal alcalino e/ou alcalino-terroso ou hidróxido de metal alcalino e/ou alcalino-terroso com água para formar uma suspensão. A suspensão é granulada e o material granular opcionalmente seco. 0 material granular é então aquecido, em que é obtido um material poroso de poro fechado. A fim de suportar a formação de espuma, opcionalmente pode também ser adicionado à suspensão um agente de expansão. São propostos vários campos de aplicação para o material granular de vidro celular, por exemplo como espessante, material de isolamento térmico, material de absorção de som, material de enchimento, material de construção, agente de proteção contra o fogo, material refratário, material de cromatografia e/ou material de suporte.

Um processo adicional para a produção de material granular de vidro celular é descrito no documento de patente WO 2006/092153 AI. Em primeiro lugar, uma pasta de vidro ligante é produzida a partir de água, um agente de expansão e um grão ligante de vidro à temperatura ambiente.

É então adicionado pó de vidro ao grão ligante de vidro, com o resultado de se obter uma mistura de vidro mais húmida e mais agitável. A mistura de vidro é homogeneizada e depois agitada durante 2 a 6 horas para, pelo menos parcialmente, decompor os constituintes do vidro. E adicionado mais pó de vidro e a mistura é granulada. O material granular é primeiro seco e depois espumado a uma temperatura de aproximadamente 790 °C. É também conhecido a partir do documento de patente WO 93/10162 AI finalmente um agregado magnetizável que compreende um suporte magnetizável particulável e um componente ativo imobilizado sobre a respetiva superfície. É reportado como suporte magnetizável particulado neste caso a um vidro poroso (Controlled Pore Glass, abreviado como CPG) . O vidro em si não magnetizável é provido de áreas magnetizáveis em que as partículas de vidro porosas são misturas de forma que as partículas magnéticas se depositam nos poros do vidro poroso. Como componente ativo pode ser aplicado sobre a superfície das partículas de vidro tornadas magnetizáveis um revestimento feito de silanos orgânicos e inorgânicos.

Como já explicado, as fermentações podem ser utilizadas para a produção de um grande número de compostos.

Estes podem ser compostos relativamente simples, tais como metano, mas também compostos com estrutura muito complexa, como por exemplo na produção de medicamentos. Os biocatalisadores utilizados em fermentações, tais como enzimas ou micro-organismos, podem ser muito valiosos, seja se puderem ser disponibilizados apenas a um grande custo ou possam ser fornecidos num reator apenas numa quantidade limitada, por exemplo, dependendo da taxa de crescimento lento de um micro-organismo.

Um outro campo em que se podem esperar grandes vantagens se as moléculas biologicamente ativas que são acessíveis apenas com dificuldade podem ser utilizadas repetidamente são processos de separação. As moléculas de captura podem ser utilizadas para acumular componentes específicos de uma solução. Por exemplo, anticorpos, sondas de captura de ADN, sondas de captura de ARN, proteína A, avidina, estreptavidina ou proteínas com cadeias de histidina longas podem ser utilizadas como moléculas de captura. Até agora, o procedimento foi passar a solução que contém as moléculas de interesse sobre uma coluna na qual moléculas de captura adequadas são imobilizadas. No entanto, se a solução contiver, por exemplo, micro-organismos, estes devem ser separados da solução com antecedência.

Por conseguinte, o objetivo da invenção é disponibilizar um método para o tratamento de um substrato orgânico que torne possível a recuperação de componentes úteis a partir do substrato orgânico tratado. 0 componente útil pode então ser novamente utilizado ou, por exemplo, também ser reciclado, por exemplo, para aumentar a concentração de componentes biologicamente ativos num biorreator.

Este objetivo é conseguido com um método com as caracteristicas da reivindicação 1. Formas de realização vantajosas de acordo com a invenção são objeto das reivindicações dependentes.

No caso de um método de acordo com a invenção é utilizado um suporte particulado especial magnetizável que é construído a partir de uma espuma sólida e sobre o qual um componente ativo é imobilizado. As partículas magnetizáveis são distribuídas na fase sólida da espuma, em que estas são encerradas na fase contínua da espuma sólida. À medida que as partículas magnetizáveis são encerradas na fase contínua, as partículas magnetizáveis são impedidas de corroer e assim perderem a sua magnetização ou sendo removidas do suporte de partículas magnetizáveis, por exemplo, as partículas sendo dissolvidas. As partículas magnetizáveis são preferencialmente distribuídas homogeneamente na fase sólida. A força que um determinado campo magnético exerce sobre uma partícula de suporte pode ser ajustada pela quantidade de material magnetizável contida no suporte e, assim, a velocidade com que as partículas de suporte são movidas num determinado campo magnético e num dado meio. É assim possível aumentar a taxa de separação do suporte magnetizável aumentando a quantidade de material magnetizável no suporte. Ao aumentar a quantidade de material magnetizável, a densidade do material granular não espumado aumenta à medida que, em geral, o peso especifico do material magnetizável a partir do qual as partículas magnetizáveis são construídas é maior do que a densidade do material sólido da fase principal, por exemplo, de um reticulante ou de um vidro que forma a fase sólida contínua do suporte. A velocidade de sedimentação do suporte no substrato orgânico que é proporcionada no biorreator aumentaria assim. Contudo, a sedimentação pode ser obstaculada pela estrutura dos poros da espuma sólida. A espuma sólida a partir da qual o suporte magnetizável é construído apresenta, pelo menos no núcleo do suporte, uma estrutura de poro fechado. Nenhuma água ou solvente penetra nos poros fechados, com o resultado de atuarem como um corpo de flutuação para o suporte magnético em água ou outro solvente. A densidade do suporte pode ser ajustada pelo tamanho de poro ou a proporção de poros e o tamanho do núcleo de poro fechado. 0 grau de formação de espuma pode, por conseguinte, controlar se, por exemplo, os escoadouros de suporte, flutuadores ou, se o suporte tiver uma densidade comparável à da água, permanece quase suspenso em água.

Um componente ativo é imobilizado no suporte magnetizável. Por componente ativo entende-se um componente que pode interagir com o substrato orgânico e/ou inorgânico. A interação pode consistir na reação do substrato orgânico e/ou inorgânico utilizando o componente ativo imobilizado. Nesta realização o componente ativo pode atuar, por exemplo, como catalisador pelo qual o substrato é convertido num produto. Após a conversão, o agregado magnetizável pode ser removido da mistura de produtos e, num processo operado continuamente, por exemplo, ser adicionado a uma mistura de substrato fresca. No entanto, após a conversão, o agregado magnetizável também pode ser lavado e condicionado de modo a ser reutilizado posteriormente. Alternativamente, o mesmo também pode ser conservado até a uma reutilização.

De acordo com uma forma de realização preferida, utiliza-se um sistema biocataliticamente ativo como componente ativo. Por um sistema biocataliticamente ativo entende-se um sistema de origem biológica que pode efetuar uma conversão de um substrato orgânico e/ou inorgânico num produto. Um sistema é de origem biológica se ocorrer na natureza ou for derivado deste, por exemplo, com a ajuda de métodos de engenharia genética. Por um sistema biologicamente ativo entende-se, em particular, células vivas, partes de células, por exemplo, vesículas, bem como enzimas.

De acordo com uma forma de realização, células vivas podem ser células de culturas de células bem como micro-organismos. Por micro-organismos entende-se geralmente organismos microscopicamente pequenos que podem estar presentes preferencialmente como células únicas ou também células múltiplas. De acordo com uma forma de realização preferida, os micro-organismos são selecionados a partir de arqueobactérias, eubactérias, leveduras, bem como outros fungos. Os micro-organismos podem ser utilizados como culturas puras, como culturas misturadas definidas ou mesmo como biocenoses complexas. Os micro-organismos podem ser micro-organismos de ocorrência natural ou também micro-organismos ou células geneticamente manipuladas com métodos conhecidos.

Interação entre agregado magnetizável e substrato orgânico e/ou inorgânico pode, por exemplo, ser também a formação de uma ligação preferencialmente não covalente entre o substrato e o componente ativo imobilizado no suporte magnetizável. Nesta realização o agregado magnetizável pode assim adsorver o substrato. Isto torna possível uma realização na qual o método de acordo com a invenção é utilizado, por exemplo, para acumular o substrato a partir de uma mistura preferencialmente aquosa.

De acordo com uma tal realização o componente ativo é formado por uma molécula de captura. Por uma molécula de captura entende-se uma molécula que pode ligar-se a um substrato preferencialmente orgânico por pelo menos uma ligação não covalente. A ligação não covalente pode ser formada por uma ligação iónica, uma interação dipolar ou por ligações de van der Waals. Pequenas moléculas, por exemplo sondas de ADN, mas também agregados biologicamente ativos maiores, por exemplo anticorpos, podem ser utilizados como moléculas de captura. Contudo, também podem ser utilizados polímeros que compreendem grupos que podem formar ligações não covalentes com um substrato orgânico, por exemplo polietileno imina. 0 agregado magnetizável formado a partir do suporte magnetizável e do componente ativo imobilizado sobre o mesmo pode ser muito bem distribuído em meios líquidos. Por conseguinte, pode ser muito bem utilizado em processos contínuos em que o agregado magnetizável é separado da mistura de produto e voltou ao processo novamente opcionalmente após um tratamento intermediário. Se o componente ativo for concebido por exemplo como uma molécula de captura, então o suporte poderá, por exemplo, ser adicionado a um meio de cultura em que um composto de interesse é produzido numa reação catalisada biologicamente. Este composto é então ligado ao agregado magnetizável através da molécula de captura. 0 agregado magnetizável com o composto de interesse ligado a este pode então ser separado do meio de cultura com um dispositivo de separação magnética e então o composto é deslocado novamente a partir do agregado magnetizável ou a molécula de captura e assim isolado. 0 agregado magnetizável empobrecido do composto de interesse pode então ser colocado novamente no meio de cultura. Este método torna possível isolar um composto específico continuamente a partir de uma reação catalisada biologicamente, por exemplo, uma fermentação, sem que o processo necessite de ser interrompido ou o catalisador biológico, por exemplo um micro-organismo, tendo que ser separado previamente.

De acordo com uma forma de realização já mencionada acima, o componente ativo é formado como sistema biocataliticamente ativo. Por um sistema biocataliticamente ativo entende-se, no sentido da invenção, em particular uma célula viva ou uma parte de uma célula ou uma enzima que converte um substrato orgânico e/ou inorgânico num produto. 0 substrato e o produto têm assim estruturas diferentes nesta realização. A conversão do substrato pode exigir, por exemplo, quando se utilizam enzimas, a presença de cofactores. A presença de, por exemplo, nutrientes, oligoelementos e semelhantes pode ser necessária quando se utilizam células, em particular micro-organismos. As condições para tais sistemas são conhecidas per se por um especialista na técnica. São obtidos resultados particularmente vantajosos se o componente ativo ou o sistema biocataliticamente ativo for formado por células vivas e em particular pelo menos por um micro-organismo. 0 pelo menos um micro-organismo pode pertencer a uma espécie individual de micro-organismo. No entanto, também é possível que várias espécies de micro-organismos atuem simultaneamente como componente ativo.

Como o suporte é relativamente grande em comparação com os suportes magnetizáveis anteriormente utilizados em processos biológicos, não é apenas integrado na camada de lodo de micro-organismos, mas pode ser colonizado por células ou micro-organismos. Os micro-organismos ou células se ligam ativamente à superfície do suporte com a ajuda de substâncias poliméricas extracelulares. Os micro-organismos podem primeiro formar colónias na superfície do suporte que podem combinar, após crescimento adicional, a um biofilme. Deste modo, a densidade de micro-organismos no substrato é relativamente elevada, com o resultado de que podem ser realizadas elevadas taxas de conversão de substrato. 0 mesmo se aplica quando se utilizam células, por exemplo células de culturas de células.

No método de acordo com a invenção, o suporte é utilizado sob a forma de partículas, isto é, sob a forma de um material granular despejável. 0 suporte magnetizável particulado com o componente ativo imobilizado sobre o mesmo pode ser distribuído homogeneamente no substrato, o que tem um efeito vantajoso sobre a taxa de conversão e taxa de separação respectivamente, uma vez que não ocorre desequilíbrios locais e por exemplo pode ser evitada uma hiperacidez local. Ao contrário dos leitos sólidos rígidos, também não há perigo de bloqueio quando se utilizam suportes em partículas se o substrato compreender, por exemplo, constituintes sólidos.

Devido à estrutura de espuma sólida que é de poro fechado pelo menos no núcleo do suporte, o suporte é mecanicamente estável. Por causa da ação mecânica durante a utilização do agregado magnetizável, o suporte, portanto, dificilmente sofre qualquer desgaste, com o resultado de que o agregado magnetizável formado a partir do suporte magnetizável e do componente ativo imobilizado nele possa ser separado repetidamente do substrato ou mistura de produto e utilizado novamente sem uma perda substancial de atividade tendo de ser aceite. De acordo com uma forma de realização, o núcleo do suporte compreende pelo menos 50% do volume total do suporte. Detalhes sobre o suporte são explicados abaixo.

De acordo com a invenção, portanto, é disponibilizado um método para o tratamento de um substrato orgânico e/ou inorgânico, em que em uma câmara de reação é proporcionada uma mistura de substrato que contém o substrato orgânico e/ou inorgânico, é adicionado um agregado magnetizável, mistura de substrato, em que o agregado magnetizável compreende um suporte magnetizável e um componente ativo imobilizado no suporte magnetizável; a mistura de substrato é convertida numa mistura de produto com o agregado magnetizável, e o agregado magnetizável é separado da mistura do produto com um dispositivo de separação magnética, sendo que, de acordo com a invenção, o suporte magnetizável está presente na forma de um suporte magnetizável em partículas, em que o suporte magnetizável em partículas é construído a partir de uma espuma sólida com uma fase contínua que rodeia poros da espuma sólida, em que áreas magnetizáveis que formam uma fase descontínua são dispostas na fase contínua, e em que a espuma sólida é de poro fechado pelo menos no núcleo do suporte magnetizável em partículas. 0 método de acordo com a invenção pode, em principio, ser realizado com reatores habituais que apresenta uma câmara de reação. 0 reator pode ser operado por lotes ou também continuamente. Por operação por lotes, entende-se que a câmara de reação é enchida com uma quantidade específica de substrato, a mistura de substrato é convertida numa mistura de produto, a mistura de produto é opcionalmente removida da câmara de reação e a mistura de produto é processada. 0 substrato pode ser introduzido na sua totalidade no início da conversão. No entanto, é também possível introduzir apenas uma quantidade parcial do substrato no início da conversão e alimentar outras quantidades parciais de substrato no reator a intervalos de tempo ("fed-batch"). A concentração de substrato e produto muda ao longo do tempo à medida que a fermentação prossegue. Se os micro-organismos ou as células forem utilizados como componente ativo, a sua concentração mudará igualmente como resultado da sua multiplicação durante a reação.

No caso de um controlo de processo contínuo, é estabelecida na câmara de reação uma concentração quase constante do substrato, do produto assim como do agregado magnetizável. 0 substrato orgânico é alimentado à câmara de reação, opcionalmente após uma fase de arranque do reator, continuamente, isto é, numa alimentação contínua, ou semicontinuamente, isto é, em várias pequenas porções, e uma quantidade correspondente de produto é descarregada da câmara de reação. Assim, é estabelecido um equilíbrio estacionário no qual a concentração de substrato, produto e agregado magnetizável flutuam apenas dentro de limites estreitos. 0 modo de funcionamento continuo ou semicontinuo é preferido no método de acordo com a invenção. 0 método de funcionamento do reator não está, em principio, sujeito a quaisquer limitações. É, por exemplo, possível utilizar um reator em forma de tanque, por exemplo um reator de tanque agitado no qual o conteúdo do reator é movido continuamente ou em fases de modo a homogeneizar o conteúdo do reator. A intensidade com que o conteúdo do reator é deslocado depende da forma específica da conversão que é realizada com o método de acordo com a invenção. Se se utilizarem micro-organismos ou células vivas como componente ativo do agregado magnetizável, o conteúdo do reator é preferencialmente deslocado o mais suavemente possível, a fim de evitar que um biofilme imobilizado no suporte magnetizável seja destacado por forças de cisalhamento. Pode ser adequado para o conteúdo do reator ser movido, por exemplo, apenas brevemente uma vez por dia.

No entanto, é também possível utilizar um tipo de reator tubular, por exemplo, um reator tubular no qual o substrato é passado através da câmara de reação ou turbulenta. 0 reator pode ser fornecido com equipamento habitual. Por exemplo, pode ser proporcionado que o reator possa ser termostato, de modo a proporcionar-se um arrefecimento ou um aquecimento. As entradas e saídas com as quais um substrato pode ser alimentado ou um produto removido pode ser proporcionado no reator. Pode ser proporcionado um agitador com o qual o conteúdo do reator possa ser movido e misturado. Além disso, podem ser proporcionados dispositivos para medir a temperatura, a pressão ou vários outros parâmetros do processo tais como, por exemplo, pH. Não existem limites per se à concepção do biorreator ou da câmara de reação disposta no mesmo. Em particular para reações que ocorrem sob condições anaeróbicas, por exemplo, na produção de biogás, a câmara de reação é preferencialmente fechada.

Uma mistura de substrato que contém o substrato é proporcionada na câmara de reação. A mistura de substrato pode ser uma solução. No entanto, também é possível que a mistura de substrato seja concebida como suspensão, em que também podem estar contidos na mistura de substrato constituintes sólidos maiores, por exemplo, resíduos vegetais. A mistura de substrato contém preferencialmente água como fase líquida. A mistura de substrato pode conter componentes habituais, por exemplo, sistemas tampão, oligoelementos, cofatores ou sais. A concentração dos constituintes individuais da mistura de substrato é escolhida dependendo da reação realizada dentro dos intervalos habituais.

Se a mistura de substrato contiver sólidos, a proporção de sólidos de acordo com uma forma de realização é fixada em menos de 50% em peso, de acordo com uma outra forma de realização menos de 30% em peso e de acordo com uma outra forma de realização inferior a 5% em peso, calculado como peso seco dos constituintes sólidos e em relação ao peso da mistura substrato. De acordo com uma forma de realização, o teor de sólidos da suspensão é escolhido de tal modo que a viscosidade da suspensão seja preferencialmente tão baixa que seja possível uma separação eficiente do agregado magnetizável. Se, por exemplo, os grãos de destilador forem utilizados como substrato, o teor de sólidos será preferencialmente escolhido de modo a ser inferior a 3% em peso devido à elevada viscosidade.

De acordo com uma forma de realização, o teor de sólidos da suspensão é superior a 0,1% em peso, de acordo com uma outra forma de realização mais de 1% em peso e de acordo com ainda outra forma de realização mais do que 1,5%. O pH da mistura de substrato pode ser ajustado dependendo da reação realizada. Se, de acordo com uma forma de realização, forem utilizados micro-organismos para uma fermentação, o pH será preferencialmente escolhido na faixa neutra, preferencialmente na faixa de 1 a 10, de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 4 a 9 e de acordo com uma realização particularmente preferida na faixa de 6 a 8. Se as enzimas forem escolhidas como biocatalisadores, o pH da mistura de substrato será ajustado de acordo com o seu perfil de atividade. A concentração de sais, oligoelementos ou tampões é também escolhida dentro dos intervalos habituais. O mesmo se aplica a uma forma de realização em que as moléculas de captura são utilizadas como componente ativo. A mistura de substrato contém pelo menos um substrato orgânico e/ou inorgânico que é convertido com o agregado magnetizável a uma mistura de produto. Como substrato pode ser utilizado, de acordo com uma forma de realização, um substrato que é convertido pelo agregado magnetizável num produto por meio de uma fermentação. Nesta realização o componente ativo é formado preferencialmente por uma célula ou um micro-organismo. Nesta realização, o substrato orgânico e/ou inorgânico e o produto têm assim uma estrutura diferente. Em principio, qualquer substrato que pode ser fermentado pode ser escolhido. Os substratos orgânicos apropriados são, por exemplo, açúcares, tais como, por exemplo, glucose, ou hidratos de carbono tais como amido ou celuloses, gorduras, ácidos gordos, glicerol, substratos contendo azoto tais como proteínas, hidrolisados de proteínas, péptidos, aminoácidos ou misturas de aminoácidos. No entanto, dependendo da fermentação levada a cabo, misturas complexas tais como, por exemplo, resíduos orgânicos tais como estrume líquido, pasta, estrume, palha, silagem, sementes superenvelhecidas ou mesmo água residual ou lamas de depuração, bem como resíduos de biodigestão, restos de destilaria, soro de leite, suspensões de algas, resíduos orgânicos industriais, restos de cozimento, alimentos com data de validade vencida, gorduras de flotação etc. podem também ser utilizados como substrato orgânico.

No entanto, o substrato orgânico e/ou inorgânico também pode ser uma molécula, preferencialmente biologicamente ativa, que é separada de uma mistura de substrato, por exemplo um meio de cultura, com a ajuda do método de acordo com a invenção. A molécula de substrato é ligada ao suporte particulado magnetizável através de uma molécula de captura sem que ocorra uma reação química. Nesta realização do método, a estrutura do substrato orgânico permanece inalterada durante a transformação para uma mistura de produto. 0 pH, a concentração de sal e outros parâmetros são adequadamente escolhidos de modo a que se obtenha uma ligação forte entre o substrato orgânico e o agregado magnetizável ou a molécula de captura. 0 componente ativo é imobilizado num suporte especial magnetizável. A imobilização pode ser conseguida com métodos habituais. Por exemplo, uma enzima ou um complexo enzimático ou uma molécula de captura pode ser adsorvida na superfície do suporte ou também ser covalentemente ligada à superfície do suporte com a ajuda de um espaçador. Quando os micro-organismos são utilizados como componente ativo, de acordo com uma forma de realização preferida estes estabelecem-se na superfície do suporte magnetizável e ali formam colónias ou um biofilme. De acordo com outra forma de realização, os micro-organismos podem também ser fixados artificialmente com a ajuda de polímeros biodegradáveis em maior ou menor extensão tais como, por exemplo policaprolactona ou poli-3-hidroxibuturato ou, por exemplo, alginato ou semelhantes sobre a superfície do suporte magnetizável ao envolvê-los na matriz polimérica. A superfície do suporte magnetizável também pode ter sido previamente modificada / revestida quimicamente para facilitar a ligação de enzimas, micro-organismos ou moléculas de captura. Se se utilizarem micro-organismos ou células como componente ativo do agregado magnetizável, o suporte magnetizável pode por exemplo ser revestido com uma solução nutritiva, oligoelementos ou também compostos gue facilitam o crescimento de micro-organismos ou células no suporte magnetizável. Podem também conter vários componentes no revestimento. Um exemplo de um revestimento é um revestimento com xantano que é combinado com oligoelementos ou uma combinação de nutrientes. Os compostos habituais conhecidos da microbiologia são utilizados como oligoelementos ou nutrientes.

No modo descontinuo, portanto por lotes, o agregado magnetizável é preferencialmente já adicionado à mistura de substrato no inicio da conversão. Se forem utilizadas enzimas suportadas como sistema biocataliticamente ativo, adequadamente a quantidade total de enzimas é fornecida sob a forma suportada. 0 mesmo se aplica se as moléculas de captura forem utilizadas como componente ativo. Quando se utilizam micro-organismos como componente ativo também apenas uma parte dos micro-organismos necessários pode ser adicionada à mistura de substrato sob a forma suportada. Nesta realização, a mistura de substrato é assim semeada com os micro-organismos, em que os micro-organismos também podem já estar presentes na forma suportada. Durante a fermentação, os micro-organismos podem multiplicar-se e opcionalmente também colonizar o suporte magnetizável fresco que é adicionado à mistura de substrato. Em seguida, de um modo habitual, ocorre uma conversão para uma mistura de produto que é depois trabalhada opcionalmente após remoção prévia da câmara de reação.

No caso de um ciclo em modo continuo, que é preferido em particular quando se utilizam micro-organismos, o estado de funcionamento do reator tem primeiro de ser atingido, assim um equilíbrio estacionário estabelecido na câmara de reação.

De acordo com uma primeira forma de realização, com o método de acordo com a invenção um substrato orgânico e/ou inorgânico é removido continuamente de um substrato ou mistura de produto. A remoção pode ter lugar num fluxo continuo ou também em porções. Uma remoção continua torna possível um procedimento contínuo na câmara de reação de um reator, isto é, um equilíbrio dinâmico em que o substrato é alimentado para a câmara de reação e o produto é removido da câmara de reação, em que as condições na câmara de reação permanecem substancialmente permanecem basicamente inalteradas na câmara de reação. A mistura de substrato pode, por exemplo, ser um meio de cultura em que um ingrediente ativo específico é produzido com a ajuda de um micro-organismo utilizando biotecnologia. 0 ingrediente ativo pode ser o próprio substrato orgânico que é removido do meio de cultura com o método de acordo com a invenção. No entanto, o substrato orgânico pode também pertencer a outro grupo de substâncias, por exemplo substâncias que têm um efeito inibidor sobre o processo biotecnológico (inibidores). De acordo com esta forma de realização, um componente que apresenta, por exemplo, um efeito inibidor da reação que ocorre no meio de cultura, por exemplo porque apresenta um efeito inibidor no crescimento de células, pode assim ser continuamente removido do meio de cultura.

Uma molécula de captura seria utilizada como componente ativo suportado nesta forma de realização. A molécula de captura seria então capaz de ligar o substrato orgânico e/ou inorgânico com o resultado de que este último poderia ser removido da mistura de substrato através de um dispositivo de separação magnética com a ajuda do agregado magnetizável. Os micro-organismos podem estar contidos no meio de cultura nesta forma de realização, mas substancialmente não ligados ao suporte magnetizável.

Os micro-organismos e o agregado magnetizável podem ser contidos no meio de cultura. No entanto, uma forma de realização na qual, numa primeira fase, os micro-organismos são separados do meio de cultura e numa etapa adicional o substrato orgânico é separado do meio remanescente com a ajuda do agregado magnetizável também é possível. A remoção de um substrato orgânico e/ou inorgânico de uma mistura de substrato foi descrita com referência ao isolamento de um substrato orgânico a partir de um meio de cultura, em que o substrato orgânico foi produzido num processo biotecnológico com a ajuda de micro-organismos. No entanto, o substrato pode também ter sido produzido de outras formas. Em princípio, não há limitações aqui. 0 substrato orgânico e/ou inorgânico pode também, em princípio, ter sido produzido numa reação química. 0 substrato é ligado através da molécula de captura ao agregado magnetizável por ligações não covalentes, que é então separado do substrato ou mistura de produto por meio de um separador magnético.

De acordo com uma outra forma de realização preferida, o agregado magnetizável é formado a partir de um suporte magnetizável e um micro-organismo imobilizado sobre o mesmo. A conversão do substrato é efetuada pelo micro-organismo. Nesta realização, o agregado magnetizável é preferencialmente descarregado do biorreator com a mistura de produto e alimentado para um dispositivo de separação magnética. No dispositivo de separação magnética o agregado magnetizável é então separado da mistura do produto e pode ser opcionalmente reconduzido ao reator.

Geralmente, no método de acordo com a invenção, a câmara de reação é preenchida com a mistura de substrato e o substrato orgânico e/ou inorgânico convertido com o agregado magnetizável para uma mistura de produtos até se ter estabelecido um equilíbrio de reação. 0 equilíbrio pode ser estacionário ou também um equilíbrio dinâmico. Podem opcionalmente ser adicionados outros componentes de reação, por exemplo nutrientes, durante a conversão.

No inicio da reação, assim, quando o reator é carregado pela primeira vez ou novamente com substrato orgânico e/ou inorgânico, o agregado magnetizável pode já ser adicionado à mistura de substrato. Isto é preferido por exemplo em fermentações enzimáticas em que a enzima suportada já está adicionada à mistura de substrato no inicio da fermentação. Esta forma de realização também é preferida se um substrato orgânico for separado de uma mistura de produtos através do método de acordo com a invenção, assim o agregado magnetizável compreende um suporte magnetizável assim como uma molécula de captura imobilizada sobre o mesmo. Se forem utilizados micro-organismos como biocatalisadores, estes podem ser adicionados numa forma em que os micro-organismos relevantes já colonizaram o suporte ou também foram imobilizados artificialmente no suporte. Isto pode ocorrer, por exemplo, por imobilização dos micro-organismos por inclusão. Os micro-organismos estão encerrados numa camada de polímero que é depositada na superfície do suporte magnético. De acordo com uma forma de realização, utiliza-se um polímero para a imobilização dos micro-organismos.

De acordo com outra forma de realização, utiliza-se uma mistura de pelo menos dois polímeros para a imobilização dos micro-organismos. Um dos polímeros pode ser facilmente decomposto pelos micro-organismos. Na fase de colonização este polímero também serve como nutriente para os micro-organismos. A sua proporção na mistura de polímeros é escolhida preferencialmente na faixa de 10 a 40% em peso, em relação ao peso total da mistura de polímeros. Um polímero adequado é por exemplo poli-3-hidroxi-butirato. O segundo polímero é praticamente biodegradável. Ela serve sobretudo como substância estrutural. Preferencialmente, a sua proporção está compreendida entre 60 e 90% em peso relativamente ao peso total da mistura de polímeros. Um polímero adequadamente pouco biodegradável é por exemplo policaprolactona.

Contudo, de acordo com outra forma de realização, o procedimento é que o suporte magnetizável seja adicionado à mistura de substrato sem uma colonização prévia por micro-organismos e a mistura de substrato é semeada com o micro-organismo relevante ou com uma mistura relevante de micro-organismos. Para isso, podem ser adicionados, na fase de arranque, micro-organismos, por exemplo na forma de material de semente líquido ou sólido de outras unidades de fermentação.

Durante uma fase de arranque, os micro-organismos multiplicam-se, em que também o suporte magnetizável adicionado à mistura de substrato é colonizado pelos micro-organismos, com o resultado de que de acordo com a invenção se forma um agregado magnetizável. Opcionalmente durante a fase de arranque, pode ser adicionado substrato orgânico fresco e o substrato utilizado ou opcionalmente já a mistura de produto removida da câmara de reação. Durante a fase de arranque são monitorados regularmente parâmetros de processo adequados, tais como pH, temperatura, concentração do substrato, concentração intermediária, concentração do produto final ou grau de colonização do suporte magnetizável por micro-organismos, a fim de monitorizar a estabilidade da fermentação. Se estiver disponível uma quantidade suficiente de micro-organismos e se tiver estabelecido um equilíbrio estacionário na câmara de reação, o estado de funcionamento do biorreator foi atingido. Num modo de funcionamento contínuo, o substrato orgânico fresco é adicionado e o substrato utilizado, isto é, a mistura do produto, é descarregado da câmara de reação continuamente ou a intervalos de tempo.

Uma vez estabelecido o estado operacional no modo de funcionamento contínuo do reator, a mistura de substrato no sistema biocataliticamente ativo suportado, em particular pelo menos um micro-organismo, é continuamente convertida numa mistura de produto. Para isto, mistura de substrato fresco é continuamente alimentada para a câmara de reação e uma quantidade correspondente de mistura de produto removida da câmara de reação. A mistura de produto pode então ser posteriormente processada. A mistura do produto pode conter componentes sólidos, líquidos ou também gasosos. Uma mistura de produtos pode, por exemplo, ser uma solução ou suspensão em que o produto tenha acumulado.

No entanto, de acordo com uma forma de realização, a mistura de produtos pode também consistir numa solução ou suspensão bem como num componente gasoso. 0 componente gasoso é recolhido e regularmente descarregado da câmara de reação. Os componentes líquido e sólido podem ser descarregados da câmara de reação opcionalmente separadamente através de uma saída separada. Nesta realização o componente líquido ou sólido pode formar um resíduo de biodigestão, por exemplo, durante a produção de biogás, enquanto que o componente gasoso, por exemplo, um gás contendo metano, é obtido como outro componente do produto.

Durante o processamento da mistura de produtos, o agregado magnetizável de acordo com a invenção é separado da mistura de produto com um dispositivo de separação magnética. Todos os dispositivos de separação magnética conhecidos per se podem ser utilizados como dispositivo de separação magnética. Por exemplo, são adequados imanes permanentes que podem ser dispostos estacionários ou móveis dentro ou no dispositivo de separação. No entanto, da mesma forma, por exemplo, podem também ser utilizados eletroímanes. Os imanes estacionários recolhem o agregado magnetizável num local específico no dispositivo de separação, enquanto dispositivos de separação magnética dispostos de forma móvel podem transportar o agregado magnetizável após a separação, por exemplo para um local especifico, e recolher o mesmo lá. Para isso, por exemplo, um iman permanente pode ser deslocado ao longo de uma parede externa de um tubo de separação. Uma vez que o agregado magnetizável tenha sido separado da mistura de produtos com a ajuda do dispositivo de separação magnética, pode ser recolhido por exemplo desligando o dispositivo de separação magnética com o resultado de que o agregado magnetizável, por exemplo, é separado novamente de uma parede do dispositivo de separação magnética e, por exemplo, pode ser enxaguado e recolhido. 0 dispositivo de separação magnética pode ser disposto na própria câmara de reação, por exemplo como um iman em forma de bastonete encamisado. No entanto, é também possível proporcionar o dispositivo de separação para fora da câmara de reação e transferir a mistura de produto, por exemplo um digestor, da câmara de reação para o dispositivo de separação magnética. 0 dispositivo de separação magnética é preferencialmente localizado na saída do reator.

De acordo com a invenção ao passar pelo separador magnético, nem todos os agregados magnetizáveis são removidos da mistura do produto, com o resultado de que as perdas devem ser aceites. Em particular, quando se inicia o processo, os agregados magnetizáveis que são apenas fracamente magnetizáveis não são separados da mistura do produto pelo separador magnético. Isto pode, por exemplo, ser devido ao facto de as partículas do suporte magnetizáveis serem demasiado pequenas, com o resultado de que, a uma determinada viscosidade da mistura de produto e um dado fluxo de produto através do separador magnético, elas não são detectadas pelo separador magnético. Durante o arranque da conversão, portanto, uma seleção pode ter lugar dentro dos suportes ou agregados magnetizáveis com o resultado de que a distribuição de tamanhos dos suportes muda em comparação com o estado original.

No método de acordo com a invenção é utilizado um suporte especial no qual o componente ativo é imobilizado de modo a formar, de acordo com a invenção, um agregado magnetizável. Utilizando um suporte particulado, o agregado magnetizável pode ser distribuído homogeneamente na mistura de substrato. Isto torna possível uma execução eficiente do método, como, por exemplo, uma fermentação do substrato orgânico pode ter lugar uniformemente em toda a câmara de reação. 0 suporte particulado é feito de uma espuma sólida. A espuma sólida confere ao suporte uma elevada estabilidade mecânica, com o resultado de poder suportar também cargas mecânicas mais elevadas, como ocorre, por exemplo, se o método de acordo com a invenção for utilizado para produzir biogás. Pelo menos no núcleo do suporte a espuma sólida apresenta uma estrutura de poro fechado. Os poros fechados, que são cheios com gás, conferem flutuabilidade ao suporte magnetizável se for introduzido num meio líquido, em particular aquoso.

Devido ao núcleo feito de uma espuma de poro fechado, o suporte em partículas pode ser concebido relativamente grande sem o suporte magnetizável possuindo um peso específico elevado e, portanto, uma taxa de sedimentação elevada. De acordo com uma forma de realização, o suporte magnetizável tem um diâmetro de até 10 mm, de acordo com uma outra forma de realização, um diâmetro de até 5 mm, de acordo com uma outra forma de realização, um diâmetro de até 2 mm. O tamanho do suporte magnetizável pode ser ajustado com métodos habituais, por exemplo peneiração ou fracionamento por fluxo de ar. A fim de poder manipular bem o suporte magnetizável e, em particular, separá-lo novamente da mistura de processo dentro de tempos de processamento tecnicamente úteis, provou-se vantajoso se o diâmetro do suporte for escolhido para ser superior a 50 pm, de acordo com uma outra realização superior a 100 pm. Em particular, se forem utilizados micro-organismos como componente biologicamente ativo, o diâmetro do suporte magnetizável será preferencialmente escolhido de modo a ser pelo menos tão grande gue os micro-organismos possam crescer no suporte. De acordo com uma forma de realização, o diâmetro do suporte magnetizável é pelo menos 150 pm, de acordo com uma outra forma de realização pelo menos 200 pm. A dimensão do suporte magnetizável pode ser determinada, por exemplo, por peneiração.

Se o método de acordo com a invenção for utilizado para isolar um substrato orgânico e/ou inorgânico a partir de uma mistura de substrato por adsorção utilizando o agregado magnetizável, será preferido que o suporte magnetizável tenha um diâmetro relativamente pegueno, pelo que uma área superficial elevada é produzida sendo que o componente ativo é proporcionado na forma de uma molécula de captura que por sua vez pode entrar numa ligação não covalente com o substrato de modo a ligar o substrato ao agregado magnetizável. Nesta realização, o diâmetro médio D50 do suporte magnetizável é preferencialmente escolhido menor do que 500 pm, de acordo com uma outra forma de realização inferior a 300 pm. De modo a conseguir uma separação eficiente do agregado magnetizável do substrato ou mistura de produtos, o diâmetro do suporte magnetizável é preferencialmente selecionado superior a 0,5 pm, de acordo com uma forma de realização superior a 1 pm. De acordo com uma forma de realização, o diâmetro do suporte é inferior a 2 mm, de acordo com outra forma de realização inferior a 1 mm. O suporte particulado pode apresentar uma forma esférica. No entanto, é também possível dar ao suporte uma forma geométrica diferente, por exemplo a de um corpo tridimensional de forma irregular. O suporte tem poros fechados na espuma sólida, pelo menos no seu núcleo. A densidade do suporte pode ser ajustada, em particular reduzida, pela proporção de poros fechados no volume total do suporte magnetizável. Por conseguinte, não é necessário, como no caso dos métodos conhecidos a partir do estado da técnica, escolher as dimensões das partículas magnetizáveis para serem pequenas a fim de parar ou, pelo menos, retardar uma sedimentação do suporte. Devido aos poros fechados, a densidade do suporte durante a sua utilização na fermentação pode, no máximo, aumentar ligeiramente pela entrada de água. A densidade do suporte magnetizável é preferencialmente selecionada na faixa de 0,8 a 1,2 g / mL. A densidade aparente do grão do suporte magnetizável pode ser determinada de acordo com DIN V18004, 5.3 (EN1097-6: 2000). O tamanho dos poros pode, em princípio, ser escolhido como desejado. Preferencialmente, a dimensão dos poros é escolhida de tal modo que o suporte com o biocatalisador imobilizado sobre o mesmo não apresente uma inclinação substancial para sedimentação ou flutuação na mistura de substrato e seja assegurada a estabilidade mecânica do suporte. O suporte pode ter uma estrutura de espuma de poro fechado em todo o seu volume. Neste caso, o suporte magnetizável apresenta na sua superfície externa uma estrutura relativamente lisa com uma película substancialmente contínua. Contudo, de acordo com outra forma de realização, o suporte magnetizável apresenta uma estrutura de poros fechados apenas no seu núcleo ou apenas numa parte do seu volume. Assim, no interior do suporte magnetizável, o núcleo forma uma secção na qual a espuma sólida apresenta uma estrutura de poros fechados.

Como resultado da estrutura da espuma, apesar do seu baixo peso, o suporte magnetizável adquire uma elevada estabilidade mecânica. O suporte também suporta tensões mecânicas que, por exemplo, atuam sobre o suporte por forças de cisalhamento quando a mistura de substrato é movida ou durante a separação magnética. 0 suporte pode, portanto, ser utilizado durante um longo período de tempo no processo sem que ocorra desgaste substancial. De modo a manter um processo contínuo com o agregado magnetizável sendo reconduzido à câmara de reação, é suficiente para suplementar apenas a proporção do suporte ou do agregado magnetizável na mistura de substrato que é inevitavelmente perdida devido à separação magnética incompleta. A espuma sólida do suporte compreende uma fase contínua. A fase contínua é preferencialmente formada a partir de um reticulante. Como reticulante é empregue um material inorgânico, a saber, um vidro que pode formar uma estrutura contínua. 0 reticulante é sólido sob as condições, sob as quais a fermentação é realizada. 0 mesmo não mostra preferencialmente solubilidade na fase líquida, especialmente água, que está presente na mistura de substrato. As áreas magnetizáveis que de acordo com uma forma de realização formam uma fase descontinua são dispostas na fase contínua. As áreas magnetizáveis podem, por exemplo, ser formadas por partículas magnetizáveis que estão dispostas na fase contínua. As áreas magnetizáveis são preferencialmente rodeadas pela fase contínua com o resultado de que as áreas magnetizáveis ficam dispostas dentro da fase contínua. As áreas magnetizáveis podem deste modo ser impedidas de serem afetadas por processos de corrosão e, por exemplo, dissolvidas. Preferencialmente, o suporte não se destina a interagir com a mistura de substrato ou com o componente ativo, o que tem um efeito negativo no método, por exemplo, se o método for utilizado para uma fermentação e o componente ativo for formado por um micro-organismo ou uma enzima.

As áreas magnetizáveis ou as partículas magnetizáveis são preferencialmente distribuídas homogeneamente na fase contínua do reticulante. A extensão das áreas magnetizáveis é preferencialmente escolhida de modo a ser pequena. De acordo com uma forma de realização, as áreas magnetizáveis apresentam um diâmetro inferior a 500 pm. De acordo com uma forma de realização, o diâmetro das áreas magnetizáveis situa-se na faixa de 100 nm a 400 pm, de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 200 nm a 100 pm. Na aplicação prática demonstrou-se vantajoso se o tamanho das partículas magnéticas for escolhido numa faixa de 0,3 a 25 pm.

As áreas magnetizáveis também podem ser formadas por nanopartículas que apresentam preferencialmente propriedades superparamagnéticas. De acordo com uma forma de realização, o diâmetro das áreas magnetizáveis situa-se dentro de uma faixa de 1 nm a 500 pm, preferencialmente 1 nm a 100 pm. Para obter propriedades superparamagnéticas, o tamanho das partículas magnetizáveis é preferencialmente escolhido numa faixa de 1 a 10 nm. O tamanho de partícula das áreas magnetizáveis pode ser adequadamente determinado após a moagem dos materiais de partida. Depois de ser fundido no reticulante, em particular vidro, o diâmetro das partículas magnetizáveis pode ser determinado apenas com grande dificuldade.

Podem ser proporcionadas grandes quantidades de partículas magnetizáveis no suporte pela distribuição homogénea das áreas magnetizáveis no suporte de partículas. Por conseguinte, a uma intensidade de campo predeterminada, pode ser aplicada uma força maior ao suporte de partículas no separador magnético, com o resultado de que o biocatalisador suportado ou geralmente o agregado magnetizável podem ser separados mais rapidamente e deste modo mais completamente a partir da mistura de produto. A proporção das partículas magnetizáveis através das quais podem ser formadas áreas magnetizáveis na fase contínua da espuma sólida é preferencialmente escolhida numa faixa de 8 a 40% em peso, de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 15 a 30 em peso e de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 18 a 25% em peso, em relação ao peso do suporte. A proporção da fase continua, preferencialmente do reticulante, em particular a fase de vidro, é preferencialmente escolhida na faixa de 92 a 60% em peso, de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 85 a 70% em peso e de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 82 a 75% em peso. As proporções percentuais referem-se ao peso do suporte em partículas e correspondem substancialmente às proporções de partículas magnetizáveis e ao material da fase continua tal como utilizado na produção do suporte. A quantidade de agregado magnetizável proporcionada na mistura de substrato é escolhida dependendo das condições sob as quais o método de acordo com a invenção é realizado. Relativamente ao peso do substrato orgânico seco, a quantidade do agregado magnetizável de acordo com uma forma de realização é escolhida na faixa de 1 a 70% em peso, de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 1 a 20% % e de acordo com ainda outra forma de realização na faixa de 2 a 5%.

Como já explicado, a separação do agregado magnetizável da mistura de produto pode já ocorrer na câmara de reação. Este método pode ser aplicado, por exemplo, no método descontinuo, por exemplo em fermentações em lotes. Para isto, por exemplo, um dispositivo de separação magnética, por exemplo um iman em forma de bastonete encamisado, pode ser mergulhado na mistura de produto. Uma vez que o agregado magnetizável tenha se acumulado no dispositivo de separação magnética, o dispositivo de separação com o agregado magnetizável aderente é removido da mistura de produto novamente.

Contudo, de acordo com uma forma de realização preferida, é previsto que a mistura de produto seja transferida da câmara de reação para um dispositivo de separação magnética no qual o agregado magnetizável é então separado da mistura de produto. Uma tal realização é vantajosa em particular se o método for realizado num modo de operação continuo. Uma quantidade especifica da mistura de produto é descarregada da câmara de reação e alimentada ao dispositivo de separação magnética. A descarga pode ocorrer em porções ou num fluxo de produto constante. Por exemplo, um tubo através do qual a mistura de produto é passada pode ser previsto como dispositivo de separação magnética. Por exemplo, um iman em forma de barra em que o agregado magnetizável se acumula pode ser proporcionado no interior do tubo. No entanto, também é possível dispor imãs na parede externa do tubo com o resultado de que o agregado magnetizável precipita na parede interna do dispositivo de separação magnética. A forma do dispositivo de separação magnética, bem como a resistência dos imanes utilizados, são selecionadas de modo a que seja conseguido o máximo possível uma taxa de separação do agregado magnetizável. De acordo com uma forma de realização, mais de 60% em peso, de acordo com uma outra forma de realização mais de 80% em peso e de acordo com ainda outra forma de realização mais de 90% em peso e de acordo com ainda outra realização mais de 98% do agregado magnetizável contido na mistura do produto são separados no dispositivo de separação magnética. As percentagens referem-se a uma única passagem do substrato através do dispositivo de separação magnética. Uma separação completa do agregado magnetizável ou do biocatalisador suportado é difícil de ser obtida quando se realiza o método numa escala industrial. Depois de passar através do dispositivo de separação magnética, preferencialmente menos de 1% em peso, de acordo com uma outra forma de realização inferior a 0,5% em peso e de acordo com ainda outra forma de realização menos de 0,1% em peso do agregado magnetizável originalmente contido na mistura do produto após a descarga permanece na mistura do produto. 0 agregado magnetizável separado da mistura do produto pode ser recuperado e opcionalmente utilizado em outro método, por exemplo, uma fermentação adicional.

De acordo com uma forma de realização preferida, o agregado magnetizável separado da mistura do produto é reconduzido à câmara de reação. Desta forma, em particular com fermentações continuas, a quantidade estacionária de sistema biocataliticamente ativo, em particular micro-organismos, pode ser aumentada na câmara de reação do reator. A carga do reator, isto é, o rendimento do substrato orgânico e, assim, o rendimento do produto, podem também ser aumentados. Isto é vantajoso, em particular, se os micro-organismos de crescimento lento forem utilizados como componente ativo do agregado magnetizável.

De acordo com uma forma de realização, os micro-organismos utilizados como componente biologicamente ativo apresenta um tempo de geração de mais de 8 horas, de acordo com uma outra forma de realização mais de 24 horas. Por tempo de geração entende-se o período dentro do qual as células se dividem uma vez sob condições ideais de crescimento, isto é, dentro das quais o número de células duplica. Os tempos de geração dependem muito das condições de reação e podem se multiplicar em condições desfavoráveis. Micro-organismos de crescimento rápido como, por exemplo, E. coli tem um tempo de geração de apenas 20 minutos em condições ideais de crescimento. Micro-organismos de crescimento lento, por exemplo alguns agentes nitrificantes, têm tempos de geração de 8-24 h sob condições de crescimento ideais. Em condições não ideais, por exemplo, as temperaturas invernais em plantas de purificação de águas residuais, os tempos de geração podem aumentar para> 18 d. micro-organismos de crescimento lento, como a maioria das bactérias do gás metano ou as chamadas bactérias anammox, podem ter tempos de geração ainda mais longos. Assim, por exemplo, bactéria Methanosaeta sp. tem tempos de geração de 1-3 d mesmo em condições de crescimento ideais. Em condições subideais, estes tempos de geração podem aumentar para 20 dias ou até mais.

Todos os métodos disponíveis podem ser utilizados para retornar o agregado magnetizável separado para a câmara de reação. O retorno pode ser realizado continuamente ou em porções, por exemplo, primeiro recolhendo uma quantidade específica de agregado magnetizável e depois devolvendo-o à câmara de reação. O retorno pode ser automatizado. No entanto, também é possível realizar o retorno manualmente. As vantagens do método de acordo com a invenção são evidentes em particular nas fermentações com micro-organismos de crescimento lento.

As vantagens do método de acordo com a invenção se mostram especialmente em fermentações com micro-organismos de crescimento lento.

De acordo com uma forma de realização preferida, os micro-organismos são utilizados como componente ativo do agregado magnetizável. Os micro-organismos são preferencialmente proporcionados na forma de um biofilme no suporte magnetizável. Forma-se um biofilme no suporte durante a fase de arranque do reator. Ao iniciar o reator, em primeiro lugar, uma colonização do suporte magnetizável ocorre através de micro-organismos que, por maior crescimento, formam colónias individuais que podem então se fundir à medida que o processo continua e podem formar um biofilme contínuo no suporte. Devido à alta densidade de micro-organismos, os biofilmes, em particular, se os mesmos estiverem dispostos em suportes particulados, biocatalisadores são muito eficientes para fermentações.

No método de acordo com a invenção, é utilizado um suporte magnetizável especial, pelo menos o núcleo do qual é construído com uma espuma sólida de poro fechado. Como já foi explicado, em principio, todos os materiais com a capacidade de formar uma estrutura de rede continua, preferencialmente tipo vidro, podem ser utilizados como fase continua da espuma sólida. Devido à sua alta estabilidade mecânica e à facilidade habitual de disponibilidade das matérias-primas, é preferido se a fase continua do suporte particulado for formada a partir de um material inorgânico. É, por sua vez, particularmente preferido aqui se o material inorgânico for um vidro, em particular um vidro de silicato.

Os vidros estão disponíveis em diferentes composições e qualidades. Contudo, como, por exemplo, em fermentações, geralmente não existem condições de reação agressivas, podem ser utilizados vidros adequados que, por exemplo, apresentam um alto teor de metal alcalino, em particular de sódio. Tais vidros também são chamados de vidros sódicos e são utilizados, por exemplo, para produzir recipientes de vidro e vidro plano. De acordo com uma realização, em particular o suporte pode compreender uma fase de vidro continua que é produzida a partir de vidro reciclado. Outros constituintes que, por exemplo, são introduzidos através do vidro reciclado podem assim também ser contidos no vidro, para além dos constituintes habituais tais como S1O2, Na20, K2O, CaO. Exemplos de componentes são B2O3, AI2O3 ou óxidos de ferro e manganês. Estes outros constituintes estão preferencialmente contidos na fase contínua numa proporção inferior a 10% em peso, de acordo com uma outra forma de realização numa proporção inferior a 8% em peso, em relação à fase de vidro.

No método de acordo com a invenção, o agregado magnetizável é separado da mistura do produto por meio de um dispositivo de separação magnética. Para tornar o procedimento adequado para processos comerciais, a separação deve ser realizada dentro de um período de tempo razoavelmente curto. Para isso, o dispositivo de separação magnética deve poder exercer uma força suficientemente alta sobre o suporte de modo que este possa ser transportado a uma velocidade suficientemente alta na mistura do produto para o local desejado. De acordo com uma forma de realização, é previsto que o suporte particulado tenha uma suscetibilidade de massa magnética na faixa de 5 χ 10-9 a 3, 7 x 10-7 m3 / kg.

Para evitar uma aglomeração do agregado magnetizável sem a influência de um campo magnético externo, materiais que, após desligar um campo magnético externo, exibem apenas um magnetismo residual baixo, preferencialmente utilizados para as áreas magnetizáveis. 0 magnetismo residual pode ser lido a partir da chamada curva de magnetização. Um material é exposto a um campo magnético externo e o mesmo próprio é magnetizado em maior ou menor grau. Ao reduzir a força do campo, a partir da saturação magnética, para o valor de zero, permanece uma magnetização residual. Isso é medido em militesla (mT) . 0 magnetismo residual então desaparece completamente se uma força magnética que se encontra em oposição ao campo original for aplicada ao material com força de campo Hc (força de campo coerciva).

De acordo com uma primeira realização, as áreas magnetizáveis no suporte magnetizável em partículas são formadas por uma substância superparamagnética. Depois de desligar um campo magnético externo, uma substância superparamagnética não exibe mais nenhum magnetismo residual. Uma substância superparamagnética adequada é, por exemplo, a magnetite na forma de nanopartículas.

De acordo com uma outra forma de realização, as áreas magnetizáveis são formadas por um material ferrimagnético. Depois de desligar um campo magnético externo, os materiais ferrimagnéticos exibem apenas um magnetismo residual baixo. Os materiais ferrimagnéticos adequados são, por exemplo, ferrite, ferrites e maghemite. 0 método de acordo com a invenção mostra as suas vantagens, em particular, se forem utilizados micro-organismos de crescimento lento como componente ativo do agregado magnetizável. Por razões termodinâmicas, os micro-organismos anaeróbicos apresentam apenas um crescimento relativamente lento. De acordo com uma forma de realização, o componente ativo do agregado magnetizável é, portanto, formado por uma cultura pura de uma espécie de micro-organismo, por uma cultura mista definida de várias espécies de micro-organismos, ou por uma biocenose mista de micro-organismos que crescem anaerobicamente. De acordo com uma forma de realização, é então previsto que a conversão da mistura de substrato seja realizada no agregado magnetizável, que compreende, como componente ativo micro-organismos que crescem anaerobicamente, para uma mistura de produto sob condições anaeróbicas. São obtidos resultados particularmente bons, isto é, um alto rendimento do produto, bem como um alto rendimento do substrato, se o agregado magnetizável separado, em que o componente ativo é formado por pelo menos um micro-organismo com crescimento anaeróbico, for reconduzido à câmara de reação já que desta forma no caso de micro-organismos anaeróbicos, a concentração estacionária pode ser acentuada.

De acordo com uma forma de realização preferida, os micro-organismos são bactérias metanogénicas. Exemplos de bactérias metanogénicas são Methanosaeta concilii, Methanosarcina barkeri, Methanosphaera stadtmanae, Methanobrevibacter ruminantium, Methanobacterium formicicum, Methanococcus voltae, bem como Methanoculleus palmolei. A lista não deve ser vista como exclusiva.

As bactérias metanogénicas são utilizadas, por exemplo, para produzir biogás. De acordo com uma realização particularmente preferida, o método de acordo com a invenção é, portanto, configurado como um método para a produção de biogás.

Se o método de acordo com a invenção for utilizado para produzir biogás, os reatores conhecidos per se poderão ser utilizados para produzir biogás, em gue estes reatores são providos de um dispositivo de separação magnética com o gual os micro-organismos imobilizados no suporte magnetizável podem ser removidos do resíduo de biodigestão. Um fermentador adequado é descrito, por exemplo, no documento de patente DE 10 2005 024 886 B3 ou WO 2007/093138 A2.

Os materiais habituais, por exemplo, resíduos biológicos, resíduos de poda em verde, resíduos comerciais, resíduos alimentares, resíduos agrícolas, resíduos de cozinha, resíduos orgânicos ou matérias-primas renováveis e materiais similares podem ser utilizados como substrato orgânico. A mistura de substrato pode ter um elevado teor de água. De acordo com uma forma de realização, o teor de água da mistura de substrato é escolhido na faixa de 50 a 99% em peso, de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 60 a 95% em peso. O tempo de permanência do substrato orgânico na câmara de reação depende do tipo de substrato orgânico utilizado e das condições de reação no fermentador e pode ser de entre algumas horas, por exemplo, 2 horas e vários dias, por exemplo, até 40 dias, e em alguns casos também até vários meses, por exemplo, até três meses.

Se o método for desenvolvido, por exemplo, como um método para a produção de biogás, de acordo com uma forma de realização, o tempo de permanência do substrato orgânico na câmara de reação poderá ser escolhido na faixa de 3 a 28 dias.

O rendimento de substrato orgânico na câmara de reação é ajustado, de acordo com uma forma de realização, na faixa de 1 a 10 kg de substância seca orgânica / dia m3. A produção de substrato orgânico é limitada, em principio, apenas pelas condições especificas da planta, de modo que são possíveis rendimentos mais elevados. 0 método pode ser realizado num único reator. No entanto, também é possível conectar vários reatores em série e operar o método em várias etapas. As diferentes etapas do método podem então ser otimizadas para parâmetros específicos. Assim, na produção de biogás é possível uma realização em que o substrato orgânico é decomposto numa primeira etapa de reação e o substrato orgânico decomposto é então fermentado numa segunda etapa, sendo produzido o biogás. 0 gás de fermentação produzido durante a produção de biogás contém substancialmente dióxido de carbono, metano, hidrogénio e sulfato de hidrogénio. 0 oxigénio, quando entra na câmara de reação, é rapidamente consumido.

Se o método de acordo com a invenção for concebido como um método de fermentação para a produção de biogás, a temperatura do processo na câmara de reação será escolhida, de acordo com uma forma de realização, entre 30 e 70 °C, de acordo com uma outra forma de realização na faixa de 35 a 42 °C ou 50 a 65 °C. As bactérias metanogénicas mesofílicas ou termofílicas têm sua faixa preferencialmente nessas faixas. 0 valor de pH na câmara de reação pode se situar entre 3,5 e 8,5 localmente. Para alcançar uma alta taxa de formação de metano, é vantajoso estabelecer um pH neutro na câmara de reação durante a produção de biogás. O pH da mistura de substrato na câmara de reação é preferencialmente ajustado na faixa de 6,5 a 8,0. A razão C / N do substrato orgânico utilizado na produção de biogás é escolhida, de acordo com uma forma de realização, superior a 20: 1, de acordo com uma forma de realização superior a 30: 1 e de acordo com uma outra forma de realização superior a 40: 1. 0 substrato orgânico pode ser introduzido na câmara de reação utilizando dispositivos usuais. Por exemplo, o substrato orgânico pode ser introduzido na câmara de reação utilizando um transportador hermético a líquidos. 0 substrato orgânico pode, por exemplo, ser introduzido na câmara de reação através de um canal a partir de um reservatório de substrato utilizando um transportador helicoidal estanque aos líquidos. No entanto, o substrato orgânico também pode ser alimentado utilizando um aparelho de transporte não-estanque aos líquidos.

Para poder separar o agregado magnetizável tão completamente quanto possível da mistura de produto que é formada por um resíduo de biodigestão no caso da produção de biogás, é preferido que a mistura do produto tenha um elevado teor de água. Isso possibilita uma mobilidade suficiente do agregado magnetizável na mistura do produto e, portanto, uma rápida separação. A mistura de produto apresenta preferencialmente um teor de água superior a 50% em peso, de acordo com uma forma de realização um teor de água na faixa de 70 a 99% em peso. A mistura de produto descarregada da câmara de reação pode opcionalmente ser diluída com água. A mistura do produto pode ser descarregada da câmara de reação utilizando métodos e dispositivos habituais. Um dispositivo adequado é, por exemplo, um transportador helicoidal estanque aos líquidos. Após a separação do agregado magnetizável, a mistura do produto restante pode ser pressionada e a fase liquida volta completamente ou parcialmente para a câmara de reação novamente. A concentração estacionária de micro-organismos pode assim aumentar ainda mais.

Os gases de fermentação que se formam durante a produção de biogás podem ser retirados na cabeça da câmara de reação. O biogás pode então ser processado de maneira habitual, por exemplo, separando compostos sulfurosos. A fim de facilitar a quebra do substrato orgânico, enzimas, por exemplo, podem ser adicionadas à mistura do substrato. Exemplos de enzimas são celulases, hemicelulases, lipases, proteases e/ou amilases.

Durante a produção de biogás, são utilizados materiais preferenciais de baixo custo. Os tampões baseados em cal ou amónia, por exemplo, podem ser utilizados como tampões de oxigénio. 0 níquel, o cobalto, o molibdénio, o selénio e/ou o tungsténio podem ser adicionados à mistura de substrato como oligoelementos. As bactérias de metano, em particular, possuem uma elevada demanda para os oligoelementos. 0 agregado magnetizável utilizado no método de acordo com a invenção pode ser utilizado em várias aplicações. Pode, como descrito acima, ser utilizado para imobilizar um sistema biocataliticamente ativo, por exemplo, uma enzima ou um micro-organismo, tal como, por exemplo, uma enzima ou um micro-organismo. Uma monocultura, uma cultura mista definida ou uma biocenose mista de espécies de bactérias, espécies de fungos ou células de cultura de células. No entanto, o agregado magnetizável também pode ser utilizado, por exemplo, para separar substâncias específicas de uma mistura pelo facto de o composto em questão ser adsorvido pelo componente ativo no agregado magnetizável. Pode ser uma adsorção direta ou uma ligação indireta. 0 suporte particulado magnetizável pode ter sido revestido antecipadamente, por exemplo no caso das seguintes substâncias como componente ativo: estreptavidina, avidina, proteína A, imunoglobulinas (IgGs) ou a superfície da partícula podem ter sido previamente modificadas com grupos -NH2 ou -COOH. Do mesmo modo, sondas de genes ou outras moléculas de captura podem ser anexadas à superfície da partícula. 0 objeto da invenção é, portanto, também um agregado magnetizável, que compreende um suporte magnetizável em partículas feito de uma espuma sólida com uma fase contínua, que é preferencialmente construída a partir de um reticulante e que envolve poros da espuma sólida, em que áreas magnetizáveis estão dispostas na fase contínua, em que a espuma é poro fechado pelo menos no núcleo do suporte magnetizável, e em que também pelo menos um componente ativo é imobilizado na superfície do suporte magnetizável em partículas.

As propriedades e a estrutura do suporte magnetizável particulado já foram descritas acima em parte na descrição do método. 0 suporte magnetizável particulado consiste numa espuma sólida em que os poros da espuma sólida são rodeados por uma fase contínua. A fase contínua é preferencialmente formada a partir de um reticulante. 0 reticulante é preferencialmente proporcionado por um vidro, em particular um vidro de silicato. Por exemplo, vidro de quartzo, vidro de boro ou também um vidro contendo óxido de alumínio pode ser utilizado como um vidro. No entanto, em particular para utilização em sistemas de biotecnologia, por exemplo, a fermentação acima descrita, podem ser utilizados vidros de baixo custo, por exemplo, vidro soda ou vidro reciclado moído. Os vidros preferencialmente contêm dióxido de silício como seu principal constituinte. Um exemplo de um vidro apresenta uma composição de 68,5 a 75% em peso de Si02, 10 a 14% em peso de Na20, 6 a 11% em peso de CaO. Como outro constituinte, pode conter, por exemplo, AI2O3 numa razão de 1,5 a 3% em peso, K2O numa razão de até 2,5% em peso, MgO numa razão de 0,5 a 4% em peso, como BaO numa razão de até 3% em peso. Outros constituintes que podem ser introduzidos, por exemplo, pelo vidro reciclado como impurezas são, de acordo com uma forma de realização, contidos numa razão inferior a 2% em peso, de acordo com uma outra forma de realização numa razão inferior a 1% em peso. Tais impurezas são, por exemplo, óxido de ferro ou óxido de titânio. A razão do vidro ou da fase continua sobre o suporte magnetizável em partículas é preferencialmente escolhida na faixa de 70 a 85% em peso. A razão das partículas magnetizáveis a partir da qual as áreas magnetizáveis do suporte particulado são formadas é preferencialmente escolhida na faixa de 15 a 30% em peso. O suporte magnetizável apresenta um núcleo feito de uma espuma de poro fechado. O núcleo preferencialmente ocupa pelo menos metade, de acordo com uma outra forma de realização, pelo menos, dois terços do volume total do suporte magnetizável. O núcleo pode ser organizado centralmente no centro do suporte magnetizável. No entanto, também é possível que o centro do núcleo seja deslocado em relação ao centro do suporte magnetizável.

De acordo com uma forma de realização, o suporte particulado tem uma película contínua na sua superfície, com o resultado de que os poros dispostos no interior do suporte particulado sejam fechados. O suporte particulado apresenta, preferencialmente, uma baixa capacidade de absorção de água. A capacidade de absorção de água do suporte em partículas, determinada de acordo com a norma DIN EN 13055 / DIN V 18004 5.3 e adicionalmente com a norma EN1097-6: 2000 é preferencialmente de 0 a 50% em peso, de acordo com uma forma de realização inferior a 35% em peso e de acordo com uma outra forma de realização menos de 10% em peso.

De acordo com uma forma de realização, o suporte particulado de acordo com a invenção está presente na forma de partículas aproximadamente esféricas. Detalhes acima do diâmetro do suporte magnetizável já foram mostrados acima. De acordo com uma outra forma de realização, o diâmetro do suporte, medido como tamanho médio de partícula, situa-se na faixa de 0,5 pm a 5 mm, de acordo com uma forma de realização na faixa de 100 pm a 2 mm. Por um tamanho médio de partícula entende-se o tamanho de partícula D50 do volume, em que 50% das partículas apresenta um diâmetro maior do que D5o e 50% das partículas apresenta um diâmetro menor do que D50. O tamanho médio de partícula D50 pode ser determinado, por exemplo, por análise granulométrica por peneiração. Métodos adequados são mostrados, por exemplo, na norma DIN 66165-1 e -2. Alternativamente, o tamanho médio de partícula pode ser medido por meio de difração a laser. Métodos adequados são descritos na norma ISO 13320: 2009.

Pelo menos as secções do suporte particulado apresentam preferencialmente uma superfície de forma irregular. Isto torna mais fácil para os micro-organismos crescerem na superfície do suporte magnetizável particulado. Uma tal superfície irregular pode ser produzida, por exemplo, por trituração cuidadosa do suporte particulado após a formação de espuma, com o resultado de que o suporte espumado magnetizável é quebrado. Em superfícies de fratura são então obtidos poros quebrados. Com uma tal realização, pelo menos as secções da superfície do suporte magnetizável particulado apresentam nervuras afiadas, bem como depressões resultantes dos poros abertos quebrados. Tal estrutura pode, por exemplo, ser estabelecida com a ajuda de um microscópio de luz refletida ou de um microscópio eletrónico por varrimento. O suporte magnetizável particulado contido no agregado magnetizável de acordo com a invenção apresenta preferencialmente uma densidade aparente na faixa de 100 a 1000 kg/m3, de acordo com uma forma de realização uma densidade aparente na faixa de 200 a 800 kg/m3 e de acordo com uma forma de realização adicional uma densidade aparente de 300 a 600 kg/m3. A densidade aparente pode ser determinada de acordo com a norma DIN EN 13055-1.

De acordo com outra forma de realização preferida, o suporte específico para uma densidade aparente do grão inferior a 2000 kg/m3, preferencialmente uma densidade aparente do grão na faixa de 300 a 1500 kg/m3 e de acordo com uma outra forma de realização uma densidade aparente do grão faixa de 600 a 1000 kg / m3 a. A densidade aparentada da parte e do quociente da massa do suporte magnetizável particulado seco e o volume do suporte particulado saturado com água. Ela é determinada de acordo com a norma DIN EN 13055-1 e DIN V 18004, 5.2.

Se a densidade aparente de grão estiver definida nesta faixa, uma sedimentação ou flutuação do suporte magnetizável particulado, que é opcionalmente provido de um biofilme imobilizado sobre o mesmo, poderá ser vantajosamente efetivamente suprimido.

De acordo com uma forma de realização, o suporte de acordo com a invenção apresenta uma temperatura de transformação inferior a 800 °C, em particular uma faixa de 500 a 750 °C. A temperatura de transformação é a temperatura à qual o vidro passa da faixa plástica para o estado rigido durante o arrefecimento.

As partículas pequenas, preferencialmente predominantemente cristalinas de um material magnetizável, são encerradas na fase contínua, preferencialmente formada a partir do reticulante, em particular a fase de vidro, do suporte magnetizável particulado. As partículas magnetizáveis apresentam preferencialmente um diâmetro inferior a 500 pm, de acordo com uma forma de realização com um diâmetro na faixa de 1 nm a 400 pm, de acordo com uma outra forma de realização um diâmetro na faixa de 10 nm a 100 pm.

As partículas magnetizáveis são preferencialmente distribuídas de forma homogénea na fase contínua da espuma sólida.

De acordo com uma outra forma de realização, são utilizadas partículas muito pequenas do material magnetizável. A utilização de partículas muito pequenas com um diâmetro inferior a 500 nm, de acordo com uma forma de realização inferior a 100 nm, de acordo com uma outra forma de realização inferior a 10 nm, também permite produzir, por exemplo, partículas superparamagnéticas. De acordo com uma forma de realização, as nanopartículas são utilizadas para proporcionar os intervalos magnetizáveis. Nesta forma de realização, as partículas para as faixas magnetizáveis preferencialmente apresentam um diâmetro de partícula na faixa de 1 nm a 10 nm.

Os dados sobre o tamanho de partícula referem-se ao diâmetro médio de tamanho de partícula D5o. Em princípio, a largura da distribuição de tamanho de partícula não tem influência significativa sobre as propriedades do suporte magnetizável ou agregado magnetizável. A distribuição de tamanho de partícula é preferencialmente ajustada de modo que as partículas magnetizáveis sejam completamente incluídas pela fase contínua do suporte magnetizável.

No caso de partículas maiores (> 100 pm) , a distribuição do tamanho da partícula pode ser determinada, por exemplo, por meio da análise granulométrica por peneiração. No caso de partículas menores, o diâmetro médio das partículas pode ser medido por difractometria a laser. Para determinar o diâmetro da partícula, parte-se do facto de o tamanho de partícula das partículas magnetizáveis não mudar mais durante a formação de espuma do material granular.

As partículas do material magnetizável são de preferência completamente fechadas na fase contínua, com o resultado de que a corrosão das partículas magnetizáveis, bem como as interações entre as partículas magnetizáveis e um meio circundante, por exemplo, um biofilme, sejam suprimidas.

De acordo com uma forma de realização, os óxidos metálicos superparamagnéticos ou os óxidos metálicos ferrimagnéticos são utilizados como materiais magnetizáveis. Materiais adequados para as partículas magnetizáveis são, por exemplo, magnetite, maghemite e ferrite.

Os materiais ferrimagnéticos gue mantêm a magnetização após o campo magnético externo ser desligado são materiais magneticamente rígidos. A nível atómico, o ferrimagnetismo é caracterizado por dois vetores magnéticos opostos de diferentes tamanhos, que têm origem na estrutura de espinela desses materiais oxídicos.

Tanto a magnetite (Fe304) como o Y~Fe203 são materiais ferrimagnéticos. Estes podem ser distinguidos de materiais ferromagnéticos pela estrutura de espinela e a química oxidante.

Os materiais ferrimagnéticos macios são particularmente preferidos para produzir o suporte magnetizável particulado, na medida em que perdem em grande parte a magnetização depois que o campo magnético é desligado e assim não formam aglomerados.

De acordo com uma outra forma de realização, são utilizados materiais superparamagnéticos, tais como, por exemplo, Y-Fe2C>3, moídos até a nanoescala. Os materiais superparamagnéticos não exibem mais histerese.

De acordo com a invenção, um componente ativo é imobilizado no suporte magnetizável particulado. 0 que se entende por um componente ativo já foi explicado acima.

De acordo com uma forma de realização preferida, o componente ativo é um sistema biocataliticamente ativo. Tal sistema biocataliticamente ativo pode, por exemplo, ser uma enzima, um micro-organismo ou uma célula de cultura de células ou também ser formado por constituintes de células, por exemplo, vesículas.

Micro-organismos adequados podem ser, por exemplo, eubactérias, arqueobactérias ou fungos. Os micro-organismos podem, em cada caso, ser fornecidos como monoculturas, culturas misturadas definidas ou biocenose misturadas. Os mesmos também podem ser células de células de culturas celulares. De acordo com uma realização particularmente preferida, os micro-organismos estão na forma de um biofilme imobilizado no material de suporte magnetizável em partículas. 0 biofilme de particular preferência inclui várias espécies de micro-organismos.

De acordo com uma outra forma de realização, as moléculas de captura podem ser dispostas na superfície do suporte magnetizável como componente ativo do agregado magnetizável. Por uma molécula de captura entende-se compostos que podem adsorver seletivamente outros compostos, que por exemplo possuem grupos de uma estrutura específica. As moléculas de captura podem ser compostos que apresentam um peso molecular relativamente baixo, preferencialmente um peso molecular inferior a 100 000 g / mol, de acordo com uma outra forma de realização inferior a 10 000 g / mol, de acordo com uma outra forma de realização inferior a 5.000 g / mol, de acordo com ainda uma outra forma de realização inferior a 1000 g / mol. Exemplos de moléculas de captura com um peso molecular relativamente baixo são, por exemplo, sondas de ADN ou sondas de ARN.

Contudo, os compostos ou agregados com um peso molecular mais elevado também podem ser utilizados como moléculas de captura. As moléculas poliméricas com grupos que podem formar ligações iónicas ou dipolares são adequadas, por exemplo. A polietilenoimina é um exemplo de um polímero.

Contudo, os péptidos ou proteínas com um peso molecular mais elevado também podem ser utilizados como moléculas de captura, por exemplo, anticorpos que foram produzidos com métodos convencionais para combater um antigênio específico. A ligação entre a molécula de captura e o substrato orgânico e/ou inorgânico adsorvido pode, por exemplo, resultar de interações iónicas ou dipolares. Para isso, podem ser proporcionados grupos de afinidade adequados que podem formar ligações iónicas ou dipolares na molécula de captura. Grupos amino, grupos hidroxi, grupos carbóxi, grupos carbamida ou também grupos heteroaromáticos são exemplos de grupos de afinidade.

Os seguintes são, por exemplo, adequados como moléculas de captura: sondas de captura de ADN, sondas de captura de ARN, anticorpos (IgG), proteína A, avidina, estreptavidina ou proteínas com cadeias de histidina longas.

As moléculas de captura são adequadas para adsorver, por exemplo, ADN, ARN, aminoácidos, péptidos, proteínas, carboidratos, gorduras ou substâncias com uma estrutura complexa tal como por exemplo lipoproteínas. Tais compostos podem então ser acumulados com o agregado magnetizável de acordo com a invenção, por exemplo, a partir de líquidos biológicos. Do mesmo modo, o suporte magnetizável que foi modificado em superfície com moléculas de captura adequadas pode ser utilizado para separar seletivamente compostos específicos, por exemplo, proteínas, péptidos, antibióticos, substâncias farmaceuticamente ativas, moléculas específicas de ADN alvo, moléculas específicas de ARN alvo, substâncias de sinalização, hormonas, fatores de crescimento, etc., de misturas de produtos produzidas biotecnologicamente.

De acordo com um aspecto adicional, a invenção refere-se a um método para produzir um tal agregado magnetizável, em que um molde de rede, um material magnetizável e um agente de expansão são processados para formar um material granular, o material granular é soprado para formar um suporte magnetizável particulado e um componente ativo é imobilizado no suporte particulado magnetizável. 0 suporte magnetizável em partículas é produzido de acordo com métodos já conhecidos para a produção de material granular de vidro celular. Essencialmente, no caso da produção do suporte magnetizável particulado podem ser seguidos métodos como descrito, por exemplo, nos documentos publicados DE 10 2004 012 598 Al, EP 2 022 768 A2 e WO 2006/092153 Al, em que partículas magnetizáveis são adicionalmente incorporadas.

Surpreendentemente, verificou-se que, apesar das temperaturas que prevalecem durante a formação de espuma do material granular, bem como as etapas do processo, como por exemplo uma moagem do produto de partida, as propriedades magnéticas do material magnetizável são mantidas, com o resultado de que, mesmo após a formação de espuma, o suporte particulado apresenta propriedades magnéticas e, por exemplo, é atraído por um campo magnético.

Um reticulante, em particular um pó de vidro, e um material magnetizável, por exemplo, um pigmento magnético, que são apresentados sob a forma de pós são preferencialmente utilizados como material de partida. Quando, por exemplo, o pó de vidro é utilizado como reticulante, o pó de vidro ou o material magnetizável podem ser moídos de forma correspondente finamente. Os componentes podem ser moidos individualmente ou em conjunto. Após a moagem, o pó de vidro e, opcionalmente, o material magnetizável apresentam preferencialmente um tamanho médio de partícula D50 inferior a 500 pm, de acordo com uma forma de realização com um diâmetro na faixa de 1 nm a 400 pm, de acordo com uma outra forma de realização um diâmetro na faixa de 10 nm a 100 pm.

Preferencialmente, pelo menos uma parte do pó de vidro é moído por via húmida. O material magnetizável pode ser seco ou molhado. Isso permite obter tamanhos de partículas muito pequenas. Após a moagem, as partículas de pó de vidro e o material magnetizável preferencialmente apresentam um diâmetro médio D50 na faixa de 1 nm a 200 pm, de acordo com uma forma de realização numa faixa de 10 nm a 100 pm. O pó de vidro e o material magnetizável podem ser moídos juntos ou separadamente. O vidro, opcionalmente com material magnetizável adicionado, é, preferencialmente, moído por via húmida por várias horas. A quantidade total de vidro ou apenas uma proporção do vidro pode ser triturada finamente. Se apenas uma parte do vidro for triturada finamente, o pó de vidro finamente moido será misturado com um pó de vidro mais grosseiramente moido antes da granulação. A superfície do vidro é quebrada pela moagem húmida, o que possibilita uma melhor coesão mecânica do material granulado soprado. A moagem húmida é preferencialmente realizada durante um período de pelo menos 3 horas, preferencialmente 4 a 8 horas. 0 material magnetizável já pode ser adicionado ao pó de vidro antes da moagem húmida. No entanto, também é possível primeiro moer o pó de vidro para um tamanho de partícula específico de antemão, depois adicionar o material opcionalmente pré-moído e magnetizável, e depois para moer a mistura para a finura desejada.

De acordo com uma forma de realização do método, o vidro de água de vidro pode ser adicionado ao pó de vidro durante a moagem húmida. A superfície do pó de vidro é assim parcialmente dissolvida em parte, com o resultado de uma melhor ligação das partículas de vidro e, assim, um aumento da estabilidade mecânica do material granular. 0 pó de vidro e os materiais magnetizáveis são preferencialmente utilizados numa proporção de 60 a 90% em peso de pó de vidro, bem como 10 a 40% em peso de material magnetizável, de acordo com uma outra forma de realização numa razão de 70 a 85% em peso. -% de pó de vidro, bem como 15 a 30% em peso de material magnetizável, bem como de acordo com ainda uma outra forma de realização numa razão de 75 a 82% em peso de pó de vidro, bem como de 18 a 25% em peso de material magnetizável, em relação ao peso da mistura de pó de vidro e material magnetizável.

Um agente de expansão, bem como, opcionalmente, um agente de ligação são preferencialmente adicionados à mistura de pó de vidro e material magnetizável. Os agentes de expansão adequados são, por exemplo, açúcar, dióxido de manganês, refrigerante, nitrato de sódio ou nitreto de silício. A guantidade de agente de expansão é escolhida de acordo com o grau desejado de formação de espuma. Os agentes de ligação inorgânicos, por exemplo vidro de água e/ou agentes de ligação orgânicos, por exemplo, açúcar ou resinas podem ser utilizados como agentes de ligação. A estabilidade mecânica do material granulado não espumado pode ser aumentada pelo agente de ligação.

Esta mistura é então processada formando um material granular através de métodos convencionais, opcionalmente após a adição de pó de vidro grosseiramente moído. Para isto, a mistura pode, por exemplo, ser granulada num agitador ou num prato de granulação. No entanto, também é possível processar a mistura num secador por pulverização para formar um material granulado fino, gue é então processado, por exemplo com adição de vidro de água, para formar um material granular mais grosso. 0 material granular é opcionalmente ainda secado e depois soprado. 0 sopro ocorre preferencialmente sob temperaturas inferiores a 1000 °C, de acordo com uma forma de realização a uma temperatura inferior a 900 °C e de acordo com ainda uma outra forma de realização numa faixa de temperaturas de 550 a 800 °C. O material granular pode ser soprado através de métodos usuais. O material granular é preferencialmente soprado num forno rotativo. A fim de evitar uma aglomeração do material granular durante o sopro, o material granulado não lavado pode opcionalmente ser pulverizado previamente com um agente de separação adequado, por exemplo com uma camada de talco. De acordo com uma forma de realização, é escolhida uma duração na faixa de 5 minutos a 45 minutos para o sopro.

A formação de espuma do material granular é preferencialmente realizada de tal forma que o suporte magnetizável em partículas apresente uma densidade inferior a 1,2, preferencialmente na faixa de 0,8 a 1,1 kg / 1. A densidade do suporte particulado magnetizável obtido pode ser ajustada pelas condições de reação ou também, por exemplo, pela razão de agente de expansão ou água no material granular não espumado.

Os materiais superparamagnéticos ou ferrimagnéticos podem ser utilizados como material magnetizável, por exemplo, magnetite (FesCY) ou Y-Fe203 . Nano-Y-Fe203 é um exemplo de partículas superparamagnéticas.

De acordo com uma forma de realização, a produção do suporte magnetizável particulado é realizada sob gás inerte, em que a espuma preferencialmente ocorre sob gás inerte. Isso protege o material magnetizável, por exemplo, a magnetite, da oxidação, o que fará com que o mesmo perca suas propriedades magnéticas. Se Y-Fe2C>3 for utilizado como material magnetizável, verificou-se surpreendentemente que uma atmosfera de gás protetora não será necessária para obter ainda uma magnetizabilidade significativa do suporte particulado. Isto é ainda mais surpreendente, uma vez que o Y-Fe2C>3 puro é convertido em a-Fe2C>3 a uma temperatura superior a 300 °C, sendo que o ferromagnetismo é perdido.

De acordo com uma forma de realização do método de acordo com a invenção, é adotado o seguinte procedimento: misturar pó de vidro e material magnetizável que preferencialmente compreende um ou mais materiais ferrimagnéticos, dispersar a mistura para formar uma primeira pré-mistura homogénea, misturar pelo menos parte desta primeira pré-mistura com agente de expansão, opcionalmente agente de ligação e água para formar uma pasta homogénea, granulação da pasta utilizando o resíduo opcionalmente remanescente da primeira pré-mistura para formar corpos verdes de granulado de vidro expandido magnéticos, e - espumar os corpos verdes de granulado de vidro expandido para formar partículas magnéticas de material de espuma a temperaturas de 750 °C a 1000 °C.

De acordo com uma forma de realização preferida, a mistura de pó de vidro e material magnetizável é dispersa molhada de modo a obter uma primeira pré-mistura homogénea. Particularmente preferencialmente, a mistura de pó de vidro e material magnetizável é moída por via húmida, com o resultado de um tamanho de partícula muito pequeno e a superfície do vidro é quebrada. Para os moinhos habituais de moagem húmida podem ser utilizados, por exemplo, moinhos de esferas.

De acordo com uma forma de realização preferida, durante a produção da primeira pré-mistura, o pó de vidro é utilizado numa razão de 65 a 92% em peso e o material magnetizável numa razão de 8 a 35% em peso, em relação à quantidade total de pó de vidro e material magnetizável. Uma pré-mistura particularmente preferida contém aproximadamente 80% em peso de pó de vidro e 20% em peso de material magnetizável.

As faixas de porcentagem dos componentes da segunda pré-mistura estão preferencialmente dentro da faixa entre 30 e 99% em peso para o vidro de água, 0 a 70% em peso para água ela 10% em peso de agente de expansão, preferencialmente sob a forma de nitrato de sódio. As faixas particularmente preferidas são de 54 a 56% em peso para o vidro de água, 43 a 44% em peso para água e 2 a 2,5% em peso para o agente de expansão.

Um vidro de água com uma razão de S1O2 / Na20 de 1,1 a 4 é preferencialmente utilizado como vidro de água. O vidro de água apresenta preferencialmente um teor de sólidos na faixa de 40 a 100% em peso. A razão em massa da primeira e segunda pré-mistura é preferencialmente escolhida na faixa de 2: 1 a 4: 1, preferencialmente de 2,7: 1 a 3,0: 1.

Preferencialmente, dentro da estrutura de vidro, pelo menos predominantemente amorfa, pelo menos, as áreas magnetizáveis cristalinas do suporte magnetizável particulado apresentam as seguintes composições de fase base: 25 a 100% em massa de Y-Fe2C>3 e Fe3C>4 no total, e 0 a 75% em massa de a-Fe203.

As seguintes faixas de proporção dos constituintes cristalinos em geral são particularmente preferidas: 0 a 100, preferencialmente 44% em massa de Y-Fe2C>3 (maghemite) - 0 a 100, preferencialmente 34% em massa de Fe3C>4 (magnetite) 0 a 50, preferencialmente 21% em massa de a-Fe2C>3 (hematita).

De uma maneira conhecida per se, o material granular pode ser seco e classificado por triagem antes da formação de espuma.

De acordo com uma forma de realização, o suporte magnetizável particulado também pode ainda ser proporcionado com um revestimento que, por exemplo, promove o crescimento de micro-organismos. Um tal revestimento pode, por exemplo, ser formado a partir de xantana. Para o revestimento, são preferidos os compostos que, por exemplo, facilitam a adesão de células ou micro-organismos ao suporte magnetizável particulado ou agem como nutrientes ou substâncias de crescimento. Por exemplo, os oligoelementos são adequados. A invenção será explicada mais detalhadamente abaixo, utilizando exemplos, bem como com referência às figuras incluídas: A Figura 1: uma representação diagramática de secções através de várias formas de realização de um suporte magnetizável; A Figura 2: uma representação diagramática de vários estágios pelos quais a formação de um biofilme num suporte magnetizável passa; A Figura 3: uma representação diagramática de várias formas de realização do agregado magnetizável de acordo com a invenção; A Figura 4: uma representação diagramática de uma disposição de teste para investigar a separação de partículas de suporte magnetizáveis de um modelo de líquido; A Figura 5: um diagrama em que a viscosidade aparente v de vários líquidos modelo é traçada como uma função da taxa de cisalhamento yS; A Figura 6: um diagrama que representa o grau de separação A de partículas de suporte magnetizáveis em função da frequência N da passagem por um dispositivo de separação magnética, em que a água foi utilizada como modelo de liquido; A Figura 7: um diagrama que representa o grau de separação A de partículas de suporte magnetizáveis em função da frequência N da passagem por um dispositivo de separação magnética, em que uma solução a 0,25% de xantana em água foi utilizada como modelo de líquido; A Figura 8: um diagrama que representa o grau de separação A de partículas de suporte magnetizáveis no caso de uma única passagem através de um dispositivo de separação magnética, em que a proporção das partículas de suporte magnetizáveis na amostra bem como a viscosidade do liquido modelo foram variadas; A Figura 9: um diagrama representando a suscetibilidade magnética relativa χχ das partículas de suporte magnetizáveis, em que apenas as partículas de suporte depositadas no dispositivo de separação magnética foram medidas; A Figura 10: um diagrama que representa o grau de separação A como função do fluxo de volume no dispositivo de separação magnética, dado que o número n passa pelo dispositivo de separação; A Figura 11: um diagrama representando a suscetibilidade magnética χ das partículas de suporte magnetizáveis separadas no dispositivo de separação magnética em função do fluxo de volume, dado que o número n passa pelo separador; A Figura 12: um diagrama que representa a influência do tamanho de partícula e a viscosidade do líquido de teste no grau de separação; A Figura 13: um diagrama que representa a influência do tamanho de partícula na suscetibilidade magnética χ; A Figura 14: uma representação diagramática da instalação de teste para fermentar a silagem de beterraba; A Figura 15: um diagrama em que a taxa de formação de metano r (CfU) e a carga de volume de substância orgânica OS dos reatores MF e MFC são plotadas como uma função do perfil temporal do teste ao longo do tempo. No caso do reator de controlo MFC, a alimentação do substrato foi iniciada aproximadamente 3 meses após o inicio da 2a fase de teste; A Figura 16: um diagrama em que o metano produz y(CH4) e a carga de volume de substância orgânica OS dos reatores MF e MFC são plotados como uma função do perfil temporal do teste ao longo do tempo. No caso do reator de controlo MFC, a alimentação do substrato foi iniciada aproximadamente 3 meses após o inicio da 2a fase de teste; A Figura 17: um diagrama em que o pH do substrato no reator e a carga de volume de substância orgânica OS dos reatores MF e MFC são plotados como uma função do perfil temporal do teste ao longo do tempo. No caso do reator de controlo MFC, a alimentação do substrato foi iniciada aproximadamente 3 meses após o inicio da 2a fase de teste; A Figura 18: imagens de microscópio de luz de uma partícula de suporte particulado magnetizável que é coberta com um biofilme; são mostrados em (a) uma imagem de contraste de fase, (b) uma fluorescência de luz refletida com excitação e emissão UV em todo o espectro visível; (C) uma fluorescência de luz refletida com excitação e emissão azul na região verde e (d) uma imagem mista de imagens (a) a (c). A Figura la mostra esquematicamente uma secção através de um suporte magnetizável 1, tal como contido no agregado magnetizável de acordo com a invenção. 0 suporte magnetizável compreende uma fase contínua de vidro 2 que inclui poros fechados 3. Os poros fechados são preenchidos com gás. A densidade do suporte magnetizável 1 pode ser definida pelo tamanho e número dos poros fechados 3. Distribuídos na fase de vidro contínua 2 são partículas magnetizáveis 4 que formam áreas magnetizáveis. As partículas magnetizáveis 4 são incorporadas e distribuídas homogeneamente na fase de vidro contínua. Na forma de realização ilustrada na Figura IA a parte externa 5 do suporte magnetizável 1 é formada por uma película contínua, com o resultado de que substancialmente todos os poros 3 estão fechados. A Figura lb mostra esquematicamente uma secção através de um suporte magnetizável 1, que é obtido a partir do suporte magnetizável mostrado na Figura 1 a quando o último está quebrado num moinho, por exemplo. A ruptura resulta numa superfície quebrada 6 em que são dispostas depressões 7 e nervuras 8. Na representação escolhida na Figura 1 b, a superfície quebrada 6 é perpendicular ao plano da secção, com o resultado de que apenas a aresta entre a superfície quebrada 6 e o plano da secção são mostrados. As depressões 7 e os rebordos 8 são obtidos quando os poros fechados 3 são abertos pela quebra do suporte magnetizável 1. Como também no caso do suporte magnetizável mostrado na Figura IA, o suporte magnetizável mostrado na Figura 1B tem no seu núcleo 9 uma estrutura de espuma de poros fechados que compreende poros fechados 3 que estão encerrados pela fase de vidro continua 2. As partículas magnetizáveis 4, por exemplo, partículas de ferrite, estão dispostas na fase contínua de vidro 2. A Figura 2 mostra vários estágios realizados durante a formação de um biofilme formado a partir de micro-organismos num suporte magnetizável. 0 suporte magnetizável 1 é representado por secção em cada caso. A Figura 2a mostra uma fase muito precoce do crescimento. Os micro-organismos 10 tornaram-se estabelecidos em locais individuais na superfície do suporte magnetizável 1, em que as depressões 7 são preferencialmente colonizadas como áreas protegidas.

Na Figura 2b a colonização progrediu ainda mais. Grandes colónias 11 de micro-organismos se formaram em particular nas depressões 7.

A Figura 2c mostra o estado após a formação de um biofilme 12. As colónias 11 mostradas na Figura 2B cresceram juntas e formam um biofilme contínuo 12. 0 biofilme 12 compreende várias espécies de micro-organismos. A Figura 3 mostra esquematicamente várias formas de realização do agregado magnetizável de acordo com a invenção. Em cada caso, uma secção através de um agregado magnetizável é representada, em que, por uma questão de clareza, apenas uma parte da secção é mostrada em cada caso. Os agregados magnetizáveis em cada caso compreendem um suporte magnetizável 1, pelo menos o núcleo do qual é formado por uma espuma sólida de poro fechado. Vários componentes ativos estão dispostos na superfície do suporte magnetizável.

Assim, a Figura 3a mostra uma forma de realização na qual uma enzima 13 está ligada à superfície do suporte magnetizável 1. A enzima possui um centro ativo 13a. A enzima 13 também pode ser ligada à superfície do suporte magnetizável 1 através de um espaçador 14, como mostrado na Figura 3B. 0 espaçador 14 pode, como mostrado na Figura 3B, seja linear ou também seja ramificado de modo a aumentar o número de locais de ligação como mostrado na Figura 3C.

Na forma de realização ilustrada na Figura 3d vesículas 15 estão ligadas como constituintes celulares à superfície do suporte magnetizável 1. As enzimas ligadas à membrana 13, por exemplo, podem então ser incluídas nas membranas das vesículas 15. A Figura 3e mostra uma forma de realização na qual uma película de polímero 16 está disposta na superfície do suporte magnetizável 1. A película de polímero 16 é formada a partir de polímeros que possuem grupos de afinidade 17, por exemplo grupos NH3+, aos quais as moléculas alvo 18 podem ser ligadas. Com a forma de realização ilustrada na FIG. 3e é, portanto, possível ligar moléculas alvo 18 de uma fase líquida ao agregado magnetizável e, assim, acumulá-las. A Figura 3f mostra uma forma de realização na qual os anticorpos 19 são imobilizados na superfície do suporte magnetizável 1 como moléculas de captura. Os anticorpos 19 ligam antigênios 18 que podem assim ser acumulados a partir de uma solução. A Figura 3g mostra uma forma de realização na qual os antigênios 18 são imobilizados na superfície do suporte magnetizável como componente ativo. Os antigênios 18 atuam como moléculas de captura de modo a ligar os anticorpos 19 a partir de uma solução para o agregado magnetizável. A Figura 3h finalmente mostra uma forma de realização na qual uma sonda de ADN 21 está ligada à superfície do suporte magnetizável 1 através de um espaçador 14. As moléculas de ADN alvo 20, que têm uma sequência complementar à sonda de ADN, podem ser ligadas pela sonda de ADN e assim acumuladas a partir da solução na superfície do suporte magnetizável.

Os seguintes métodos são utilizados para caracterizar o suporte magnetizável.

Teor de água: O teor de água dos produtos a 105 °C é verificado utilizando o método DIN / ISO-787/2.

Determinação da densidade em massa

Um cilindro de medição seccionado na marca de 1000 mL é pesado. A amostra a ser examinada é então vertida de uma só vez para dentro do cilindro de medição por meio de um funil de pó, de modo que um empilhamento cónico de produto se forme acima do topo do cilindro de medição. O empilhamento cónico de produto é desfeito com a ajuda de uma régua que é passada através da abertura do cilindro de medição, e o cilindro de medição cheio pesado novamente. A diferença corresponde à densidade aparente.

Determinação da densidade de partículas em massa A densidade aparente da partícula foi determinada com base na norma DIN EN 13055-1 de acordo com a norma DIN V 18004 5.2 ou de acordo com a norma EN 1097-6: 2000.

Determinação da suscetibilidade magnética A suscetibilidade ao volume magnético cv descreve uma constante de proporcionalidade, definida pela razão:

de magnetização M e força do campo magnético H. Como razão a suscetibilidade é sem unidade. 0 cv foi determinado com um analisador FMA 5000 da Forgenta (Forgenta Forschungstechnik- und Gerãte-Entwicklung Adlershof GmbH, 6, Rudower Chaussee, 12489 Berlim). O aparelho contém uma bobina com núcleo de ferro. Uma corrente alternada de 400 Hz flui através dele. Se uma mudança na suscetibilidade magnética ocorrer como resultado da introdução do material de teste, haverá uma mudança na indutância e, portanto, a resistência CA na bobina. O circuito Abridge permite a medição da mudança de frequência £ f. A conversão para cv ocorre de acordo com Close et al. (2003) [Klose, S; Tolle, R; Baucker, E; Makeschin, F: " Stratigraphic distribution of lignite-derived atmospheric deposits in forest soils of the upper Lusatian Region, East Germany " Water, Air and Soil Pollution 142: 3-25 (2003)] utilizando a seguinte equação

À medida que as partículas de suporte magnetizáveis com densidade variável devem ser comparadas, em vez de cv, determina-se o cmassa de suscetibilidade à massa magnética. A conversão de cv para Cmassa na unidade SI m3 kg-1 é realizada com a densidade da amostra p (kg m3) por meio da equação

Se as amostras que foram removidas do fermentador forem investigadas, estas serão engrossadas pela adição de 0,5% de xantana, para evitar que as partículas de suporte magnetizáveis se afundem da bobina durante a medição.

Determinação da viscosidade

As curvas de fluxo foram registradas com a ajuda do viscosimetro de rotação termoelétrico MCI / Rm300 com o sistema de cilindros Z10 da Haake. Com este aparelho é possível medir a viscosidade dinâmica aparente das substâncias newtonianas e não-newtonianas. Aqui, a substância está situada num espaço anular entre dois cilindros coaxiais. 0 cilindro externo está parado, enquanto o cilindro interno é movido. Por meio de programas predefinidos, a taxa de cisalhamento resultante pode ser definida com muita precisão. Isso dá origem a uma resistência ao fluxo na amostra, o que representa uma medida da viscosidade dinâmica do líquido modelo. A viscosidade aparente pode ser plotada em função da taxa de cisalhamento por um torque sensor altamente preciso no cilindro interno.

Exemplo 1: Fabrico de partículas de vidro magnetizáveis 1. Variante de processo

Uma primeira variante de processo para a produção de partículas de vidro magnético fornece a seguinte rotina de produção numa escala de laboratório: São utilizados os seguintes materiais de partida:

Vidro em pó de vidro reciclado: 8028 g

Pigmento Y-Fe203 Bayoxide® EAB 21: 1972 g.

Estes materiais de partida são pré-misturados secos num misturador e depois moídos.

Esses pigmentos são comercializados, por exemplo, por Lanxess. O material Bayoxide® EAB21 representa um exemplo do pigmento γ-óxido de ferro indicado. O material Bayoxide © E 7810 representa um exemplo de um pigmento de magnetite.

Os seguintes são misturados com uma mistura molhada como segunda pré-mistura:

Vidro de água: 1864 g Água: 1480 g

Nitrato de sódio (agente de expansão): 76 g.

As duas pré-misturas são completamente granuladas num misturador de lâminas frontais Lõdige por 60 segundos. Os corpos verdes de material granulado de vidro celular produzidos são então secos a uma temperatura de 105 °C num forno durante várias horas.

Os corpos verdes secos são classificados por triagem, grandes componentes mecanicamente triturados e novamente classificados pela triagem. Um limite de peneiração é de 0,25 mm.

Os corpos verdes obtidos são espumados com uma adição de 30% em volume de caolina como agente de separação num forno rotativo a temperaturas entre 780 °C e 815 °C durante um período de 15 minutos. Dependendo da temperatura de espuma, isso resulta em densidades aparentes na faixa entre 100 g / 1 e 1200 g / 1, em que, como regra, a densidade aparente cai à medida que a temperatura de formação de espuma aumenta.

As partículas espumadas do material granulado de espuma magnética magneticamente produzido são então novamente classificadas por triagem e utilizadas num tamanho de 0,1 mm a 0,3 mm para os testes de aplicação descritos abaixo.

Por meio de análise de difração de raios X num difractómetro (Philips X-PERT), as fases desse material podem ser determinadas de forma semiquantitativa em: 4 0% de Y-Fe2C>3 (maghemite) 24% de Fe3C>4 (magnetite) 10% de a-Fe2C>3 17% de SiCh (cristobalita) 9% de SiCh (quartzo) .

Os resultados relativos ao óxido de ferro são: 54% de Y-Fe203 (maghemite) 32% de Fe304 (magnetite) 14% de a-Fe203.

Para este material, uma suscetibilidade relacionada ao volume sem dimensões de 1,21 * 10-5 e uma suscetibilidade magnética relacionada à massa de 2 * 10-8 m3 / kg foram medidas como suscetibilidade magnética.

Os valores do óxido de partida Bayoxide® EAB21 são 2,41 * 10-4 para a suscetibilidade magnética relacionada ao volume e 2,77 * 10~7 m3 / kg para a suscetibilidade magnética relacionada à massa. A composição de fase é 97% de Y-Fe203 (maghemite) e 3% de a-Fe203. 2. Variante de processo

Uma segunda variante de processo para produzir material granular magnético de vidro celular prevê a produção de uma primeira pré-mistura dos seguintes constituintes: Pó de vidro: 138,3 g

Partículas magnéticas y-Fe203 Bayoxide® EAB 21: 34,6 g.

Esses constituintes são dispersos num misturador por via seca.

Uma segunda pré-mistura é produzida a partir de:

Vidro de água: 137,0 g Água: 108,7 g

Nitrato de sódio (agente de expansão) : 5, 9 g.

Esses constituintes são dispersos num misturador para produzir uma pasta homogénea, que é aquecida.

Um outro lote da primeira pré-mistura é produzido a partir de: Pó de vidro: 443,2 g

Partículas magnéticas Y-Fe203 Bayoxide® EAB 21: 118,8 g.

Este segundo lote também é disperso seco num mixer.

Os dois lotes de pré-mistura 1 e pré-mistura 2 são granulados num misturador Hobart com os estágios 1-2-1. Os corpos verdes de material granulado de material assim produzido são secos a uma temperatura de 105 °C durante várias horas. A fim de produzir as partículas de material granulado propriamente ditas de vidro celular magnetizável, os corpos verdes acima mencionados são espumados com 30% em volume de caolina como agente de separação num forno rotativo a 740 °C durante um período de 0,5 horas. Isso resulta num material magnético de vidro celular granular com uma densidade aparente de 505 g / 1. 3. Variante de processo

Em uma terceira variante de processo para a produção de material granular magnetizável de vidro celular é utilizada uma torre de pulverização para granulação de uma suspensão pastosa.

Para produzir isso, uma primeira pré-mistura é produzida a partir dos seguintes componentes: Pó de vidro: 1690 g

Partículas magnéticas y-Fe203: 450 g.

Estes componentes são moídos e homogeneizados num moinho de esferas por aproximadamente 20 min. A suspensão pastosa é então produzida a partir de: A pré-mistura acima mencionada 1900 g

Vidro de água: 600 g Água 1300 g

Nitrato de sódio (agente de expansão) 66 g.

Estes componentes são dispersos num misturador para produzir uma pasta homogénea que é pulverizado numa torre de pulverização por meio de um bocal de anel.

Exemplo 2 Testes de separação com partículas de suporte magnetizáveis não colonizadas O equipamento mostrado na Figura 4 foi utilizado para realizar os testes de separação.

Uma mistura de substrato é colocada num reator de tanque agitado 22 equipado com um aquecedor 23 e um agitador 24. Os suportes magnetizáveis sobre os quais os micro-organismos cresceram são suspensos na mistura de substrato. A mistura de substrato é descarregada para fora do reator através de uma saída 25 e transferida através da linha 26 para um separador magnético 27. Um dispositivo de separação magnética 28, por exemplo um imã em forma de haste, fica disposto no separador magnético 27. Enquanto a mistura do substrato é passada através do separador magnético 27, os suportes magnetizáveis são depositados no dispositivo de separação magnética 28. 0 substrato empobrecido das partículas de suporte magnetizáveis é então passado através de uma linha 29 para um reservatório 30. A partir do reservatório 30 o substrato pode ser reconduzido através da linha 31 ao reator de tanque agitado 22.

Os suportes magnetizáveis depositados no dispositivo de separação magnética podem ser enxaguados e recolhidos num tanque de saída 32. 0 fluido modelo e os suportes magnetizáveis suspensos no mesmo são vertidos no reservatório 30. O fluido modelo e os suportes magnetizáveis suspensos no mesmo são transferidos para o reator de tanque agitado 22 abrindo a válvula 33. A válvula 33 é então fechada de novo. O modelo de líquido e os suportes magnetizáveis suspensos no mesmo são então bombeados para fora do reator de tanque agitado através do separador magnético 27, onde ocorre uma separação dos suportes magnetizáveis utilizando o dispositivo de separação magnética 28. O fluido modelo empobrecido de partículas de suporte magnetizáveis é então bombeado de volta para o reservatório 30 novamente. Partículas de suporte magnetizáveis

Os materiais granulares vidro celular listados na Tabela 1 foram utilizados como partículas de suporte magnetizáveis

Tabela 1: granulado de vidro celular empregue_

Fluidos modelo A água ou misturas de água e xantana contendo 0,1% ou 0,25% de xantana foram utilizados como fluidos modelo. Xantana é um heteropolissacarídeo bacteriano que é aprovado para utilização como agente espessante e gelificante para a produção de alimentos. Obtiveram-se assim fluidos aquosos de viscosidade diferente. Foi assim possível investigar a influência da viscosidade na recuperação das partículas de suporte magnetizáveis. A água tem a menor viscosidade. 0,1% de solução de xantana possui uma viscosidade média (aproximadamente no intervalo médio de alta / média / baixa viscosidade). E 0,25% de solução de xantana tem a maior viscosidade. Várias descargas de reatores laboratoriais de biogás também foram investigadas como exemplos de substratos reais resultantes da implementação prática da produção de biogás. A descarga de semente "meso" serve como um exemplo de descarga de alta viscosidade. Esta descarga possui o maior conteúdo de substâncias secas das descargas investigadas. A descarga de "ensilagem de beterraba" foi investigada como um exemplo de descarga de um reator de biogás de viscosidade média. A descarga de "calor de descarga AFR" tem um conteúdo de substância seca de apenas 0,36% e serve de exemplo de descarga de baixa viscosidade.

Determinação da viscosidade dos fluidos modelo À medida que a viscosidade apresenta uma influência substancial, os fluidos modelo a até f descritos na Tabela 2 foram precisamente definidos e caracterizados. Em cada caso, a viscosidade aparente v em Pas foi determinada como uma função da taxa de cisalhamento yS em s-1. Estes dados são mostrados na Figura 5. Para uma melhor avaliação, a viscosidade das descargas reais do reator também foi determinada e também incluída na Figura 5. Os índices "ambiente", "meso" e "termo" dizem respeito às temperaturas dos fluidos modelo estudados. ambiente = temperatura ambiente (20 °C),

Meso = mesofílico (35 °C),

Termo = termófilo (55 °C) A viscosidade dos fluidos modelo listados na Tabela 2 foi determinada.

Tabela 2: Fluidos modelo para a determinação da viscosidade

Configuração de teste

Um separador magnético Liguimag LM9-E-050-7 da S + S Separation and Sorting Technology GmbH, Regener StraBe 130, 94513 Schõnberg (2009) foi utilizado como dispositivo de separação magnética. Este dispositivo é um imã de filtro habitual no comércio, que é utilizado na indústria de alimentos para separar as impurezas metálicas. O principio de funcionamento baseia-se no facto de que o liquido que contém as partículas magnéticas flui em torno das hastes magnéticas dispostas uma atrás da outra e de as partículas de suporte magnetizáveis aderirem a essas hastes. O fluxo de líquido e as hastes magnéticas colidem neste caso, pois as hastes magnéticas ficam dispostas perpendicularmente à direção do fluxo.

Este separador magnético deve ser limpo manualmente em intervalos de tempo específicos. Para fazer isso, é necessário parar a circulação do líquido e remover as hastes magnéticas. 0 separador magnético foi ligado a um reservatório e a um recipiente de recolha como mostrado na Figura 4, para passar as amostras através do separador magnético. O material de amostra foi transportado por meio de pressão negativa que é produzida por uma bomba conectada ao recipiente de recolha. Além disso, a temperatura da amostra, a massa da amostra bombeada no recipiente de recolha e o tempo de fluxo são determinados.

Realização de teste

Foi produzida uma mistura para cada teste a partir do respectivo fluido modelo a até f e uma quantidade específica de partículas de suporte magnetizáveis. A viscosidade do fluido modelo e seu conteúdo de partículas de suporte magnetizáveis foram sistematicamente variados.

Esta mistura foi então vertida no reservatório e bombeada através do separador magnético com uma velocidade de fluxo igualmente variada. O processo de bombeamento foi realizado por meio de pressão negativa no recipiente de recolha. A massa das partículas de suporte magnetizáveis retida no separador magnético foi determinada no final e, a partir desta, a porcentagem de recuperação calculada em relação à massa de partículas de suporte magnetizáveis originalmente adicionadas à amostra.

Para tal finalidade, após cada teste de separação, as luvas de aço inoxidável das hastes magnéticas do separador magnético foram limpas manualmente. Isto significa que as partículas de suporte magnetizáveis que aderiram às luvas de aço inoxidável foram enxaguadas com água desionizada e recolhidas no copo de secagem. 0 líquido foi então evaporado numa câmara de secagem a 105 °C durante um período de 24 h. O peso das partículas de suporte magnetizáveis separadas poderia assim ser determinado depois de subtrair o peso vazio do copo de secagem.

Resultados de teste 1. Grau de Separação das Partículas de Suporte Magnetizáveis no Separador Magnético 1.1. Água

As partículas de suporte magnetizáveis a 1% (p / p) com um diâmetro de 0,1-0,3 mm (VI) foram suspensas em água e passadas 20 vezes através do separador magnético. Após realizadas as passagens 1, 2, 5, 10 e 20, as partículas de suporte magnetizáveis separadas no separador magnético foram recolhidas, secas e pesadas. A quantidade separada de suporte magnetizável é apresentada na Tabela 3. Os valores resultam na curva de separação representada na Figura 6, em que o grau de separação A é dado para cada número de amostra N. Mostrado em cada caso é o grau de separação Aa com relação à quantidade de suporte magnético utilizado, bem como o grau de separação Ar em relação à quantidade total de suporte removido magneticamente.

Tabela 3: Quantidade de partículas de suporte magnetizáveis separadas; quantidade utilizada de suporte magnético 70,00 g; quantidade máxima separada 58,87 g; 84,1 %)_

Após 20 passagens, a curva exibiu comportamento de saturação, isto é, depois de 20 passagens praticamente todas as partículas de suporte magnetizáveis separáveis foram separadas do fluido modelo. Das 70,00 g de partículas de suporte magnetizáveis medidas no início do teste, foi possível separar 58,87 g. Isso corresponde a 84,10%. A proporção restante de 15,9% constitui material pouco separável ou não separável com apenas propriedades magnéticas fracas. Os 84,10% separáveis da quantidade de partículas de suporte magnetizáveis originalmente utilizadas foram definidas como a proporção máxima separável das partículas de suporte magnetizáveis e, portanto, como valor de referência para 100%. Assim, calculado, após a Ia passagem, foi possível separar 74,20% do material separável, após a segunda passagem 16,07% e para a separação dos restantes 9,63%, foram necessárias mais 18 passagens.

Solução de xantana aquosa (0,25 %) O teste foi repetido com uma solução aquosa a 0,25% de xantana. A quantidade de partículas de suporte magnético separadas é dada na Tabela 4. O grau de separação das partículas de suporte magnetizáveis é mostrado na Figura 7. É dado respectivamente o grau de separação Aa verificado para o número de amostra N listado na Tabela 4, que diz respeito à quantidade de suporte magnético utilizado e ao grau de separação Ar que se relaciona com a quantidade magneticamente separável do suporte magnético.

Tabela 4: Quantidade de partículas de suporte magnetizáveis separadas de uma solução de xantana (0,25%); Quantidade de suporte magnético usada 70,00 g; Quantidade máxima separada _58,87 g;

84,1%) .__

Apenas um total de 63,65% das partículas separáveis magneticamente (100%) foram separadas após 20 passagens. Após a Ia passagem, a Figura foi de apenas 22,17%; depois da segunda passagem mais 8,95%. A viscosidade aumentada prejudica significativamente a separação das partículas de suporte magnetizáveis 0,1-0,3 mm.

Influência da viscosidade do fluido modelo e da concentração das partículas de suporte magnetizáveis no grau de separação 0 fluido modelo com as partículas de suporte magnetizáveis suspensas no mesmo foi bombeado através do separador magnético uma vez. Os fluidos modelo utilizados e a quantidade e o tipo das partículas de suporte magnetizáveis estão listados na Tabela 5 e representados por gráfico na Figura 8. A coluna 1 fornece o grau de separação A para uma quantidade de 0,1% de suporte magnetizável, coluna 2 o grau de separação A para uma quantidade de 0,5% de suporte magnetizável e coluna 3 o grau de separação A para uma quantidade de 1,0% de suporte magnetizável.

Tabela 5: Fluidos modelo e taxa de separação para uma única passagem da amostra (VI) através do separador magnético

Com apenas uma separação e um aumento na concentração de massa de partículas magnéticas (0,1-0,3 mm) de 0,1% a 0,5% e 1%, o grau de separação mudou apenas ligeiramente.

Esperava-se gue, com uma massa crescente de partículas, as partículas no separador se obstruíssem e se blindassem mutuamente. Claramente, a faixa de concentração de massa de 0,1-1% foi tão peguena que o efeito esperado ainda não ocorreu.

Por outro lado, o aumento da viscosidade teve um efeito claro: quanto maior a viscosidade, menor o grau de separação. A suscetibilidade magnética das partículas de suporte magnetizáveis separadas em cada caso foi medida e relacionada à suscetibilidade magnética do material de partida (100%). Quanto maior a viscosidade do fluido modelo (e quanto menos as partículas de suporte magnetizáveis fossem separadas), maior a suscetibilidade magnética das partículas de suporte magnetizáveis separadas. Em seguida, selecionada uma alta viscosidade do fluido modelo quanto a partículas com alta suscetibilidade magnética (em cada caso com 0,1-0,3 mm de diâmetro de partícula). A suscetibilidade magnética relativa χΓ medida para as partículas de suporte magnetizáveis separadas é indicada na Tabela 6 para os vários testes e representadas por gráfico na Figura 9. Para os vários fluidos modelo, a coluna 1 fornece a suscetibilidade magnética relativa xr para uma quantidade de 0,1% de suporte magnetizável, coluna 2, a suscetibilidade magnética relativa xr para uma quantidade de 0,5% de suporte magnetizável e coluna 3 a suscetibilidade magnética relativa xr para uma quantidade de suporte magnetizável a 1,0%.

Tabela 6: Suscetibilidade magnética relativa xr das partículas de suporte magnetizáveis separadas por uma única _passagem da amostra (VI) pelo separador magnético_

2. Efeito do fluxo volumétrico sobre o grau de separação 0 grau de separação A das partículas de suporte magnetizáveis numa solução aquosa de xantana a 0,25% para uma única passagem através do separador magnético foi medido. Os resultados estão listados na Tabela 7 e reproduzidos por gráfico na Figura 10.

Tabela 7: Grau de separação de partículas de suporte magnetizável a partir de xantana/água 2,5: 1000 no caso de _várias passagens por um separador_

Quanto maior o fluxo de volume (isto é, quanto maior a velocidade de fluxo no separador magnético), menor o grau de separação das partículas de suporte magnetizáveis. A suscetibilidade magnética das partículas de suporte magnetizáveis separadas também foi determinada. Os resultados estão resumidos na Tabela 8 e reproduzidos por gráfico na Figura 11.

Tabela 8: A suscetibilidade magnética das partículas de suporte separadas de uma solução aquosa de xantana (0,25%) em função do número de passagens através de um separador

Quanto maior o fluxo de volume no separador magnético, maior a suscetibilidade magnética das partículas de suporte magnetizáveis separadas. A explicação dada pelos inventores para este efeito é que apenas partículas de suporte magnetizáveis com alta suscetibilidade magnética são atuadas por forças magnéticas suficientemente altas para poder separá-las apesar do forte fluxo. 3. Efeito do tamanho e da viscosidade das partículas sobre o grau de separação

As partículas de suporte magnetizáveis com um tamanho de partícula de 1-2 mm (V2) foram comparadas com partículas de suporte magnetizáveis com um tamanho de partícula de 0,1-0,3 mm (VI). A menor concentração de massa de 0,1% foi escolhida. A água e a solução aquosa de xantana a 0,25% foram utilizadas como fluidos modelo. As medições foram realizadas a um fluxo de volume constante de 30 1 / min. Os resultados estão listados na Tabela 9 e na Figura 12.

Tabela 9: Influência do tamanho de partícula no caso de separação com partículas de suporte magnetizáveis a 0,1 % _em massa_

Enquanto o grau de separação diminuiu drasticamente (de 63% para 19%) no caso de um tamanho de partícula de 0,1-0,3 mm devido ao aumento da viscosidade, o mesmo não sofreu praticamente nenhuma influencia (74% e 74%) no caso de um tamanho de partícula de 1-2 mm apesar do aumento da viscosidade. Explicação: o volume de partículas aumenta juntamente com o diâmetro da partícula. A força magnética que atua sobre as partículas aumenta desse modo (desde que haja uma proporção constantemente alta de material magneticamente suscetível misturado). A força magnética aumentada é então suficiente para superar as forças de atrito aumentadas no meio altamente viscoso.

Além disso, a suscetibilidade magnética de ambos os tipos de partículas de suporte magnetizáveis utilizadas nos testes foi investigada. Os resultados são reproduzidos na Tabela 10 e por gráfico na Figura 13

Tabela 10: Influência do tamanho de partícula na suscetibilidade magnética_

Embora ambas as granulações tenham sido produzidas a partir da mesma mistura de pigmento magnético e de pó de vidro (ou seja, os mesmos devem teoricamente conter a mesma proporção de material magnetizável) e um fracionamento de tamanho de partícula tenha sido realizado por meio de peneiração, o tamanho de partícula 0,1-0,3 mm foi quase duas vezes maior que uma suscetibilidade magnética como o tamanho de partícula de 1-2 mm. Não está claro se esta é uma função do tamanho das partículas, ou se estão envolvidos os fenómenos de mistura / não mistura durante a produção.

Exemplo 3: Fermentação de silaqem de beterraba em fermentadores de 50 litros com o auxílio de partículas de suporte magnetizáveis A fim de esclarecer se a fermentação da silagem de beterraba ao biogás pode ser aumentada utilizando micro-organismos imobilizados em partículas de suporte magnetizáveis, dois fermentadores de tanque de mistura de construção idêntica que diferiam em apenas duas características foram operados em paralelo com um volume operacional de 50 litros cada. No início do teste, partículas de suporte magnetizáveis de 1% em massa foram adicionadas ao "fermentador magnético" (doravante abreviado a MF) . Para poder separar novamente as partículas de suporte magnetizáveis da descarga e reciclar, um separador magnético foi incorporado na saída MF. Não foram adicionadas partículas de suporte magnetizáveis ao "fermentador de controlo" (doravante abreviado para o MFC) e nenhum separador magnético foi instalado na sua saida. 0 método de operação de ambos os fermentadores foi, na medida do possível, concebido para ser idêntico durante o período de aproximadamente sete meses de teste.

Material e Métodos Estrutura de teste A Figura 14 mostra esquematicamente a configuração do conjunto de teste.

Um fermentador 34 com temperatura controlada que está equipado com um agitador 35 e as sondas para medir a temperatura 36 e do pH 37 podem ser carregados com a ajuda de uma bomba doseadora 38 através da linha 39 com um substrato retirado do reservatório de substrato 40. O substrato é fermentado no fermentador 34, em que os gases liberados durante a fermentação se acumulam na parte de topo do fermentador 34 e são transferidos a partir daí via a linha 41 para um recipiente colector de gás 42. A quantidade de gás pode ser medida através do medidor de gás 43. O substrato gasto é alimentado a um funil de drenagem 45 através da linha 44. No caso do "fermentador magnético MF", um dispositivo de separação magnética 46 é adicionalmente disposto para o qual o substrato gasto da reserva de descarga 45 é alimentado. Uma separação das partículas de suporte magnetizáveis com os micro-organismos que cresceram sobre o mesmo ocorre no dispositivo de separação magnética 46. O substrato empobrecido é então alimentado para um recipiente de resíduo de biodigestão 47. As partículas magnetizáveis separadas do substrato gasto podem ser reconduzidas através da linha 48 para o fermentador 34 novamente. Além disso, a água do tanque de armazenamento de água 51 pode ser alimentada ao fermentador 34 através da linha 49 com a ajuda da bomba de dosagem 50. A alimentação do substrato para o fermentador 34 pode ser controlada com a ajuda de um dispositivo de controlo 52.

No caso do fermento de controlo "MFC", o substrato gasto foi alimentado diretamente ao recipiente de resíduo de biodigestão 47.

Partículas de suporte magnetizáveis

Para realizar os ensaios, utilizaram-se as partículas de suporte magnetizáveis produzidas como descrito no Exemplo 1 com um tamanho de partícula de 0,1-0,3 mm. Separador magnético

Liguimag LM9-E-050-7. Fabricante S + S Separation and Sorting Technology GmbH, Regener StraBe 130, 94513

Schõnberg (2009) .

Substrato A silagem de beterraba que foi reduzida com uma picadora foi utilizada como substrato.

Material de semeadura

Para a sementeira, foi utilizada pasta de semente digerida de outro reator de fermentação.

Materiais auxiliares

Solução de oligoelementos, solução contendo N com NH4HCO3 .NH4COONH2, solução contendo S com Na2SC>4 para superar deficiências. Métodos analíticos

Para implementar os parâmetros observados durante o teste, utilizaram-se os seguintes dispositivos e métodos:

Quantidade de gás: medidor de gás tipo TG 05; Ritter Apparatebau,

Composição do biogás: dispositivo de medição multicanal SSM 6000; Pronova Analysentechnik Substância seca: gravimetricamente por secagem a peso constante a 105 °C;

Substância seca orgânica (ODS): gravimetricamente por incineração a 550 °C; Ácidos orgânicos voláteis e álcoois voláteis: determinação por cromatografia gasosa utilizando um FID em comparação com tempos de retenção de compostos conhecidos; Ácido lático: HPLC com detector Rl;

Substância orgânica corrigida = SAO + ácidos voláteis + álcoois voláteis + proporção volátil de ácido lático; Açúcar: detector GC + RI; VOA / TIC (proporção de ácidos orgânicos voláteis para carbonatos inorgânicos totais): titulação com H2SO4 0,05 M, método Nordmann; NH4-N: conversão para NH3, destilação a vapor, titulação de retorno;

Ntot: DIN EN 25663: 1933-11;

Conteúdo C, N, S: determinação simultânea com um analisador elementar Vario EL II;

Conteúdo P: após desagregação conforme norma DIN EN ISO 15681-2: 2005-05;

Microscopia para avaliação da extensão e qualidade da colonização das partículas de suporte magnetizáveis: microscópio Zeiss Axiostar plus FL, câmera Zeiss AxioCam MRc5, sistema de análise de imagem Zeiss AxioVision 4.8. Método de microscopia de contraste de fase (para tornar visíveis as partículas e seus contornos externos) e fluorescência de luz refletida (Ia excitação do corante de fluorescência de ácido nucleico SYTO 13 com luz azul, emissão de fluorescência verde, 2a excitação dos cofatores específicos do metano Bactérias de gás com luz UV, emissão de azul, turquesa, autofluorescência verde ou amarela em todo o espectro visível). A amostragem para o microscópio das partículas magnetizáveis foi realizada uma vez por mês. Os caldos de cultura dos fermentadores foram adicionalmente investigados conforme necessário.

Realização de teste: A duração do teste foi dividida em 2 períodos de teste. 1° período de Teste: O Io período de teste durou 14 semanas.

No início do teste (dia 0) ambos fermentadores foram preenchidos com pasta de semente. A partir do dia 8 em diante, a silagem de beterraba foi introduzida manualmente no fermentador. No dia 14, no caso do MF apenas, foram adicionadas partículas de suporte magnetizáveis de 1% em peso, em relação à massa total do conteúdo do fermentador. Durante a duração total, aproximadamente sete meses de teste, não foram adicionadas mais partículas de suporte magnetizáveis. A temperatura de referência dos reatores foi ajustada a 38,5-39 °C. Desde o inicio da quinta semana em diante, a silagem de beterraba foi adicionada continuamente como substrato, em que a carga de volume foi gradualmente aumentada. 0 Io período de teste serviu para iniciar os fermentadores.

As partículas de suporte magnetizáveis provaram ser mecanicamente estáveis durante o Io período de teste.

Foi calculado um grau de separação de 92% para as partículas de suporte magnetizáveis. No final do Io período de teste, das partículas originais de suporte magnetizáveis de 1 por cento, em massa, 0,7% ainda permaneceram no MF. A análise microscópica mostrou que as partículas de suporte magnetizáveis foram colonizadas lentamente. De um mês para outro, o grau de colonização aumentou gradualmente, em que as bactérias primeiro preferiram áreas protegidas, isto é, rachaduras, depressões, locais próximos a elevações de superfície das partículas de suporte magnetizáveis e apenas colonizaram as áreas superficiais expostas das partículas de suporte magnetizáveis. Pouco antes do final do Io período de teste, as partículas de suporte magnetizáveis melhor colonizadas possuíam um grau máximo de cobertura superficial de 50-60%. A maioria das partículas de suporte magnetizáveis tinha apenas um crescimento fino e irregular de células individuais ou grupos de células pequenas. As bactérias filamentosas também ocorreram no crescimento. As partículas de suporte magnetizáveis não colonizadas completamente, não foram detectadas. Cada partícula de suporte magnetizável tinha pelo menos bactérias individuais imobilizadas na sua superfície. As bactérias de autofluorescência azul, turquesa e amarela puderam ser detectadas entre bactérias não autofluorescentes no crescimento. Esta é uma indicação de que parte do crescimento consistiu da bactéria do gás metano desejada. Em geral, ainda havia tão pouca colonização no final do Io período de teste que um claro aumento na eficiência do MF em comparação com o MFC ainda não era esperado.

Parâmetros de eficiência de MF e MFC: quantidade de biogás, proporção de metano, rendimento de metano, pH, ácidos orgânicos e valores VOA / TIC foram utilizados para a avaliação. Nas primeiras semanas, ambos fermentadores, como esperado, se comportaram de forma quase idêntica, razão pela qual não há representação disso. 2. Periodo de teste 0 2o período de teste durou aproximadamente 13,5 semanas. A silagem de beterraba do primeiro período de teste foi substituída por silagem de beterraba fresca em que, ao contrário do primeiro período de teste, foram utilizados recipientes menores, cuidadosamente desde o início à exclusão de ar e arrefecimento. A silagem de beterraba foi diluída com água para garantir a capacidade de bombeamento. Além disso, adicionou-se água aos fermentadores para poder tornar a influência das partículas de suporte magnetizáveis mais visíveis pelos tempos de permanência médios reduzidos. Além disso, a separação das partículas de suporte magnetizáveis deveria ser facilitada pela redução da viscosidade do meio. Cada fermentador foi fornecido com o seu próprio termostato de circulação, de modo que, quando a temperatura externa caia, a temperatura de referência era aumentada para 41 °C para suprimir qualquer crescimento de levedura. A carga de volume foi cuidadosamente aumentada para aproximadamente 3,5 g OS / (1 * d). Durante as primeiras 9 semanas do 2o período de teste, foi possível permanecer confiável abaixo das concentrações de ácido acético indissociado (2 g / 1) ou ácido propiónico (0,7 g / 1) consideradas inibitórias.

No MFC observou-se uma formação de espuma relativamente forte, que poderia ser contrariada por uma agitação mais vigorosa para destruir a espuma. Na espuma MF também formada devido à emissão de C02 durante a adição da silagem de beterraba ácida. Esta espuma não foi tão durável quanto no MFC. As partículas de suporte magnetizáveis flutuando na espuma levaram a uma explosão mais rápida das bolhas.

Após aproximadamente 7 semanas, estabeleceram-se condições estáveis nos fermentadores. As partículas de suporte magnetizáveis continuaram a ser estáveis. Não foram detectadas partículas quebradas a olho nu. Pequenos fragmentos de partículas de suporte magnetizáveis podem ser encontrados cultivados em flocos individuais ao microscópio. Na medida em que o floco, devido aos fragmentos inclusos, pode ser separado no separador magnético, isto não indica qualquer perda de partículas de suporte magnetizáveis ou biomassa valiosa. 0 grau médio de separação das partículas de suporte magnetizáveis ainda era de 33%. Uma espuma marrom viscosa tinha se formado e as lamas que continham partículas de suporte magnetizáveis foram depositadas por sedimentação no separador magnético. Ao final do segundo período de teste, um conteúdo de 0,41% em peso de partículas de suporte magnetizáveis foi medido no fermentador - este é ainda apenas 41% do 1% em peso originalmente utilizado. Estas perdas elevadas são atribuíveis a um separador magnético ainda não otimizado, bem como as propriedades ainda não ideais das partículas de suporte magnetizáveis. O primeiro exame microscópico, 4 semanas após o início do 2o período de teste, mostrou que o crescimento nas partículas de suporte magnetizáveis foi mantido apesar das numerosas mudanças no ambiente e até aumentou ligeiramente no geral. Contudo, o aumento da biomassa imobilizada nas partículas de suporte magnetizáveis foi claramente menor do que em todos os intervalos previamente investigados.

Um exame microscópico aproximadamente 6 semanas após o início do segundo período de teste mostrou que a colonização das partículas de suporte magnetizáveis novamente aumentou de forma mais acentuada. A partícula melhor colonizada tinha uma cobertura de 90% e um biofilme de até 42 pm de espessura em locais com uma matriz pronunciada de substâncias poliméricas extracelulares e continha numerosas bactérias de gás de metano de autofluorescência intensamente amarelas. A maioria das partículas de suporte magnetizáveis exibiu "colonização de crack" ou um crescimento fino e irregular de células individuais, grupos de células pequenas e bactérias filamentosas. A maioria das partículas de suporte magnetizáveis tinha uma cobertura superficial de aproximadamente 30% a 70%. No entanto, partículas de suporte magnetizáveis também foram observadas, que tiveram menos crescimento. Somente após exame microscópico aproximadamente 2 semanas antes do final do 2o período de teste, detectaram-se biopelículas suficientemente desenvolvidas. A densidade de colonização aumentou claramente em comparação com o exame microscópico anterior. No caso das partículas de suporte magnetizáveis melhor colonizadas, uns 90% da superfície foi coberto. Uma proporção clara das partículas de suporte magnetizáveis teve um grau de colonização de aproximadamente 70-90%. A maioria das partículas de suporte magnetizáveis teve um grau de colonização de aproximadamente 30% a 70% de cobertura superficial. Não foram observadas mais partículas de suporte magnetizáveis que não apresentaram colonização. Os biofilmes aumentaram em espessura e complexidade. Pela primeira vez, formaram-se colónias de bactérias em forma de cogumelo ou com forma de torre. Os biofilmes mistos de cobertura de superfície, com matriz, com bactérias de metano fortemente autofluorescentes, bem como bactérias filamentares também aumentaram. No final do segundo período de teste, com base numa avaliação da imagem microscópica, um biofilme de alto desempenho havia se desenvolvido em pelo menos algumas das partículas de suporte magnetizáveis.

As figuras 15 a 17 mostram a taxa de formação de metano [r (CH4)], o rendimento de metano [y (CH4)] e o pH em relação à carga de volume [OS] durante todo o 2o período de teste para os reatores MF e MFC. A carga do volume foi gradualmente (passo a passo) aumentada. A taxa de formação de metano e o rendimento de metano prosseguiram de forma muito semelhante em ambos os reatores durante um longo período. Como esperado, a formação de metano aumentou à medida que a carga de volume aumentou. 0 rendimento de metano flutuou com um valor de 0,3 m3 de metano por kg de substância orgânica, onde foram alcançados valores máximos de 0,36 (MF) e 0,37 (MFC).

Aproximadamente dois meses após o início do 2o período de teste e com uma carga de volume de 3 kg irr3 d-1 até o final do terceiro mês de teste no 2o período de teste, a tendência surgiu tanto para a taxa de formação de metano como também o rendimento de metano do MF, com poucas exceções, sendo ligeiramente maior do que no caso do MFC.

As diferenças claras só podem ser discernidas em cargas de volume maiores. Uma vez que a carga de volume aumentou para 4,17 kg m-3d~3, os valores de MFC caíram acentuadamente. Para evitar a sobrecarga de processo irreversível, a adição de substrato de MFC foi iniciada cerca de três meses após o início do teste. Neste momento, a taxa de formação de metano e o rendimento de metano do MFC foram mais de 20% inferiores aos do MF.

Uma comparação com o desenvolvimento dos valores de pH demonstra a instabilidade biológica do MFC. As bactérias hidrolisantes, acidogénicas e acetilógenas reduzem o pH por sua atividade metabólica e disponibilizam os substratos (H2, C02, acetato, etc.) à bactéria metanogénica. As bactérias metanogénicas no final da cadeia metabólica metabolizam essas substâncias de baixo teor molecular e aumentam o pH por sua atividade metabólica. Em fermentadores com biocenoses mistos dos 4 grupos de bactérias, os valores de pH entre 7 e 8 são geralmente estabelecidos em equilíbrio. Um pH de 6,7 é considerado o valor limite inferior para um processo de formação de metano sem interferência. Abaixo de um pH de 6,7, a proporção dos ácidos orgânicos protonados e voláteis é tão alta que os ácidos orgânicos não dissociados inibem a bactéria do metano. Uma inibição da bactéria metanogénica leva a uma redução da eliminação da acidez ou a uma formação reduzida de alcalinidade. 0 pH é, assim, ainda mais reduzido, pelo que o efeito inibitório dos ácidos orgânicos voláteis sobre a bactéria metanogénica aumenta e um círculo vicioso se configura em que, a menos que as contramedidas sejam tomadas, pode levar à quebra completa do sistema.

Em condições de operação estáveis, um pH de 7.0 ou ligeiramente maior foi estabelecido em MF e MFC. Mesmo com uma carga de volume de aproximadamente 3,5 kg m-3 d-1 em diante, o pH do MFC começou a cair gradualmente, o que pode ser considerado como um sinal de sobrecarga leve e lenta. Com um aumento adicional da carga de volume para aproximadamente 4 kg irr3 d-1, o pH caiu rapidamente para 6,52. O reator de teste com as partículas de suporte magnetizáveis (MF) tolerou este aumento de carga bem melhor. As cargas de volume de aproximadamente 3,5 kg m-3 d-1 e um pouco mais não provocaram uma redução gradual do pH, em vez disso, o pH permaneceu estável ou gradualmente aumentou ligeiramente. Em cargas de volume acima de 4 kg nu3 d-1, embora tenha havido inicialmente também uma queda no rendimento de metano e uma redução no pH no MF, o reator recuperou novamente. 0 pH apontou assimptoticamente um valor limite inferior. Por conseguinte, pode assumir-se que o MF tornou-se biologicamente estável e a operação continua poderia continuar com esta carga de volume.

As diferenças observadas podem ser explicadas da seguinte forma: a partir de uma carga de volume especifica em diante, a taxa de lavagem no MFC excede a taxa de crescimento das bactérias do gás metano de crescimento lento, com o resultado de que elas foram lavadas com a descarga. Os outros grupos de bactérias que crescem mais rapidamente (formação de ácido), no entanto, conseguiram permanecer no sistema, com o resultado de uma queda gradual do pH, com todas as suas consequências. Por outro lado, no MF, as bactérias do gás metano imobilizadas nas partículas de suporte magnetizáveis foram reconduzidas ao fermentador, sendo que uma carga de volume de 4,17 kg irr3 d-1 ainda não chegou a uma falta de bactérias do gás metano.

As concentrações de ácidos gordos voláteis tornam possível tirar conclusões adicionais sobre a estabilidade do processo. As concentrações de ácidos gordos livres confirmam substancialmente as conclusões já tiradas da formação de metano, rendimento de metano e pH. Assim, as concentrações de ácido no conteúdo do reator do MFC em cargas de volume maiores foram muito maiores do que as do MF.

Exemplo 4: Testes de seleção para o exame de vários suportes magnéticos

Testes de triagem simples foram realizados com diferentes partículas de suporte magnetizáveis feitas de um vidro celular para investigar a influência de vários fatores na formação de um biofilme.

Realização de teste:

Os testes, que duraram aproximadamente 4 meses, foram realizados numa câmara climática a 39 °C. Fermentação de balões feitos de PE com um volume nominal de 30 1, que foram ligados a sacos colectores de gás, servidos como biorreatores. O volume de enchimento nominal foi de 15 1. No inicio do teste, 14 1 de água da torneira fervida ajustada com ditionito como agente redutor foi introduzida em cada caso. Em seguida, foram adicionados 500 mL de partículas magnetizáveis em cada caso. No lote de controlo sem partículas magnetizáveis, adicionou-se um volume correspondente de água. A sementeira foi então realizada com aproximadamente 500 mL de material de semeadura. A fim de garantir o máximo possível uma variedade de micro-organismos, em particular bactérias de metano-gás e colonizadores primários, o material de sementes originou-se de 3 fontes diferentes. A sementeira foi realizada novamente com maior volume de carga em 2 ocasiões subsequentes. A silagem de beterraba sacarina serve como substrato. A carga de volume foi lentamente aumentada linearmente (de 0,0 a 1,0 g de ODS / (1 * d) durante 90 dias) . No final, atingiu-se uma carga máxima de volume de aproximadamente 1,1 g de oTS / (1 * d).

As descrições dos suportes magnetizáveis utilizados para os testes estão listadas na Tabela 11. _Tabela 11: Descrição dos

suportes magnetizáveis_

Análise : A extensão da colonização foi investigada por microscopia de fluorescência e fotograficamente documentada (6 datas de amostragem). A avaliação foi realizada subjetivamente com base na impressão visual. 0 potencial Redox, os valores de pH e VOA / TIC foram determinados para o controlo do processo. 0 volume de gás de fermentação formado foi determinado estimando a expansão dos sacos colectores de gás. A composição do gás foi analisada utilizando amostras aleatórias.

Resultados:

Os resultados mais importantes estão listados na Tabela 11: A quantidade de volume de gás de fermentação foi determinada estimando o nível de enchimento do saco colector de gás e dividido em categorias 0, +, ++. A porcentagem de metano no biogás foi determinada 4 semanas após a semeadura em cada caso. A colonização dos suportes magnetizáveis foi determinada utilizando imagens de microscópio de luz e dividida em categorias 0, +, ++, +++ e +++++. 0 indica nenhuma colonização e ++++ a formação de um biofilme em grande parte continuo.

Tabela 11: Sumário dos resultados dos testes de triagem

A análise do gás de amostras aleatórias mostra que ocorreu uma fermentação com gás metano.

Na carga máxima de volume de 1,1 g de ODS /1 (* d) alcançada, teoricamente, 12,9 litros padrão de biogás / d seriam esperados. 0 valor mais alto de aproximadamente 12 1 de biogás / d (não padronizado) alcançado na prática mostra que o substrato foi amplamente convertido. Os valores de pH e VOA / TIC no final do período de teste ficaram dentro de uma boa faixa (pH 7-8 e VOA / TIC <0,3, frequentemente na faixa entre 0,2 e 0,3 considerada ideal)

Colonização: algumas horas após a inoculação, a adesão reversível já pode ser observada. Ao longo de 12 semanas após a inoculação, a extensão da colonização em todas as amostras (além do lote 9) aumentou gradualmente. Após 12 semanas os biofilmes foram melhor pronunciados em todas as amostras. Essas amostras designadas como ++++ foram particularmente positivas. Surpreendentemente, a granulação derretida de ação redutora forneceu também bons resultados quanto as granulações derretidas oxidantes. A Figura 18 mostra imagens de microscópio de luz de uma partícula de vidro celular magnética grande (amostra 4, revestida com xantana e oligoelementos) após um periodo de incubação de 12 semanas. A Figura 18A mostra uma única imagem que foi tirada utilizando o método de contraste de fase. Os contornos externos da partícula escura podem ser reconhecidos. A sugestão de um biofilme que envolve as partículas pode ser reconhecida em torno do contorno. Três colónias que sobressaem da partícula são particularmente impressionantes. A Figura 18B mostra uma imagem única que foi tirada utilizando o método de fluorescência de luz refletida. A excitação UV foi utilizada e a emissão foi registrada em todo o espectro visível. Fibras de celulose extremamente fluorescentes e partes de plantas que contêm celulose podem ser reconhecidas. Estes exibem uma fluorescência azul brilhante nas imagens originais. As áreas que aparecem um pouco menos brilhantes, que fluorescem intensamente em azul, intensamente em amarelo ou turquesa ou em tom esverdeado na imagem original, correspondem a colónias de bactérias com gás metano. As áreas que aparecem com pouca luz, que fluorescem em azul mate na imagem original, correspondem a substâncias de polímero extracelular das colónias de bactérias com suas inclusões. Estes formam os lugares de luz turva na superfície da partícula magnética. A fluorescência de fundo (autofluorescências do suporte de microscópio, lamelas, tampão e substâncias dissolvidas ou muito finamente distribuídas no mesmo, etc.) é considerável e torna o plano de fundo cinza ou cinza azul na imagem original e não em preto profundo. A partícula de vidro celular magnética não possui absolutamente nenhuma autofluorescência, com o resultado de que os lugares não colonizados ou apenas finamente colonizados aparecem em preto. A Figura 18C mostra uma imagem de fluorescência de luz refletida com excitação e emissão azul na região em verde, que pode ser reconhecida como áreas brilhantes na imagem. A imagem é calculada a partir de uma pilha Z e, portanto, mostra uma profundidade de campo ampliada. A coloração com um corante de fluorescência de ácido nucleico torna o ADN e 0 RNA fluorescentes intensamente verdes, com o resultado de que todos os micro-organismos no biofilme são claramente visíveis. A partícula de vidro celular magnética foi colonizada por toda parte. 0 biofilme cobre quase toda a superfície, mas ainda é muito fino. Somente na área de depressões e poros há apenas algumas bactérias. A Figura 18D mostra uma imagem mista dos 3 canais anteriores (adição de A + B + C).

Lista de números de referência 1 suporte magnetizável 27 separador magnético 2 fases contínuas de vidro 28 dispositivo de separação magnética 3 poros fechados 29 Linha 4 partículas magnéticas 30 reservatório 5 lado externo 31 Linha 6 superfície quebrada 32 tanque de saída 7 depressão 33 Válvula 8 topo 34 fermentador 9 núcleos 35 Agitador 10 micro-organismos 36 termómetro

11 colónia 37 medidor de pH 12 biofilmes 38 Bomba de dosagem 13 enzima 39 Linha 14 espaçador 40 reservatório de substrato 15 vesícula 41 Linha 16 camada de polímero 42 recipiente de recolha de gás 17 grupo de afinidade 43 Medidor de gás 18 molécula alvo 44 Linha 19 anticorpo 45 funil de descarga 20 Sonda de ADN 46 separador magnético 21 sequência de ADN alvo 47 recipiente de resíduo de biodigestão 22 reator de tanque 48 Linha agitado 23 aquecedor 49 Linha 24 Agitador 50 bomba de dosagem 25 saída 51 recipiente de recolha de água 26 Linha 52 dispositivo de controlo

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • DE 102005024886 B3 [0009] [0010] [0113] • WO 0171732 A [0012] • DE 19531801 AI [0018] • DE 19734791 AI [0019] • DE 19817268 AI [0020] • EP 1900698 AI [0021] • EP 1900697 AI [0021] • US 5734020 A [0022] • WO 2004113245 A [0023] • DE 102004012598 AI [0024] [0165] • EP 2022768 A2 [0025] [0165] • WO 2006092153 AI [0026] [0165] • WO 9310162 AI [0027] • WO 2007093138 A2 [0113]

Documentos de não patente citados na descrição • M.-H. LI AO ; B.-H. CHEN. Biotechnology Letters, 2002, vol. 24, 1913-1917 [0013] • X.-D. TONG ; B. XUE ; Y. SUN. Biotechnol. Prog.f 2001, vol. 17, 134-139 [0014] • A. SUAREZ ; B. GUIEYSSE ; B. MATTIASSON. Biotechnology Letters, 2003, vol. 25, 927-933 [0015] • H. ZILOUEI; B. GUIEYSSE ; B. MATTHIASSON. Process Biochemistry, 2006, vol. 41, 1083-1089 [0016] • KLOSE, S ; TÕLLE, R ; BÀUCKER, E ; MAKES CHIN, F. Stratigraphic distribution of lignite-derived atmospheric deposits in forest soils of the upper Lusatian Region, East Germany. Water, Air and Soil Pollution, 2003, vol. 142, 3-25 [0209]

Lisboa, 7 de junho de 2017

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para o tratamento de um substrato orgânico e/ou inorgânico, sendo que: - é preparada uma mistura de substrato que contém o substrato orgânico e/ou inorgânico numa câmara de reação; - um agregado magnetizável é misturado com a mistura de substrato, em que o agregado magnetizável compreende um suporte magnetizável e um componente ativo imobilizado no suporte magnetizável; - a mistura de substrato é reagida com o agregado magnetizável formando uma mistura de produto; e - o agregado magnetizável é separado da mistura do produto através de um dispositivo de separação magnética, caracterizado por o suporte magnetizável estar presente na forma de um suporte magnetizável particulado, sendo que o suporte magnetizável particulado é construído a partir de uma espuma sólida com uma fase continua a partir de um material inorgânico, a saber, de um vidro que envolve poros da espuma sólida, sendo que áreas magnetizáveis ficam dispostas em fase contínua, e sendo que a espuma sólida é de poro fechado pelo menos no núcleo do suporte magnetizável.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a mistura de produto ser transportada para um dispositivo de separação magnético no qual o agregado magnetizável é separado da mistura do produto.
3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o agregado magnetizável separado da mistura do produto ser reconduzido à câmara de reação.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o componente ativo ser um sistema biocataliticamente ativo.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o sistema biocataliticamente ativo ser formado por pelo menos um micro-organismo.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por pelo menos um micro-organismo ser disponibilizado na forma de um biofilme.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o suporte magnetizável particulado apresentar nervuras e depressões na sua superfície.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o suporte magnetizável particulado apresentar uma suscetibilidade de massa magnética na faixa de 5 x 10~9 a 3,7 x IO-7 m3/kg.
9. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a conversão da mistura de substrato ser realizada através de pelo menos um micro-organismo que forma uma mistura de produto em condições anaeróbicas.
10. Agregado magnetizável que compreende: um suporte magnetizável particulado sobre cuja superfície é imobilizado pelo menos um componente ativo, caracterizado por o suporte magnetizável particulado ser feito de uma espuma sólida com uma fase contínua que é feita de um reticulante na forma de um material inorgânico, a saber, de um vidro e que envolve os poros da espuma sólida, sendo que na fase contínua ficam dispostas áreas magnetizáveis e sendo que, pelo menos no núcleo de suporte magnetizável, a espuma sólida apresenta poros fechados.
11. Agregado magnetizável, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o suporte magnetizável particulado apresentar uma densidade aparente do grão inferior a 2 g/mL.
12. Método para tratar agregado magnetizável como definido nas reivindicações 10 ou 11, em que um reticulante na forma de um material inorgânico, a saber de um vidro, um material magnetizável, assim como um agente de expansão, são processados formando um granulado, sendo o granulado expandido formando um suporte magnetizável e sobre o suporte magnetizável sendo imobilizado um componente ativo.
13. Método de acordo com a reivindicação 12, em que o suporte magnetizável é quebrado para o desbaste da sua superfície com o resultado de que seja obtido um suporte magnetizável, cujo núcleo é feito de uma espuma de poros fechados e sobre a superfície do suporte magnetizável sejam disponibilizadas por secções nervuras e depressões. Lisboa, 7 de junho de 2017