CN104619652B - 生物催化剂组合物和使用的方法 - Google Patents

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Abstract

公开的含微生物的生物催化剂具有不可逆地保留在生物催化剂的内部中的微生物的大型种群。生物催化剂具有意外稳定的微生物群并且基本不存在由微生物的代谢活动所致的碎片生成。生物催化剂由高度亲水性聚合物构成并且具有促进群落表型改变的内部的、开放的、多孔的结构。

Description

生物催化剂组合物和使用的方法
相关申请的交叉引用
要求以下美国临时专利申请号的优先权：
61/689,921，提交于2012年6月15日；
61/689,922，提交于2012年6月15日；
61/689,923，提交于2012年6月15日；
61/689,924，提交于2012年6月15日；
61/689,925，提交于2012年6月15日；
61/689,929，提交于2012年6月15日；
61/689,930，提交于2012年6月15日；
61/689,932，提交于2012年6月15日；
61/689,933，提交于2012年6月15日；
61/689,935，提交于2012年6月15日；
61/689,939，提交于2012年6月15日；
61/689,940，提交于2012年6月15日；
61/689,943，提交于2012年6月15日；
61/689,945，提交于2012年6月15日；
61/689,953，提交于2012年6月15日；
61/849,725，提交于2013年2月1日；
61/850,631，提交于2013年2月20日；
61/851,467，提交于2013年3月8日；和
61/852,451，提交于2013年3月15日，
其中每个专利据此全文引入以供参考。藉此保留权利以具有基于公法112-29的适用部分做出的专利性判定。
有关联邦资助的研究或开发的声明
利用国立卫生研究院资助的根据1R43ES022123-01合同的政府支持，首次使利用生物催化剂连续降解水中超低浓度的1,4-二噁烷得以实现。政府对其具有某些权利。
技术领域
本发明涉及生物催化剂及其用途。
背景技术
代谢方法被提议用于合成代谢和分解代谢生物转化很长时间。多种类型的微生物已被提议用于这些生物转化，包括细菌和古细菌(这两者均为原核生物)真菌和藻类。代谢方法为自然所利用，并且一些已被人改造使用上千年用于合成代谢和分解代谢生物转化，范围从培养酸奶和发酵糖以产生醇到处理水以除去污染物。代谢方法提供在相对低成本处理设备中的低能耗、高效率生物转化的可能性并且因此可能并且常常作为化学合成和降解方法的可行替代形式。合成代谢方法常常可使用从可更新或环境立场来看是优选但对化学合成不理想的原材料，例如，二氧化碳至生物燃料和其他生物产物的转化。分解代谢生物转化可降解物质并且长久以来被用于废水处理。对改善工业使用的代谢方法和扩大化学合成和降解的替代形式的代谢方法的种类存在极大兴趣。
已提出许多类型的方法技术用于合成代谢和分解代谢生物转化。这些方法包括使用悬浮微生物，即浮游方法。另外，还公开了使微生物位于固体载体之上或之内的方法技术。
在改善代谢方法并且提供经济可行性足以带来商业利益的代谢方法时，工作人员面对各种挑战。一些问题可能是给料自身所固有的，包括毒素、噬菌体和外来竞争微生物的存在。其他问题可能源于用于生物转化的微生物，例如低代谢转化率、低种群生长率、自发突变、大量消耗物质以支持种群生长，对诱导物、共代谢物、促进剂和性能增强添加剂的需要，以及具有所寻求的代谢转化的微生物的缺乏。并且其他问题可能源于用于生物转化的方法，例如从水性发酵液中回收生物产物时的成本。尤其采用受支撑微生物时，问题可能源于生物膜的不稳定性，包括它们的物理降解；导致窒息的微生物的种群的过度生长；微生物从支撑体上剥离；和易受竞争微生物影响。另外， 代谢方法特征为从死亡或裂解细胞产生固体碎片，并且该碎片需要被纳入该方法以去除这些固体。在某些情况下，碎片具有作为进料补充物的价值，例如来自乙醇生产的酒粕，但在其他代谢方法中，例如对于市政废水的处理，以环境可接受方式处理碎片可能产生成本。提议用于克服一种或多种这些问题的基因工程可能其自身就存在问题。
包括但不限于细菌、古细菌、真菌和藻类的微生物能够附着或附着于表面。已经进行一些研究关注于浮游生长至微生物在表面生长(包括在表面形成生物膜)的变化的影响。许多工作人员已研究在动物或人类身体中阻止或降解生物膜以提高抗生素治疗的效力以治愈动物或人类身体。
Tuson等人，“Bacteria-surface Interactions”，Soft Matter，第1卷，期号608(2013)，可引用为DOI:10.1039/c3sm27705d，提供一篇细菌和表面相互作用的研究综述。作者描述涉及将微生物附着到表面的方法并且详述表面的附着导致细胞中表型切换并且该表面可向附着细胞提供有益效果。作者详述，有机物质可在水平表面上浓缩以刺激与表面结合的细菌的生长，并且增加的底物表面积提供了可在其上吸收营养物质的更多面积，使得细胞能在通常太低而不能支持生长的低营养物质浓度下生长。作者还陈述，除了有助于营养物质捕获的表面附着，一些细菌直接从它们附着的表面获得必要的代谢物和辅因子。
该文章中报道的一些观察结果包括：在表面上孕育细胞生长成群落可保护细胞免受捕食和其他环境威胁并且有助于基因型的保存。作者详述，在微生物形成生物膜的情形下，已观察到对抗生素治疗的抗性。该抗性已归因于以下一种或多种：生物膜基体的屏障功能，非活性耐药株细胞和高抗性菌落变体的存在，和若干生物膜特异性抗菌素耐性基因的上调中。一组工作人员已假定由于降低细菌细胞上的净负电荷并且增强膜的稳定性的主要机制，未与生物膜结合的一些附着细胞具有抗生素抗性。Tuson等人指出了在一篇文章中得出结论：细菌对表面的附着改变了其代谢状态并且降低了抗生素易感性，这是细菌在细胞生长的静止期的常见特征。
关于涉及细菌与表面结合的细胞活性，作者论述表面感测为群集的前提，而群集为重要的适应性行为，在群集中细胞和表面之间的接触为形态学改变设定了计划，而形态学改变则有助于协助行为、迅速群落生长和群落的迁移。细菌群落如群集或生物膜中的细胞以若干不同方式彼此相互作用。细菌能够在称为群体感测的过程中通过使用小分子化学信使进行通信。
“细菌群落中细胞的致密堆积有助于并且增加了在细胞间转移信息并且触发生理改变的小分子的浓度。紧邻表面的化学梯形增强了在附着至表面的生物膜和群落内的化学信息的交换。”
Cho等人，在“Self-Organization in High-Density Bacterial Colonies:Efficient Crowd Control”，PLOS Biology，Vol.5，Issue 11，2007年11月，第2614页至第2623页中，提及他们的发现，微室中的大肠杆菌进行通信以针对从微室的约束中逃逸来提供菌落生长，而在出口没有潜在地“蜂拥(stampede)”状阻塞并且提供通道以有助于营养物质运输到菌落内。
Tuson等人还描述形成细胞对表面的附着的步骤。初始附着是可逆的并且涉及流体动力学和静电相互作用，并且附着的第二步骤是不可逆的并且涉及细胞外壁的疏水区域与表面之间的范德瓦尔斯相互作用。通过产生细胞外聚合物质有助于不可逆附着。
“热力学在细菌至表面的结合的调控中起到核心作用。当细菌的表面能大于它们悬浮于其中的液体的表面能时，细胞优选附着至亲水性物质(即，具有大表面能的物质)。细菌的表面能通常小于细胞悬浮于其中的液体的表面能，并且该失配导致细胞优选附着至疏水物质(即，具有较低表面能的物质)。细菌能够附着至各式各样不同的物质，包括玻璃、铝、不锈钢、各种有机聚合物，以及所需的材料，例如特氟隆TM。”
Tuson等人报道，表面感测触发多种细胞变化。许多变化是形态上的并且有助于对表面的附着。他们陈述：
“有趣地，表面的物理性质可能影响细胞形态和群落结构。”……“细胞均匀附着到疏水表面，形成微菌落，并且生长成紧密堆积的多层生物膜。极少的细胞附着至亲水表面，并且细胞分裂中的变化导致形成>100μm长的细胞链。这些链变得松散缠结以形成相对非结构化和较不致密堆积的生物膜。”
Tuson等人在其结束语中陈述：
“我们对细菌在表面的相互作用的理解极不完整。这一主题似乎理想上适合微生物学家和材料科学家、化学家和工程师之间的合作，原因是其将得益于被制订以渗透到多个领域的多学科方法，包括：(1)鉴别细菌感测的表面的特性；(2)阐明细菌用于发送表面和它们的生化响应的分子机制；和(3)确定如何调节表面性质以引起所需细胞响应，包括形态改变、生物力能学改变，或细胞死亡。”
有许多提议用微生物的固体载体或支撑体来影响众多合成代谢和分解代谢生物转化；然而，尽管通过使用固体提供了潜在的方法优点，但商业成功限于相对少的应用。已提出提议用于将微生物支撑在载体的表面上或载体的孔中并且用于将微生物定位在载体内。参见例如Zhou等人，“Recent Patents on Immobilized Microorganisms Technologyand Its Engineering Application in Wastewater Treatment，Recent Patents onEngineering，2008，2，28-35。
通常，由于生物活性，例如载体上形成的生物膜的不稳定性和细胞群的死亡和恶化，产生固体碎片。例如，Sato等人在美国专利6,610,205中公开使用热塑性微生物载体使有机废水硝化和脱氮的方法。专利权人声称单个载体可影响需要需氧和厌氧条件的生物转化。一旦形成，载体接触含有微生物的活化油泥接触。专利权人陈述，硝化细菌在载体的表面上“浓密生长”，脱氮细菌被“吸附到载体上并因而牢固固定在其上”。他们的图1示出使用载体的设备并且包括沉降槽9以移除油泥(sludge)。因此，这种方法似乎需要从支撑体或载体上移除碎片的器件。
一些工作人员已形成微生物和聚合物的水性(aqueous)混合物作为溶液、分散体或乳液。一些工作人员喷雾干燥该混合物并且其他人提议交联以获得在固体结构的内部含有微生物的固体结构。提供以下讨论作为提议由也含有微生物的水性介质(medium)形成固体结构的示例。
Hino等人在美国专利4,148,689中公开通过将微生物分散在某些均相溶胶中随后使该混合物胶凝并且对其进行化学处理或通过干燥获得干凝胶，来在亲水性复合凝胶中使用微生物。干凝胶据说具有所需强度并且由胶凝水溶性聚合物如天然聚合物、聚乙烯醇、聚乙二醇和聚乙烯亚胺和二氧化硅构成。实例中所用干凝胶似乎产生了生物转化，但活性比悬浮细胞发酵低。大多数实例似乎显示出短时间例如小于30小时的生物活性。似乎报道较长时间的活性的那些实例也显示随时间推移而失活。实际上，专利权人理解他们的干凝胶的优点在于该聚合物可在失活之后被回收并且再循环。参见第9列，第66行起之各行。
Fukui等人在美国专利4,195,129中公开微生物细胞与光固化树脂混合并且辐照该混合物以提供含有固定细胞的固化产品。该实例的产物不具有游离细胞悬浮液的生物活性。专利权人未提供有关长时间内固定细胞性能的任何数据。
Yamada等人在美国专利4,546,081中公开一种用酵母连续发酵以产生醇的方法。酵母固定于薄膜中，而薄膜随后被设置在发酵容器内。专利权人详述用于制备含酵母的膜的多种不同技术。虽然存在其中酵母和聚乙烯醇的混合物通过辐射胶凝并且成型为所需形状的方法，但该专利中未特别详述各种技术制备的膜之间的性能差异。
Ishimura等人在美国专利4,727,030以获得含有微生物细胞的模制的多孔器件作为目的。他们公开用于固定酶或细胞的方法，其中该酶或细胞与聚乙烯醇和活性炭混合，并随后该混合物部分干燥，然后模制并且在规定条件下进一步脱水。该多孔凝胶据说在水合后具有极小膨胀。
在二十世纪90年代，日本研发出称为Pegasus方法的一种方法，参见例如StowaPagasus/Pegazur/Bio-tube Process Sheets，2006年6月13日，其使用由聚乙二醇和硝化的活化油泥的混合物构成的有机凝胶小球。还可参见美国专利4,791,061，其与本文中参考的KR9312103属于相同专利家族。小球据说具有3毫米直径并且15％聚乙二醇和2％微生物，并且生物膜厚度约60微米。该专利公开由含有活化油泥和预聚物的混合物制备小球并且将该混合物滴入多价金属离子和过硫酸盐的水溶液以形成具有固定微生物的粒子。该方法声称减少了在形成小球时微生物活性的损失。
Chen等人在美国专利5,290,693中将微生物或酶固定在聚乙烯醇的小珠上。他们形成聚乙烯醇和微生物的混合物并且随后使用硼酸和随后的磷酸或磷酸盐来进行两阶段胶凝和硬化步骤。专利权人陈述他们的方法提供了强效小珠，并且对被固定的微生物或酶无害。实例是指导性的。例如，实施例1涉及制备和使用用于使含有100ppm硝酸钾的水脱氮的小珠。他们在于第5列，第7至11行描述：
“在第七天，固定微生物的脱氮速率达到0.65mg NO3 1-N/g gel/h(sic)，其维持不变直至第30天。微生物的生化活力维持稳定。”
用于制备小珠的溶液含有约25g/L的脱氮油泥微生物。该实例似乎表明，需要微生物的种群的7天的生长来实现活性，并且30天之后，丧失稳定活性。该实例中报道的比较性对照物(其仅使用硼酸来凝胶和硬化PVA)提供0.55mg NO3 --N/g gel/h的脱氮速率并且在15天之后变得不稳定。实施例2和3报道用于分别延续10和20天的连续操作的数据。实施例4涉及使用酿酒酵母(Sacchramyces cerevisa)(约15g/L，在与聚乙烯醇的混合物中)生产乙醇并且报道与含有在乙醇生产中比未支撑酵母稍微低级的固定微生物的小珠一起使用仅8个小时。
Nagadomi等人在“Treatment of Aquarium Water by DenitrifyingPhotosynthetic Bacteria Using Immobilized Polyvinyl Alcohol Beads”，Journal ofBioscience and Bioengineering，87，2，189-193(1999)中确认Chen等人的观察结果。他们发现硼酸对微生物有害。他们还观察到了固定在海藻酸盐小珠和聚乙烯醇小珠中的微生物的种群的生长。作者报道的该数据未延续超过15天的操作。
Willuwait等人在美国专利7,384,777B2中在聚合物基材中固定细菌。该基材用于微生物的控释。如在第3列第63至67行所解释：
“借助于清洗方法，微生物繁殖，直至已达到胶囊/球体或凝胶的容纳能力并且壁破裂，即释放微生物。”
因此，并不令人意外的是，导致改善代谢方法的大量活性集中于(例如通过基因工程)改变微生物的基因型。基因型的改变常常成本高昂并且需要大量时间以从微生物获得所寻求的性能。通常，大多数基因工程微生物缺乏稳健性，例如，生长缓慢并且对侵入性微生物处于竞争劣势并且在按比例扩大足以填充商用级别生物反应器的数量期间和在生物转化方法本身期间丧失质粒。另外，基因工程微生物可能必须被谨慎控制以便不逃逸到环境中，并且对使用基因工程微生物的代谢方法的碎片进行处置可能产生危害性废物。
发明内容
本发明的含微生物生物催化剂具有不可逆地保留在生物催化剂的内部中的微生物的大型种群，并且生物催化剂具有微生物的意外稳定种群，并因此具有稳定的生物活性，以及基本上不存在由微生物的代谢活性所致的碎片生成，并且生物催化剂可在很长时间段内具有这些现象。这些现象与通常的预期相反，即，微生物从物理限制区域逃逸或该物理限制区域变得阻塞或被过度增殖，引起代谢活动的丧失以及微生物种群的最终死亡。
本发明的生物催化剂中的微生物具有表型改变，这与生物催化剂的内部的含腔体结构结合产生了高度有利的生物催化剂，包括但不限于从微生物和其种群的生长至生物转化活动(合成代谢或分解代谢)的代谢转变；对毒素增强的耐受性；进入甚至时间延长的实质静止状态的能力增强；和有效生物转化底物的能力增强。这些表型改变显著地增加至以下事实：影响生物转化的微生物被保留在生物催化剂的内部中，以提供有利的代谢方法，尤其是这样的代谢方法，其中本发明的生物催化剂在优选至少约3个月、优选至少约6个月并且很多情况下超过12个月或24个月并且有时长达5年或更多的长时间段内提供理想的生物转化活动。
虽然不希望受限于理论，但认为本发明的生物催化剂在其内部具有微生物的稳定种群的能力是由于在制备该生物催化剂期间发生的微生物的表型改变。这些表型改变被认为是由于三个主要因素的汇集。首先是使用高浓度的微生物来制备生物催化剂，例如至少约60、优选至少约100克细胞/升，使得在形成生物催化剂的时候可能在细胞之间发生通信。本文对细胞的质量所有引用是指湿细胞的质量。由于在表型改变发生时，生物催化剂中发生的微生物种群的净生长小(如果有的话)，还优选高浓度的细胞。在某些情况下，微生物种群中的该净生长可多达三或四倍，直至稳态种群。然而，在大多数情况下，在稳态下微生物的种群为制备生物催化剂时所用初始细胞的浓度的约±50％、很多情况下约±30％。
第二主要因素在于，生物催化剂在形成时在最小尺寸约5至100微米的多个互连主腔体内含有微生物。优选地，以体积计，生物催化剂(不包括微生物)的至少约20％并且优选至少约50％的内部结构由在此范围内的主腔体构成。虽然可能存在更大的主腔体，但固体结构的内部的优选小于约25％由这些更大的主腔体构成。优选地，生物催化剂中的互连腔体为静态。认为最小尺寸在约5至100微米之间的互连主腔体占主要优势，这增强了位于腔体内的微生物进行通信的能力，使得微生物作为群落经历表型改变。
第三主要因素在于生物催化剂的被水合并且亲水性的聚合物材料组分。认为在制备时定位于生物催化剂的内部中的微生物，尤其是主腔体和小腔体中的那些微生物，感测表面的亲水性，并且这种对环境的感测也对有助于显型改变。聚合物材料是高度水合的，但也含有足够的疏水性，使得生物催化剂中的聚合物材料在预期的使用条件下不溶解或不分散于水中。聚合物的亲水性和疏水性使得微生物基本上不可逆地保留在生物催化剂的内部。因为微生物在生物催化剂中的保留是由于要微生物的感测及其响应，该不可逆保留可描述为代谢性保留。所述生物催化剂的特征可被表征为具有至少约1,000、优选至少约5,000并且最常见至少约10,000的水合膨胀体积(HEV)。水合膨胀体积指示聚合物材料的亲水性，并且HEV越高，聚合物材料的亲水性越大。
因此，在广泛方面，本发明的生物催化剂组合物包含：
水合的亲水性聚合物的固体结构，所述固体结构界定了具有最小尺寸在约5和100微米之间的多个互连的主腔体并且HEV至少约1000、优选至少约5000的内部结构，和
基本上不可逆地保留在所述内部结构中的微生物的种群，基于当完全水合时由所述固体结构的外部定义的体积，所述微生物的浓度为至少约60克/升，
其中所述微生物维持它们的种群基本上稳定。
优选地，亲水性聚合物也在生物催化剂组合物的外部上形成皮肤。虽然已发现微生物变得基本上不可逆地保留在生物催化剂的内部中，但一般来讲的情况是，微生物未显著地(如果可能的话)直接接触聚合物，但它们可通过(例如)细胞外聚合物物质的原纤或聚合物的股链来接触。认为聚合物的高亲水性降低了微生物在物理应激条件下(例如流体在生物催化剂的外部流动)附着到生物催化剂的外表面上的能力。
本发明的另一个广泛方面涉及用于制备生物催化剂组合物的方法，其包括：
a.形成用于亲水性聚合物的溶解前体和用于所述生物催化剂的微生物的液体分散体、优选水性分散体，其中微生物在所述液体分散体中的浓度为至少约60、优选至少约100克/升；
b.使所述分散体经受固体化条件以形成所述亲水性聚合物的固体结构，其中所述固体结构具有内部结构，所述内部结构具有含有所述微生物的多个互连主腔体，所述主腔体具有在约5和100微米之间的最小尺寸并且其中所述固体结构具有至少约1000、优选至少约5000的HEV，所述固体化条件未严重不利影响所述微生物的种群；和
c.将含有微生物的所述固体结构在未不利影响在所述固体结构的内部中的所述微生物的种群的条件下维持足够时间，以允许所述微生物经历表型改变，以维持它们的种群基本上稳定并且变成基本上不可逆地保留在所述固体结构的内部中。
在某些情况下，固体化条件可能包括存在交联剂，并且所述前体为溶解预聚物。或者，固体化条件可能包含液体分散体的温度的下降，使得聚合物变得固体化以形成固体结构。常常地，其中未包围在步骤(b)中形成的所述固体结构内的所述液体分散体在步骤(c)期间或之前被分离。
本发明的其他广泛方面涉及代谢方法，其中本发明的生物催化剂经受包括存在底物的代谢条件以将所述底物生物转化成生物产物。代谢方法可能为合成代谢或分解代谢。在优选方法中，与在基本上相同的代谢条件下的浮游代谢比较，微生物证实了代谢转变。
附图说明
图1为根据本发明的生物催化剂的横截面的一部分的SEM图。
图2为根据本发明的另一种生物催化剂的横截面的一部分的SEM图。
图3为使用根据本发明的生物催化剂的光生物反应器的示意图。
图4为适于使用本发明的生物催化剂处理市政废水的设备的示意图。
图5为用于废水的硝化的生物反应器的示意图，所述生物反应器还包括在处理废水中收集用于水解的固体碎片的区域。
图6为使用适于从水中除去磷酸盐阴离子的含有本发明的生物催化剂的五个流化生物反应器组件的设备的示意图。
图7为在图6中所示设备内所含的生物反应器组件的示意图。
图8示出在图6中所示设备中所含的各生物反应器组件的操作模式排序。
图9为含有本发明的生物催化剂的设备的示意图，所述设备适用于处理水以最小化巨生物生长并且含有任选的、自清洗的水供应系统。
图10为用于制备琥珀酸的适于使用本发明的生物催化剂的设备的示意图，所述设备使用顺序反应器(sequential reactor)。
图11为适用于制备琥珀酸的另一个设备的示意图，其中使用二氧化碳来使反应器从PEP生成循环至琥珀酸盐阴离子生成。
图12为用于制备丁醇的设备的示意图，其中该丁醇被相分离以便回收。
具体实施方式
详细描述中引用的所有专利、公布的专利申请和文章藉此以引用方式全文并入。
定义
如文本所用，除非另外说明或从其使用的上下文中清楚了解，则以下术语具有下文阐述的含义。
术语“a”和“an”的使用旨在包括一个或多个所述要素。示例性要素的列表旨在包括所述一个或多个要素的组合。术语“可(may)”如文本所用是指所述要素的使用是任选的并且并非意图提供任何有关可操作性的暗示。
附着到生物催化剂的固体结构是指微生物定位于生物催化剂的内部中的腔体内，并且基本上不可逆地保留在其中，虽然特别的条件和处理(即，不是正常的使用微生物来生物转化的生物转化条件)可能在某些情况下能够导致微生物离开生物催化剂。附着包括表面结合至聚合物形成多孔基体的壁，以及保留的微生物靠近聚合物表面(例如在约10或20微米内)但不直接接触该表面。附着因此包括物理和静电附着。在某些情况下，用于制备生物催化剂的聚合物可能嵌入细胞周围的细胞外聚合物中或甚至嵌入微生物的细胞壁中或在细胞壁之上。
铵阳离子包括铵阳离子和溶解氨。一种用于确定铵阳离子浓度的测试为水杨酸盐方法测试N管，哈希法10031，DOC316.53.01079，第7版。
BTT测试为分批毒性耐受性测试。BTT测试比较在代谢条件下水性介质中微生物的游离悬浮液对毒素的耐受性与相同微生物但是在基本上相同的代谢条件下在基本上相同的水性介质中但是在多孔基体(matrice)中以提供基本相同的起始细胞密度下的耐受性。将毒素按一种浓度加入水性介质，使得24小时之后底物的生物转化为不存在毒素时生物转化率的大约50％(或在可能为毒性的底物情况下，以基本上对微生物无不利影响的浓度)。生物转化率精确地为50％或更小不是必要的，但应该在不存在毒素时的生物转化率的约35和65％之间。将相同浓度的毒素加入多孔基体内含有微生物的水性介质中，并且24小时之后确定底物的生物转化率。应理解，在某些情况下，代谢条件可能影响毒素影响微生物的程度。在这种情况下，应该选择代谢条件以使其整体上处于适用于生物转化的那些条件的中间范围。另外，应理解，本发明提供的改善的程度可随不同毒素而变化。因此，所用毒素应该是特定代谢方法所关注的毒素。例如，如果该方法以制备异丁醇作为生物产物，则所用毒素应该被包含在用于生物转化的水性介质中，并且不应是诸如预期不在该介质中的次氯酸钠之类的毒素。对于噬菌体作为毒素，所加毒素可能为被感染细胞。
生化需氧量(BOD)为有机碳在水中代谢转化成二氧化碳所需的氧的量，并且是可用于食品的有机化合物的指标。BOD记录为毫克/升。BOD可通过美国环境保护局公布的标准方法5210B修订版11/16/1999来测定。
生物转化活性是每小时每克微生物消耗底物的速率。当本文提及生物转化活性的增加或降低时，这种提高或降低是在包括底物和产物在水性介质中的浓度的类似生物转化条件下确定的。对生物产物的生物转化活性是每小时每克微生物的生物产物产生速率。
生物膜是指埋入一般由多糖构成的细胞外聚合物(EPS)内的微生物聚集体，并且可含有其他组分，例如蛋白、细胞外DNA和用于制备生物催化剂的聚合物中的一种或多种。生物膜的厚度由连续EPS结构内所含聚集体的大小确定，但连续EPS结构不包括可能在单独的生物膜之间延伸的原纤(fibril)。在某些情况下，生物膜以随机的、三维方式延伸，并且厚度确定为远端之间的最大直线距离。薄生物膜为在任何给定方向上未超出约10微米的生物膜。
生物产物是指生物转化的产物，其可为合成代谢产物或分解代谢产物并且包括但不限于初级或次级代谢物。
污染微生物为与用于底物的生物转化的微生物竞争的微生物，并且可能为外来的或来自上游的生物转化方法。参照本发明的生物催化剂，污染微生物也包括即便可能不争夺底物也可沾污生物催化剂的表面的那些。
化学需氧量(COD)为将水中有机碳转化成二氧化碳所需的氧量并因此为水的有机化合物含量的指标。COD记录为毫克/升。一种确定COD的方法为哈希法8000(2009年2月第九版)。
基本静止的状态是指微生物种群已经历所有代谢生物转化活性的基本停止但能够被恢复。基本静止条件的存在可通过测量生物转化活性确定。该基本静止条件可能为需氧、缺氧或厌氧的，其可以与所述微生物的正常操作条件相同或不相同。在寻求静止时，温度通常在约0℃至25℃，比如4℃至15℃的范围，其可以不同于正常操作条件下所用的温度。
外网为间隔开的微生物的群落，其可以为通过股链形的细胞外聚合物互连的个体细胞或生物膜的形式。外网中微生物或生物膜之间的间距足以允许其间的营养物质和底物通过，并且常常至少约0.25微米，比如至少约0.5微米，并且可以大至5或10微米或更多。
外部皮肤为生物催化剂上的聚合物外层，其与生物催化剂的内部结构中的主通道相比开放较小。生物催化剂可以具有或可以不具有皮肤。在存在皮肤时，其可以具有或可以不具有表面孔。在不存在表面孔时，流体扩散通过皮肤。在存在孔时，它们常常具有约1至10微米之间的平均直径。
完全水合是指，生物催化剂在25℃下浸入水中，直至没有观察到生物催化剂的表面体积的进一步膨胀。
用于生物催化剂的“水合膨胀体积”(HEV)通过以下方式确定，在水中在25℃下水合生物催化剂直至生物催化剂的体积已稳定并且测量生物催化剂的表面体积(Vw)，从水中移除生物催化剂并且移除外部的过量水，但并不干燥，并且在25℃下将生物催化剂浸没在乙醇中足够的时间以使生物催化剂的体积已稳定并且随后测量生物催化剂的表面体积(Vs)。
以体积百分比计的HEV计算为量[Vw/Vs]x 100％。
为确保用乙醇脱水，使用乙醇与生物催化剂的大体积比，或使用生物催化剂在新鲜乙醇中的连续浸没。乙醇为初始脱水乙醇。
不可逆地保留和基本上不可逆地保留是指，微生物附着至界定开放、多孔的腔体的聚合结构。不可逆保留的微生物不包括位于生物催化剂的外表面上的微生物。微生物被不可逆地保留，即使该生物催化剂具有允许微生物流出的足够大小的外部孔。
高度亲水性聚合物为吸引水(即吸湿)的聚合物。通常，通过使用纯蒸馏水的5微升滴的停滴法(sessile drop method)测量，当成型为膜时，该聚合物具有小于约60°的水接触角，并且有时小于约45°，并且在某些情况下小于约10°。
高度水合是指，生物催化剂的体积(不包括微生物的体积)为至少约90％水。
分离酶为从细胞中移除的酶并且可以在或可能不在与其他代谢活性或非活性材料的混合物中。
巨生物包括但不限于软体动物，例如双壳类软体动物(bivalve mollusks)，包括蚌类(mussels)和蛤类(clams)；藤壶(barnacles)；苔藓虫(bryozoan)；多毛动物(polychette)；和大型藻类(macroalgae)。
基体(matrix)为开放、多孔、聚合结构并且是具有由聚合结构界义的互连的多个通道或腔体(本文中“主腔体”)的制造器件(article)，所述腔体的最小尺寸在约5和100微米之间(不包括其中所含的任何微生物)，其中流体可从基体的外部进入和离开主腔体去往基体的外部。多孔基体可以含有小于或大于主腔体的通道或腔体，并且可以含有对基体的外部不开放的通道和腔体。主腔体(即，最小尺寸在约5或10微米至70或100微米之间(不包括其中含有的任何微生物)的开放、互连区域)具有小于约300微米、优选小于约200微米的标称(nominal)主尺寸并且有时最小尺寸为至少约10微米。术语“开放、多孔”因此是指存在通过其间的开口而互连的通道或腔体。
代谢条件包括生物催化剂中微生物必需或所需的温度、压力、含氧、pH和营养物质(包括微量营养素)和添加剂的条件。在未另外提供的情况下，营养物质和添加剂包括生长促进剂、缓冲液、抗生素、维生素、矿物、氮源和硫源和碳源。
金属化物(metalate)为金属或半导体元素的氧离子(oxyanions)、羟基或盐。
市政废水为自两个或更多个来源收集的废水，其中废水由人类活动生成，所述活动包括但不限于人类和动物粪便；家庭、商业、农业、矿业和工业废物和排水；暴雨径流；食品；和产品、中间品和原材料处置物。
含氧有机产物是指含有具有2至100个并且通常具有2至50个碳和选自羟基、羰基、醚和羧基的至少一个部分的一种或多种含氧有机化合物的产物。
可渗透是指组分可从生物催化剂的外部进入主腔体或离开主腔体去往生物催化剂的外部。
微生物的种群是指给定体积中微生物的数目并且包括基本上纯培养物(无外来污染)和混合培养物。
表型改变或修改或表型转变是因环境因素所致的微生物的特征或特性的改变并因此不同于微生物的基因构成的改变。
静态是指，生物催化剂中水性介质静止；然而，营养物质和底物和生物产物的流动可经由扩散和毛细作用流动而通过水性介质来进行。
保留的固体是指固体被保留在生物催化剂的内部中。该固体可通过任何合适机制保留，所述机制包括但不限于通过不能够经过生物催化剂的皮肤中的孔而保留，通过被捕获在由微生物形成的生物膜或多糖结构中而保留，通过保留在生物催化剂的聚合结构中而保留，或通过在生物催化剂或微生物的结构内空间缠绕来约束。
最小尺寸是指界定主腔体的长度、宽度和高度的最大尺寸中最小值的最大尺寸。通常，基体中主腔体占优势的是基本上宽度和高度对称。从而，最小尺寸可近似等于在二维横截面上观察到的腔体的最大宽度，例如通过光学或电子显微镜。
聚合物的溶解前体为经溶解或分散以使得通过肉眼不可能看见固体并且稳定的单体或预聚物或聚合物本身。例如，即便固体未溶解，固体也可高度水合并且悬浮于水性介质中。
吸着(Sorption)是指任何物理或化学吸引，并且能够是吸附(adsorption)或吸收(absorption)并且可能相对很弱，例如约10千焦/摩尔，或与吸着剂的化学相互作用。优选地，吸着剂的吸着作用大于水与底物之间的吸着力，但不能太大以使脱附该底物需要过度能量。很多情况下，吸着强度在约10和70千焦/摩尔之间，比如15和60千焦/摩尔之间。吸着剂为对至少一种底物具有吸着能力的固体。
微生物的稳定种群(population)是指，微生物的种群未降低超过50％也未提高超过400％。微生物种群的稳定性可通常由生物催化剂在其预期使用中的生物转化活动的改变或缺乏改变来确定。
灭菌是指杀灭微生物生命的所有形式的任何方法，并且灭菌剂是指可实现灭菌的一种或多种化学物质或方法。灭菌因此为非选择性过程，因其影响微生物生命的所有形式。消毒可能是灭菌或可能影响微生物生命而不杀灭微生物。消毒剂是指可实现消毒的一种或多种化学物质或方法。
底物为可通过微生物代谢的碳源、电子供体、电子受体和其他化学物质，所述化学物质可以向或可以不向微生物提供持续价值(sustaining value)。
糖是指具有5至12个碳原子的碳水化合物并且包括但不限于D-甘油醛、L-甘油醛、D-赤藓糖、L-赤藓糖、D-苏糖、L-苏糖、D-核糖、L-核糖、D-来苏糖、L-来苏糖、D-阿洛糖、L-阿洛糖、D-阿卓糖、L-阿卓糖、2-酮基-3-脱氧D-葡糖酸酯(盐)(KDG)、D-甘露糖醇、古洛糖醛酸酯(盐)、甘露糖醛酸酯(盐)、甘露糖醇、来苏糖、木糖醇、D-葡萄糖、L-葡萄糖、D-甘露糖、L-甘露糖、D-古洛糖(D-gluose)、L-古洛糖(L-gluose)、D-艾杜糖(D-idose)、L-艾杜糖(L-idose)、D-半乳糖、L-半乳糖、D-木糖、L-木糖、D-阿拉伯糖、L-阿拉伯糖、D-塔罗糖、L-塔罗糖、葡萄糖醛酸酯(盐)、半乳糖醛酸酯(盐)、鼠李糖、低聚果糖(FOS)、低聚半乳糖(GOS)、菊粉、甘露聚糖低聚糖(MOS)、寡聚海藻酸酯(盐)、甘露糖醛酸酯(盐)、古洛糖醛酸酯(盐)、α-酮酸、或4-脱氧-L-赤-己糖纤维素糖醛酸酯(盐)(DEHU)。
典型的生物反应器系统以连续、半连续或成批操作模式操作的那些并且包括生物反应器设计,例如但不限于池(在光合方法的情况下)、泡塔反应器、搅拌反应器、填充床反应器、涓流床反应器、流化床反应器、推流(管)反应器和膜(生物膜)反应器。在进行光合生物转化时，反应器可经设计能够转移光能。生物催化剂可以在水性介质中自由移动或固定(例如)至反应容器中的结构上，或可以其自身提供固定结构。可以使用不止一个反应容器。例如，反应容器可以呈并联或以顺序流串联(flood series)。
典型细菌嗜温条件为代谢条件，其包括根据微生物的温度容限，在约0℃和50℃或更高的之间的范围内的温度，最常见约5℃或10℃至40℃或45℃；由于设备构造所致的范围从约70至500、比如90至300kPa的绝对压力，但更高和更低压力也可以具有适用性；和范围在约3和9之间的pH。典型细菌嗜温条件可以是需氧或厌氧的。
化学产物的典型分离技术包括用于气态化学产物的相分离，静止的蒸馏柱相分离(液-液和固-液)的使用，气提，无逆流离心机，用于液-液萃取的Karr柱，混合器-澄清槽，或膨胀床吸附。分离和纯化步骤可以通过组合各种方法的多个途径中的任一者进行，其可以包括离心、过滤、减压蒸发、液/液相分离、膜、蒸馏、和/或本文引用的其他方法。标准分离和纯化步骤的原理和细节是本领域已知，例如“Bioseparations Science andEngineering,”Roger G.Harrison et al.，Oxford University Press(2003)，andMembrane Separations in the Recovery of Biofuels and Biochemicals--An UpdateReview，Stephen A.Leeper，pp.99-194，in Separation and Purification Technology，Norman N.Li and Joseph M.Calo，Eds.，Marcel Dekker(1992)。
细胞的湿重量或湿质量为其中游离水已移除的细胞的质量，即，在初湿含浸法(incipient wetness)时的细胞。
本文提及有机酸时应视为包括对应的盐和酯。
本文提及生物催化剂尺寸和体积时是指完全水合的生物催化剂，除非另外陈述或从上下文中清楚了解。
生物催化剂
A.生物催化剂概述
本发明的生物催化剂具有界定互连主腔体的聚合结构(基体)，即，其为开放多孔基体，其中微生物代谢保留于基体的内部中，即，该微生物促进附着，而非被外部结构物理约束。在本发明的生物催化剂中，微生物和尤其它们的群落调控它们的种群。另外，结合基体中微环境的感测性质，认为该微生物在群落的成员之间建立空间关系。
因此微生物之间的群落通信和微生物的行为对实现并且维持代谢保留的微生物很重要。微生物之间的通信被认为是通过放出化学物质(包括但不限于自动诱导物)来进行，并且通信包括用于群落行为和用于信号转导的通信。通常，本发明的方法中所用的生物催化剂的制备可导致微生物的种群被初始定位于生物催化剂的内部中，这是实质上的并且在稳态水平存在。在微生物于生物催化剂中的所述密度下，有利于群落通信，所述通信被认为在生物催化剂形成期间开始，并且发生表型转变以实现代谢性保留并且调节微生物的种群。
获得代谢性保留的稳定微生物种群的环境的特征在于亲水性聚合物的高度水合结构，所述结构结构定义最小尺寸在约5和100微米之间的多个互连腔体并且具有至少约1000的水合膨胀体积(HEV)。该结构因此定义微生物的微环境。这些微环境不仅有利于微生物之间的通信，而且在某些情况下调节对微生物的环境应激并且调节对微生物的底物和营养物质的供应。多孔基体的高度水合和膨胀结构和其开放性也可适应微生物的大型种群的代谢性保留并且适应与代谢性保留相关的群落行为。
不希望受理论约束，认为基体的极高HEV意味着固体结构本身内存在水。吸收的水认为通过范德瓦尔斯相互作用或与亲水性聚合物的氢键来作用来产生作用，从而互连聚合物链并且加强膨胀状态的聚合结构。当通过脱水移除水时，聚合物股链能够以能显著收缩结构的方式伸缩。水合聚合结构被认为具有低平均表面能，同时仍能够提供用于微生物附着的部位。在某些情况下，由于水合，高度水合的聚合物表面本身可以为水和营养物质的来源。
保留于基体中的该微生物具有形成外网的能力。腔体的静态性质有利于形成并随后维持任何形成的外网。认为可辩别的外网并非实现微生物种群的诸如种群调节和代谢转变之类的表型改变所必需的。在外网发展时，通常EPS的股链互连紧邻的微生物并且将微生物连接至表面并且形成外网。在某些情况下，微生物形成薄生物膜并且这些薄生物膜被包围在外网中。本发明的生物催化剂在其比薄生物膜更大的内部中基本不存在生物膜。从而，在生物催化剂中可最终形成的任何生物膜都相对很薄，例如厚度至多约10、并且优选至多约2或5微米，并且大小稳定。因此，各薄生物膜通常仅一些细胞并且在外网中被连接。
图1和2为SEM图，示出微生物在本发明的生物催化剂的内部中主腔体内的两个潜在构造。这些图像并非本发明的广泛方面的限制。各生物催化剂长时间用在生物转化中，然后制备用于SEM分析。各生物催化剂的生物转化活性在生物转化的持续时间内维持基本上恒定。图1的生物催化剂包含酿酒酵母(Saccharomyes cerevisiae)并且已用于从糖经约2周时间制备乙醇。生物催化剂在其使用期间证明所述微生物被不可逆地保留并且已发生向较高乙醇转化效率的代谢转变。图2的生物催化剂包含脱氮无色杆菌(Achromobacterdenitrificans)并且用于历时约1个月的连续流操作的硝酸盐和高氯酸盐降解。该生物催化剂还证明所述微生物被不可逆地保留在生物催化剂中并且有效地降解高氯酸和硝酸盐离子而不生成固体。各个图示出微生物处于高种群密度，但具有的空间构造不能证明厚生物膜的过度生长或形成。图1中可观测的外网还证明已产生另外的表型，微生物的相互连接并非生物转化方法中所用酵母的特性。图2示出外网的形成。一般来讲，当微生物生成EPS时，在生物催化剂的使用持续时间内产生更广泛外网。
认为在某些情况下生物催化剂的内部的空间构造和任何外网促进微生物之间的通信。该通信可能能够延伸至间隔开的外网和薄生物膜单元。作为一般原则，自动诱导物的强度、或浓度在对自动诱导物被另一种微生物放出的的响应中被微生物扩大。该放大通过在生物催化剂的内部中的微环境的空间构造而增强，在某些情况下是通过形成生物催化剂的聚合物的化学组成而增强。主腔体的空间构造对表型改变和种群稳定性的重要性已通过含有大腔体(例如最小尺寸大于约1000微米)的生物催化剂的实验证实。虽然生物催化剂具有生物转化活性，但与较小腔体中微生物的大型稳定种群相反，大腔体的表面似乎基本上不含任何微生物。
通信被认为导致微生物的群落在生物催化剂的内部中维持相对恒定的种群。本发明的生物催化剂中发生的另一种表型改变(被认为由该通信所致)为代谢转变，即，所述群落朝向繁殖的代谢功能减弱并且所寻求的生物转化持续。生物催化剂中微生物的种群可由于代谢活动的这种转变而趋于具有很老的平均年龄。相比于较年轻细胞，较老微生物也往往会提供更稳固且可持续的性能，原因是较老细胞已适应于操作条件。
该通信的另外有益效果可是由群落在阻挡外来微生物并且维持菌株类型均匀性时展现的群落水平强度或适应性的增加。在某些情况下，生物催化剂使用期间的微生物可以经历自然选择，导致群落(community)中菌株型变得丰富或为微生物的群落的存活提供另一种有益效果。在某些情况下，微生物之间的通信可以允许微生物的种群展现多细胞性或多细胞类行为。因此，本发明的生物催化剂中微生物的种群可以具有适应于不同情况但仍为群落的有益效果共同起作用的微生物。
在某些情况下，多孔基体可以向微生物提供底物调节和营养物质，以优化涉及可用底物的代谢通道，并且这些通道可以是或可以不是其中可获得充足底物和其他营养物质的主要使用通道。因此，生物催化剂中的微生物可以展现用于主要使用通道的增强生物活性或通常受抑制的代谢活性。
认为该微环境可以促进基因交换或水平基因转移。也可以促进结合(conjugation)或细菌匹配(bacterial mating)，包括质粒以及染色体元件的转移。此外，在微生物裂解的情况下，微环境中的DNA和RNA股线(strands)更易被这些微环境中的微生物吸收。这些现象可增强微生物的功能能力。
该生物催化剂具有对毒素的增强耐受性。在某些情况下，微生物和任何外网之间的通信可有利于种群建立针对毒素的防御。已在本发明的生物催化剂中观察到群落对存在毒素的响应。例如，生物催化剂经历毒素例如乙醇和次氯酸钠的添加而存活，并且初始生物转化活性迅速恢复，因此表明基本上整个群落的存活。
如果需要，在用于代谢方法之前，可处理生物催化剂以增强外网的形成和(需要时)增强薄生物膜的形成。然而，生物催化剂的性能一般不取决于外网形成的程度，并且生物转化活动在微生物附着至聚合结构之前和生成广泛外网结构时之间通常维持相对不变。
B.多孔基体的物理描述
本发明的生物催化剂包含具有开放、多孔内部结构的基体，并且微生物不可逆地、代谢性保留于基体的至少主腔体内。
基体可以为自支承结构或可以放置在预成形的结构如膜、纤维或中空纤维、或成形制品之上或之中。预成形结构可以由任何合适材料构造，所述材料包括但不限于金属、陶瓷、聚合物、玻璃、木材、复合材料、天然纤维、石材和碳。在自支承的情况下，基体的形式通常为片材，圆柱体，多叶形结构如三叶形挤出物，中空纤维，或者是可以为球形、长方形、或自由形式的小珠。无论自支承或放置于预成形结构之上或之内的基体优选具有小于约5厘米、优选小于约2厘米、比如约0.01至1厘米的厚度或轴向尺寸。
多孔基体可以具有各向同性的或(优选地)各向异性的结构，并且横截面的外部部分具有最密结构。即使存在各向异性结构，主腔体仍可以在基体的内部范围内在大小上相对均匀，或主腔体的大小和其频率在生物催化剂的横截面上可以变化。
本发明的生物催化剂具有主腔体，即最小尺寸约5或10至70或100微米之间的开放的互连区域(不包括其中所含任何微生物)。为了确定尺寸，微生物的尺寸包括外网的任何物质。在许多情况下，主腔体具有小于约300、优选小于约200微米的标称主要尺寸并且有时至少约10微米的最小尺寸。通常，该生物催化剂含有较小通道和与主腔体开放性连通的腔体。很多情况下，较小通道具有约0.5至20如1至5或10微米的最大横截面直径。主腔体的累计体积(不包括微生物和微生物相关物质所占体积)与生物催化剂的体积之比一般来讲在约40或50至70或99％体积范围内。在许多情况下，主腔体构成整个催化剂小于约70％的体积，剩余的部分构成较小通道和孔。构成主腔体的生物催化剂的体积分数可由其横截面估算。该横截面可以经由任何合适显微技术例如扫描电子显微术和高功率光学显微术来观察。基体的总孔隙体积可从基体的体积测定值和用于制备该基体的聚合物和任何其他固体的量和密度来估算。
生物催化剂的特征在于具有高内表面积，通常超过至少约1平方米/克和有时至少约10平方米/克。在某些情况下，由完全水合生物催化剂(不包括微生物的体积)保持的水的体积在90％至99％或更多的范围内。优选地，生物催化剂具有至少约1000％、很多情况下至少约5000％、优选至少约20,000％并且有时在50,000％和200,000％的水合膨胀体积(HEV)。
通常，所选择的聚合物的类型和基体的空隙体积百分比使得基体具有足够强度来允许在生物转化方法中处理、储存和使用。
多孔基体可以具有或可以不具有外部皮肤。优选地，基体具有外部皮肤以帮助调节组分向多孔基体的内部通道流入或从多孔基体的内部通道流出。另外，因为皮肤高度亲水，污染性或外来微生物难以在生物催化剂的外部上建立强效生物膜，获得了另外的有益效果。这些污染性微生物在甚至低物理力下，例如通过生物催化剂周围的流体流动，通常被移除。因此，生物催化剂的积垢可基本上通过洗涤或通过使用期间的流体流动消除或减轻。
在存在的情况下，皮肤通常具有平均直径在约1和10之间、优选平均直径2至7微米的孔。孔可以包含约1至30、比如2至20％的外表面积。除了提供屏障阻止外来微生物进入生物催化剂的内部，外部皮肤优选相对平滑以减小微生物通过物理力例如流体流和与其他固体表面接触附着至皮肤的外侧。通常，除了大于约2或3微米的孔之外，该皮肤基本上无异常物。在存在皮肤的情况下，其厚度通常小于约50微米、比如约1和25微米。应当理解，皮肤的厚度可能难以分辨多孔基体何处具有最密结构在基体的外部的各向异性结构。
多孔基体在它们的内部中提供多个独特微环境和纳米环境。这些独特微环境和纳米环境导致酶或微生物定位于经受不同代谢条件的生物催化剂内的不同区域处。代谢条件可以在组合物、氧化或还原电势和pH中一者或多者上不同。例如，组合物可以基于电子供体、其他营养物质、污染物、生物转化产物等等而变化，并且因此可影响这种环境中微生物内的代谢过程。因此，可能在相同基体内具有需氧和厌氧代谢并且可能由于更优选的底物被代谢具有次优选底物的增强生物转化。可使用微生物的单一菌株或使用两种或更多种不同菌株，能够产生具有多种增强的生物转化的能力。在某些情况下，根据微生物定位于其中的微环境，可发生不同的表型改变。
多种因素都对这些独特微环境的存在有贡献。例如，浓度梯度为这些通道中水相内组分流入和流出的主要驱动力。因为生物催化剂中的微生物生物转化组分，产生浓度梯度，尤其沿着从主腔体延伸的通道。组分的浓度改变因此导致生物催化剂内组分浓度的变化。在一些情况下，在生物催化剂内一个或多个区域处的电子供体或营养物质的供应减少的微生物可以处于或接近饥饿，这可以导致引起应激抗性的表型改变。生物转化和随后的梯度改变也影响组分流入和流出生物催化剂的外部的速率。
高密度的微生物可在稳态操作下存在于生物催化剂内。虽然存在多种独特微环境和纳米环境，流动通道和定义该通道的聚合结构的高渗透性的组合能够实现在基体范围内的活的微生物种群。在某些情况下，基于生物催化剂体积的细胞密度优选为至少约100克/升，优选至少约200，并且通常在约250和750克/升之间。
含多糖的生物催化剂
在本发明的生物催化剂的一个优选方面，已经发现通过在生物催化剂的内部引入多糖，可维持微生物种群的存活力。通常，多糖是大多数微生物不可用的。通常，多糖对提供量按生物催化剂中保留的每克细胞至少约0.1克、比如至少约0.2至100克，并且有时生物催化剂以每升体积的完全水合生物催化剂含有25至500克多糖。用于制备生物催化剂的多糖粒子优选具有小于约50、优选小于约20、通常约0.1至5微米的主尺寸。固体多糖粒子优选为颗粒状并且通常具有约1:10至1:1、比如1:2至1:1的最小横截面尺寸与最大横截面尺寸的纵横比。
由于多糖维持微生物在生物催化剂中的存活力的能力，可有利于生物催化剂的储存、处理和使用方法。例如，生物催化剂可用于以缺碳方式操作的生物转化方法。在其中添加碳源以维持微生物并且在所寻求的底物至生物产物的生物转化中，例如在硝酸盐、亚硝酸盐和高氯酸盐阴离子的分解代谢以及金属化物的代谢还原中，不使用碳源的代谢方法中，多糖可以用作唯一碳源并由此消除了添加碳源的必要性，或其可以减少所加碳源的量，即允许缺碳操作。优点在于，可操作生物过程，使得流出物基本不含COD。生物催化剂也具有在底物存在时耐受分裂的增强能力并且能够迅速复得生物转化活性。另外，生物催化剂可远程制造并且运输至使用地点，而不会对生物催化剂的生物转化活性产生严重不利的影响。在不向微生物复合物供应底物和其他营养物质的情况下，生物催化剂可能能够长时间进入基本静止的状态，甚至是在发生所需储存条件如温度的偏差的情况下。甚至在发生切断(shutdown)、给料中断、或给料变化的长期周期性之后，生物活性可在生物反应器中迅速复得。生物催化剂可被包装并且在密封筒、槽等等中运输。
多糖可以来自任何合适的来源，包括但不限于纤维素多糖或淀粉。多糖为碳水化合物，特征为通过糖苷键联接在一起的重复单元并且基本上不溶于水。多糖可以为匀多糖或杂多糖并且通常具有约200至15,000或更多，优选约200至5000的聚合度。优选的多糖为其中约10％、更优选至少约20％的重复单元为直链淀粉(D-葡萄糖单元)的那些。最优选地，多糖具有至少约20％、更优选至少约30％的重复单元为直链淀粉。多糖可以用或可以未用例如乙酸酯(盐)、硫酸酯(盐)、磷酸酯(盐)、丙酮酰环状乙缩醛等等官能化，但这种官能化不应使得多糖在低于约50℃的温度下可水溶。优选的多糖类别为淀粉。
多糖的来源包括天然存在的和合成的(例如聚葡萄糖)多糖。提供多糖的各种基于植物的物质包括但不限于提供纤维素和半纤维素的木本植物物质，以及通常提供淀粉的小麦、大麦、马铃薯、甘薯、木薯淀粉(tapioca)、玉米、玉蜀黍、木薯(cassava)、蜀黍、裸麦和麸皮。
含固体吸着剂的生物催化剂
在本发明的生物催化剂的另一个优选方面，生物催化剂包含固体吸着剂。该固体吸着剂可以为形成结构的亲水性聚合物或可以为固体结构中所含的微粒，即不同的固体结构而无论形状如何。该吸着剂可以为任何合适的固体吸着剂，其用于底物或营养物质或影响所寻求的代谢活性的其他化学物质，例如但不限于共代谢物、诱导物和促进剂，或用于可能不利于微生物的组分，例如但不限于毒素、噬菌体、生物产物和副产物。固体吸着剂通常为在吸着剂的表面上发生吸着的吸附剂。微粒固体吸着剂优选为具有主尺寸小于约5微米、优选在约5纳米至3微米的纳米材料。在固体吸着剂由聚合物构成的情况下，固体结构可以基本上完全由聚合物构成，或可以为嵌段共聚物或聚合物混合物，其构成固体结构(不包括水)的约5至90质量％。在固体吸着剂为生物催化剂中的单独微粒的情况下，生物催化剂可以包括占生物催化剂的质量的约5至90质量％(不包括水和微生物，但包括亲水性聚合物和微粒)。不止一种固体吸着剂可以用于生物催化剂。优选地，固体吸着剂相对均匀分散于生物催化剂的内部中，但固体吸着剂可以在生物催化剂中具有不同的分布。在分布不同的情况下，发现具有固体吸着剂的较高浓度的区域通常朝向生物催化剂的表面。
在使用微粒吸着剂的情况下，吸着剂包含具有寻求的吸着能力的有机或无机物质。固体吸着剂的实例包括但不限于聚合物材料，尤其是具有极性部分的聚合物材料，碳(包括但不限于活化碳)，二氧化硅(包括但不限于煅制二氧化硅)，硅酸盐，粘土，分子筛等等。分子筛包括但不限于沸石和含有硅、铝、钛、铜、钴、钒、钛、铬、铁、镍等等中一种或多种的氧化物和磷酸盐的合成结晶结构。吸着性可以包含在固体吸着剂的表面上的物理或化学或准化学吸着中的一种或多种。因此，表面积和结构可能影响一些固体吸着剂的吸着性。很多情况下，固体吸着剂为多孔的，并且因此提供高表面积和物理吸着能力。通常地，固体吸着剂中的孔的有效直径在范围约0.3至2纳米内。
优选在生物催化剂的制备期间，固体吸着剂可以以任何方便的方式掺入聚合结构中。
磷光生物催化剂
本发明的另一个优选方面涉及含有磷光物质和光合微生物(即在代谢过程中使用光能的微生物)的生物催化剂。优选地，该微生物为藻类，最优选地为微藻，或蓝细菌。
光合微生物的生物活性可被增强以使用广泛光源如日光来产生表达的生物产物。根据本发明，光合微生物不可逆地保留在生物催化剂中，其中生物催化剂的内部含有磷光物质，所述磷光物质能够将UV光转变为波长在约400至800nm、优选约450至650nm之间的光并且能够展现持久性并且发射光通常持续至少约5秒。磷光材料为具有由电磁辐射激发成激发状态的能力但储存能量逐渐释放的材料。磷光材料的发射具有持久性，即，在激发源移除之后，这种材料的发射可持续数秒、数分钟或甚至数小时。发光材料为能够在激发成激发状态之后发射电磁辐射的材料。持久性为在中止辐照之后发源于光致发光物体的光致发光发射降低至可探测阈值所花的时间。
辐射的持久性使微生物能被循环进入和离开暴露于光源的培养物液体的区域并且仍具生产性。在较长持久持续期间，光合微生物可在不存在光强度或光强度下降的情况下继续光生物转化。生物催化剂在长时间段内维持光合活性的能力通常至少约30天，并且在一些情况下至少一年，磷光材料的成本通常通过增加产量、生物反应器减小的占有面积和方便的生物产物回收弥补。
高度水合的生物催化剂是对保留在生物催化剂的内部中的光合微生物的光辐射的显著分配者并且也用于保护微生物免光呼吸作用。由于微生物被不可逆地保留在生物催化剂中，培养物液体(包含用于代谢方法的营养物质的水性溶液)中的固体碎片可大大减少(如果不是基本上消除的话)。因此，浊度降低并且因此可在培养物液体中更大深度处发现给定光强度。无论磷光材料是否使用，本发明的生物催化剂提供的这些优点可在任何光合过程中实现。
磷光材料的实例包括但不限于磷光材料为金属硫化物磷光体，例如美国专利No.3,595,804中所述ZnCdS:Cu:Al、ZnCdS:Ag:Al、ZnS:Ag:Al、ZnS:Cu:Al，和用稀土元素共活化的金属硫化物，例如美国专利No.3,957,678中所述那些。与金属硫化物颜料相比发光强度更高并且发光持久性更长的磷光体包括含有一般为碱土铝酸盐或碱土硅酸盐的主体材料的组合物。主体材料一般包含铕作为活化剂并且通常包含一种或多种共活化剂，例如镧系的元素(例如镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镏)、锡、锰、钇或铋。这种磷光体的实例描述于美国专利No.5,424,006。
高发射强度和持久性磷光材料可为具有式MOmAl2O3:Eu2+，R3+的碱土铝酸盐氧化物，其中m为范围从1.6至约2.2的数字，M为碱土金属(锶、钙或钡)，Eu2+为活化剂，并且R为镧系(例如镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镏)中的一种或多种三价稀土材料、钇或铋共活化剂。这种磷光体的实例描述于美国专利No.6,117,362。磷光材料也包括具有式MkAl2O4:2xEu2+，2yR3+的碱土铝酸盐氧化物，其中k＝1-2x-2y，x为范围从约0.0001至约0.05的数字，y为范围从约x至3x的数字，M为碱土金属(锶、钙或钡)，Eu2+为活化剂，并且R为一种或多种三价稀土材料(例如镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镏)、钇或铋共活化剂。参见美国专利No.6,267,911B1。
磷光材料也包括其中主基体中Al3+的一部分被二价离子例如Mg2+或Zn2+替换的那些和其中碱土金属离子(M2+)被单价碱金属离子例如Li+、Na+、K+、Cs+或Rb+替换的那些，例如美国专利No.6,117,362和No.6,267,911B1中所述。
高强度和高持久性硅酸盐已在美国专利No.5,839,718中公开，例如Sr.BaO.Mg.MO.SiGe:Eu:Ln，其中M为铍、锌或镉，Ln选自稀土材料，3A族元素，钪，钛，钒，铬，锰，钇，锆，铌，钼，铪，钽，钨，铟，铊，磷，砷，锑，铋，锡，和铅。特别可用的是镝、钕、铥、锡、铟和铋。这些化合物中的X为至少一种卤原子。
其他磷光材料包括式MO.Al2O3.B2O3:R的碱土铝酸盐，其中M是不止一种碱土金属(锶、钙或钡或它们的组合)的组合并且R为Eu2+活化剂和至少一种三价稀土材料共活化剂(例如镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镏)、铋或锰的组合。这种磷光体的实例可见于美国专利No.5,885,483。MAl2O4类型的碱土铝酸盐(其描述于美国专利No.5,424,006)可以也作为包含供体系统和受体系统的磷光材料来应用，例如美国专利No.6,953,536B2中所述。
能够理解，许多其他磷光体可应用。参见例如Yen和Weber，Inorganic Phosphors:Compositions，Preparation and Optical Properties，CRC Press，2004。
磷光材料可以是离散颗粒或可以是具有涂层的粒子以有利于在形成基体的聚合物中的掺入和保留。该粒子可以具有任何合适形状。一般来讲，粒子的最大尺寸小于约1毫米、优选小于约0.1毫米。该粒子可以是纳米粒子。
磷光材料展现的持久性时间的范围可为短持续时间例如约5至10秒至多达10或20小时或更多并且将取决于所用磷光材料。优选的磷光材料展现至少约1分钟的持久性。发射辐射的强度将部分取决于磷光材料在生物催化剂中的浓度和磷光材料的性质。通常，磷光材料按生物催化剂中至少约0.1、比如0.2至5或10质量％的聚合物(非水合)的量提供。生物催化剂中可以使用一种或多种磷光材料。在使用不止一种磷光材料的情况下，可以选择组合来提供包含在辐射源的带宽中并且提供不同持久性时间的不同光波长的一个或多个波移。在优选的实施方案中，磷光材料呈纳米粒子形式，例如具有约10nm至10μm的主要尺寸。在某些情况下，其可能需要用相容剂涂布磷光材料以有利于磷光材料在聚合物内的掺入。相容剂包括但不限于具有羟基、硫醇、甲硅烷基、羧基或磷酰基中一种或多种的分子。
含酶的生物催化剂
在另一方面，除了微生物之外，该生物催化剂可在生物催化剂的内部中含有一种或多种分离酶，以导致组分的催化改变，所述组分可以为底物或其他营养物质，或微生物的生物产物或副产物或联产物，或可以为毒素、噬菌体等等。通常，细胞外酶结合或附着到固体表面，所述固体例如亲水性聚合物、固体添加剂、细胞壁和细胞外聚合物质。应理解分离酶也可以位于微生物的细胞内。从而，酶可基本上不可逆地保留在生物催化剂的内部中。.由于本发明的生物催化剂的结构，微生物和酶可极为靠近并且因此可获得有效、协同的生物转化。酶与生物催化剂的内表面的缔合通常增加所述酶对由于温度、pH、或与酶的热稳定性或可操作稳定性有关的其他因素的改变所致的变性的抗性。另外，通过保留在生物催化剂中，有利于生物反应器中酶的使用并且不利的后反应可减轻。
酶的实例包括但不限于氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和连接酶中的一种或多种。该酶可以导致一种或多种代谢转化。例如，酶可以使进料中组分代谢以提供用于生物催化剂中微生物的中间体。酶可以用于使微生物的代谢物代谢以提供所寻求的生物产物。酶可以用于使可以对微生物不利的在进料中的组分或微生物的共代谢物被代谢成对微生物的不利较小的代谢物。如果需要，两种或更多种不同酶可用于影响进料中组分或微生物的代谢物的一系列代谢转化。
代表性酶包括但不限于：纤维素酶、纤维二糖水解酶(例如CBHI、CBHII)、醇脱氢酶(A、B和C)、乙醛脱氢酶、淀粉酶、α淀粉酶、葡糖淀粉酶、β葡聚糖酶、β葡糖苷酶、转化酶、内葡聚糖酶(例如EGI、EGII、EGIII)、乳糖酶、半纤维素酶、果胶酶、氢化酶、支链淀粉酶、植酸酶、水解酶、脂肪酶、多糖酶、木素酶、1000、1500、DUET、TRIO、或Cellic CTec2酶、磷酸葡糖异构酶、肌醇-1-磷酸酯合酶、肌醇单磷酸酶、肌-肌醇脱氢酶、肌-肌糖-2-脱水酶、肌醇2-脱氢酶、脱氧-D-葡糖酸酯异构酶、激酶、5-脱氢-2-脱氧葡糖酸激酶、脱氧磷酸葡糖酸盐醛缩酶、3-羟基酸脱氢酶、异构酶、拓扑异构酶、脱水酶、单糖脱氢酶、醛缩酶、磷酸酶、蛋白酶、DNase、海藻酸酯裂解酶、昆布多糖酶、内葡聚糖酶、L-丁二醇脱氢酶、乙偶姻(acetoin)还原酶、3-羟基酰基-CoA脱氢酶、或顺式乌头酸酯脱羧酶。酶包括Heinzelman等人所述那些(2009)PNAS 106:5610-5615，该文献全文以引用的方式并入本文。
酶可以在生物催化剂形成之前结合至用于生物催化剂的亲水性聚合物的前体，或可以(例如)通过添加至用于形成生物催化剂的液体介质而在生物催化剂制备期间被引入。本领域的技术人员已知用于在固体载体上提供酶或其片段、或核酸的许多方法。这种方法的一些实例包括(例如)经由吸附、经由共价结合、经由交联、经由化学反应或方法的静电小滴生成电化学方式。各种方法在以下中有所描述：Methods in Enzymology，ImmobilizedEnzymes and Cells，Part C.1987.Academic Press.Edited by S.P.Colowick andN.O.Kaplan.Volume 136；Immobilization of Enzymes and Cells.1997.HumanaPress.G.f.Bickerstaff编辑。系列:Methods in Biotechnology，J.M.Walker编辑；DiCosimo，R.，McAuliffe，J.，Poulose，A.J.Bohlmann，G.2012.Industrial use ofimmobilized enzymes.Chem.Soc.Rev.；和Immobilized Enzymes:Methods andApplications.Wilhelm Tischer and Frank Wedekind，Topics in Current Chemistry，Vol.200.Page 95-126.
C.用于制备生物催化剂的方法
在理解上述代谢性保留微生物的原理后，本领域完全理解，用于制备生物催化剂的组分(包括微生物)和用于制备生物催化剂的方法条件对本发明的广泛方面并非关键，并且可广泛变化。在任何情况下，用于用不可逆地、代谢性保留的微生物来制备生物催化剂的组分和方法条件不会严重不利影响所述微生物。
生物催化剂可以由液体介质制备，该液体介质含有微生物和用于亲水性聚合物的溶解前体，所述前体可以为可融或可结合以形成基体的可聚合或可凝固组分或固体中的一种或多种。由于大多数微生物和酶与水相容，水性(aqueous)介质最常使用。然而，在耐受其他液体的微生物的情况下，此类液体可用于制备所有或一部分所述液体介质。其他此类液体的实例包括但不限于液体烃、过含氧的液体、液体含羧基化合物等等。混合液体介质也可用于制备生物催化剂。混合介质可以包含可混溶或不混溶液相。例如，微生物可以悬浮于分散的水相中并且可聚合或可凝固组分可以包含在连续溶剂相中。
用于制备生物催化剂的液体介质可以含有多于一种类型的微生物(尤其是在微生物未显著地争夺相同底物的情况下)，并且可以含有一种或多种分离酶或功能性添加剂，例如多糖、固体吸着剂和磷光材料，如上所述。优选地，生物催化剂含有单个类型的微生物。微生物在用于制备生物催化剂的液体介质中的浓度应该至少为约60克/升。如上所讨论，微生物的浓度应该优选接近生物催化剂中所寻求的微生物密度。形成生物催化剂时微生物和聚合物材料的相对量可大幅变化。考虑了微生物在生物催化剂形成后的种群生长，以及在生物催化剂形成方法期间损害微生物的一些种群的可以性。然而，一般优选较高的微生物浓度，例如以每升用于制备生物催化剂的液体介质计，至少为约100克，优选至少约200克，并且通常在约250至750克之间。
任何合适的方法都可以用于固体化或聚合该聚合物材料或用于附着或融合粒子以形成具有不可逆地保留在其中的微生物的开放、多孔聚合物基体。合适方法的条件不会严重不利影响微生物。因为微生物对温度、压力和存在的其他化学物质的容限不同，一些基体形成方法相对于一个类型的微生物可以更有利于另一种类型的微生物。
优选地，聚合物基体以生物催化剂形成时在其内部提供微生物的种群的方式，通过预聚物的聚合化或通过预聚物的交联，由高分子量材料的固体化形成。示例性方法包括溶液聚合法、浆液聚合法(特征为具有两种或更多种初始相)和通过冷却或移除溶剂的固体化。
可以通过使介质经受固体化条件(例如冷却或蒸发)或添加导致固体发生聚合或交联或附聚以形成固体结构的组分例如催化剂、交联剂或凝聚剂，在液体介质中原位形成生物催化剂。或者，液体介质可以被挤出到含有固体化剂如催化剂、交联或凝聚剂的溶液中，或涂布到基底物(substrate)上并随后使复合物经受形成固体生物催化剂的条件。
用于制备生物催化剂的聚合物材料可以具有有机或无机主干，但具有足够亲水部分来提供高亲水性聚合物，所述高亲水性聚合物当掺入到基体中时，具有足够水吸着性质以提供生物催化剂的所寻求的水合膨胀体积。聚合物材料也旨在包括高分子量物质，例如蜡(无论是否通过聚合方法制备)，低聚物等等，只要它们形成这样的生物催化剂，所述生物催化剂在预期用于其用途的生物转化方法的条件下保留固体并且具有可实现水合膨胀体积的足够亲水性质。如上文所述，聚合物材料在形成聚合物基体时变得交联或进一步聚合并不重要。
聚合物材料的实例包括均聚物和共聚物，其可以交联或可以未交联并且包括提供高亲水性并且使得能够获得水合膨胀体积的缩合聚合物和加成聚合物。该聚合物可以为(比如)亲水性部分和更疏水部分的均聚物或共聚物。根据本领域中已知，优选对分子量和分子量分布进行选择以提供亲水性和强度的组合。聚合物可以用亲水部分官能化以增强亲水性。亲水部分的实例包括但不限于羟基，烷氧基，酰基、羧基，酰胺基，和钛、钼、磷、硫和氮中一种或多种的氧离子，例如磷酸盐、膦酸盐、硫酸盐、磺酸盐和硝酸盐，并且亲水部分可以进一步被诸如羟基醇盐、乙酰丙酮化物等等亲水部分取代。通常，尤其在一些相邻亲水部分如乙二醇部分处，聚合物含有羰基和羟基。在某些情况下，聚合物的主干含有醚氧以增强亲水性。在某些情况下，氧与碳在聚合物中原子比在约0.3:1至5:1。
在形成基体时可以有用的聚合物包括官能化或非官能化聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，聚醚酮，聚氨酯，聚碳酸酯，聚砜，聚硫化物，聚硅氧烷，烯属聚合物，例如聚乙烯，聚丙烯，聚丁二烯，橡胶，和聚苯乙烯，尼龙，聚乙基噁唑啉，聚乙二醇，多糖，例如藻酸钠，鹿角菜胶，琼脂，透明质酸，硫酸软骨素，葡聚糖，硫酸葡聚糖，肝素，硫酸肝素，硫酸乙酰肝素，脱乙酰壳多糖(chitosan)，结冷胶(gellan gum)，黄原胶，瓜耳胶，水溶性纤维素衍生物和角叉菜胶，和蛋白质，例如明胶，胶原和白蛋白，其可以为聚合物、预聚物或低聚物，以及来自以下单体、低聚物和预聚物的聚合物和共聚物：单甲基丙烯酸酯，例如聚乙二醇单甲基丙烯酸酯，聚丙二醇单甲基丙烯酸酯，聚丙二醇单甲基丙烯酸酯，甲氧基二乙二醇甲基丙烯酸酯，甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯，甲基丙烯酰氧乙基氢邻苯二甲酸酯，甲基丙烯酰氧基乙基氢琥珀酸酯，3-氯-2-羟丙基甲基丙稀酸酯，硬脂基甲基丙烯酸酯，2-羟基甲基丙烯酸酯，和乙基甲基丙烯酸酯；单丙烯酸酯，例如2-羟乙基丙烯酸酯，2-羟丙基丙烯酸酯，异丁基丙烯酸酯，叔丁基丙烯酸酯，异辛基丙烯酸酯，月桂基丙烯酸酯，十八烷基丙烯酸酯，异冰片基丙烯酸酯，环己基丙烯酸酯，甲氧基三甘醇丙烯酸酯，2-乙氧基乙基丙烯酸酯，四氢糠基丙烯酸酯，苯氧乙基丙烯酸酯，壬基苯氧基聚乙二醇丙烯酸酯，壬基苯氧基聚丙二醇丙烯酸酯，硅改性丙烯酸酯，聚丙二醇单丙烯酸酯，苯氧乙基丙烯酸酯，苯氧基二甘醇丙烯酸酯，苯氧基聚乙二醇丙烯酸酯，甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯，丙烯酰氧基乙基氢琥珀酸酯，和月桂基丙烯酸酯；二甲基丙烯酸酯，例如1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯，1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯，乙二醇二甲基丙烯酸酯，二甘醇二甲基丙烯酸酯，三乙二醇二甲基丙烯酸酯，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，丁二醇二甲基丙烯酸酯，己二醇二甲基丙烯酸酯，新戊二醇二甲基丙烯酸酯，聚戊二烯乙二醇二甲基丙烯酸酯，2-羟基-1,3-二甲基丙烯氧基丙烷，2,2-双-4-甲基丙烯酰氧乙氧基苯基丙烷，3,2-双-4-甲基丙烯酰基氧基二乙氧基苯基丙烷，和2,2-双-4-甲基丙烯酰氧聚乙氧基苯基丙烷；二丙烯酸酯类，例如乙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯，聚乙二醇二丙烯酸酯，1,6-己二醇二丙烯酸酯，新戊二醇二丙烯酸酯，三丙二醇二丙烯酸酯，聚丙二醇二丙烯酸酯，2,2-双-4-丙烯酰氧基乙氧基苯基丙烷，2-羟基-1-丙烯酰氧基-3-甲基丙烯酰氧丙烷；三甲基丙烯酸酯类，例如三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯；三丙烯酸酯类，例如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，季戊四醇三丙烯酸酯，三羟甲基丙烷EO-夹持三丙烯酸酯，甘油PO-加成三丙烯酸酯，和乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯；四丙烯酸酯类，例如季戊四醇四丙烯酸酯，乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯，丙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯，和双三羟甲基丙烷四丙烯酸酯；聚氨酯丙烯酸酯类，例如聚氨酯丙烯酸酯，聚氨酯二甲基丙烯酸酯，和聚氨酯三甲基丙烯酸酯；含氨基部分，例如2-氨乙基丙烯酸酯，2-氨乙基甲基丙烯酸酯，氨乙基甲基丙烯酸酯，二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯，一甲基氨乙基甲基丙烯酸酯，叔丁基氨基乙基甲基丙烯酸酯，对氨基苯乙烯，邻氨基苯乙烯，2-氨基-4-乙烯基甲苯，二甲基氨基乙基丙烯酰酯，二乙基氨乙基丙烯酸酯，哌啶基乙基乙基丙烯酸酯，哌啶基乙基甲基丙烯酸酯，吗啉乙基丙烯酸酯，吗啉乙基甲基丙烯酸酯，2-乙烯基吡啶，3-乙烯基吡啶，2-乙基-5-乙烯基吡啶，二甲基氨基丙基丙烯酸乙酯，二甲基氨基丙基乙基甲基丙烯酸酯，2-乙烯基吡咯烷酮，3-乙烯基吡咯烷酮，二甲基氨乙基乙烯基醚，二甲基氨乙基乙烯基硫化物，二乙基氨乙基乙烯基醚，2-吡咯烷基乙基丙烯酸酯，2-吡咯烷基乙基甲基丙烯酸酯，和其他单体，例如丙烯酰胺，丙烯酸，和二甲基丙烯酰胺。
并非所有上述所列聚合物本身可用，但可以需要被官能化或用于形成与高度亲水性聚合物的共聚合物。
可以使用交联剂、加速剂、聚合化催化剂和其他聚合化添加剂，例如三乙醇胺、三乙胺、胆胺、N-甲基二乙醇胺、N,N-二甲基苄胺、二苄基氨、N-苯甲基乙醇胺、N-异丙基苯甲基氨、四甲基乙二胺、过硫酸钾、四甲基乙二胺、赖氨酸、鸟氨酸、组氨酸、精氨酸、N-乙烯基吡咯烷酮、2-乙烯基吡啶、1-乙烯基咪唑、9-乙烯基卡巴腙、丙烯酸和2-烯丙基-2-甲基-1,3-环戊烷二酮。对于聚乙烯醇聚合物和共聚物，硼酸和磷酸可以用于制备聚合物基体。如上所述，交联剂的量可能需被限制以确保基体保留高亲水性和具有高水合膨胀体积的能力。选择聚合物和交联剂和其他添加剂以制备具有上述物理性质的多孔基体是在水溶性和高亲水性聚合物合成领域的技术人员能力水平之内。
生物催化剂可以在存在其他添加剂的情况下形成，所述其他添加剂可以用于增强结构完整性或为微生物提供有益活性，例如吸引或鳌合组分、提供营养物质等等。例如，添加剂也可用于提供合适密度以便悬浮于水性介质中，而非倾向于漂浮或沉入发酵液中。典型的添加剂包括但不限于淀粉、糖原、纤维素、木质素、甲壳质、胶原、角蛋白、粘土、氧化铝、硅铝酸盐、二氧化硅、磷酸铝、硅藻土、碳、聚合物、多糖等等。当形成聚合物基体时，这些添加剂可呈固体形式，并且如果如此，则在主尺寸通常在约0.01至100微米范围内。
如果需要，微生物可以经受应激，如本领域已知。应激可以为饥饿、化学或物理条件中的一种或多种。化学应激包括毒素、抗微生物剂和化合物的抑制性浓度。物理应激包括光强度、UV光、温度、机械搅拌、压力或压缩和干燥或渗透压力。所述应激可以产生受调控的生物反应，所述反应保护微生物以免刺激，并且该应激可以使较强微生物存活，而较弱细胞死亡。
微生物
微生物可以是单细胞，或可以是行为类似单细胞微生物的多细胞，例如丝状生长微生物和萌芽生长微生物。通常，多细胞微生物的细胞具有单一存在的能力。微生物可为任何类型，其包括但不限于为需氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌、异养生物、自养生物、光能自养菌、光能异养生物、化能自养生物、和/或化能异养生物的那些微生物。细胞活性，包括细胞生长可需氧、微需氧、或厌氧。细胞可处于任何生长期，包括停滞期(或传导期(conduction))、指数期、过渡期、静止期、死亡期、潜伏期、营养生长期、孢子形成期等。一种或多种微生物为嗜冷菌(最佳生长在-10℃至25℃下)，嗜温菌(最佳生长在20-50℃下)，嗜热菌(最佳生长在45℃至80℃下)，或超嗜热菌(最佳生长在80℃至100℃)。一种或多种微生物可为革兰氏阴性或革兰氏阳性细菌。细菌可为球菌(球形)、杆状菌(棒状)、或螺旋菌(螺旋形；例如弧菌或弧形细菌)。微生物可在表型和遗传型上为多种多样。
微生物可为野生型(天然存在)微生物或重组微生物(包括但不限于基因工程微生物)。重组微生物可包含一种或多种异源核酸序列(例如基因)。一种或多种基因可(例如)通过同源重组被引入本文所述的方法、组合物或试剂盒中所用的微生物中。一种或多种基因可用(例如)载体被引入微生物。一种或多种微生物可包含一种或多种载体。载体可为自主复制载体，即作为染色体外实体存在的载体，其复制独立于染色体复制，例如，线性或闭环质粒，染色体外元件，微型染色体，或人工染色体。载体可含有用于自身复制的构件。当引入宿主细胞时，载体可整合到宿主细胞的基因组中并且与其整合的一种或多种染色体一起复制。这种载体可包含特定序列以能够重组到宿主染色体的具体的期望部位。载体系统可包含单个载体或质粒，两个或更多个载体或质粒(它们一起含有引入宿主细胞的基因组的总DNA)，或转位子。载体的选择将通常取决于载体与引入载体的宿主细胞的相容性。载体可包含报告基因，例如绿荧光蛋白(GFP)，其可框内融合至一个或多个编码多肽，或单独表达。载体也可包括选择标记，例如可用于选择合适的转化体的抗菌素耐性基因。基因操纵生物体的方式有描述在，例如Current Protocols in Molecular Biology，last updated July25，2011，Wiley，Print ISSN:1934-3639。在一些实施方案中，在微生物中删除参与副产物形成的一种或多种基因。在一些实施方案中，未删除参与副产物形成的一种或多种基因。引入微生物的核酸可为针对微生物优化的密码子。基因可被改性(例如突变)以提高所得基因产物(例如酶)的活性。野生型或基因改性微生物中的所寻求性质可通常通过天然改性过程、或自工程化过程增强，所述过程涉及多代选择性收获来获得菌株改善，例如具有增强的性质如环境或生物活性中稳健性的微生物。参见例如Ben-Jacob等人，Self-engineeringcapabilities of bacteria，J.R.Soc.Interface 2006，3，doi:10.1098/rsif.2005.0089，22February 2006.
生物催化剂中所用的选定微生物可靶向所寻求的活性。因此，生物催化剂通常含有微生物的基本上纯菌株型，并且由于所述靶向性而能够实现高生物活性并且在生物催化剂中提供微生物的稳定种群。
用于制备本发明的生物催化剂的代表性微生物包括但不限制，在以下美国公布专利申请中所述那些：No.2011/0072714，尤其0122段；No.2010/0279354，尤其0083至0089段；No.2011/0185017，尤其0046段；No.2009/0155873，尤其0093段；和No.20060063217，尤其0030段和0031段，以及本文附录A中所述那些。
光合微生物包括具有由光辐射活化的生物催化活性的细菌、藻类和霉菌。用于较高含氧有机化合物生产的光合微生物的实例包括但不限于藻类，例如硅藻(Bacillariophyceae)菌株，绿藻(Chlorophyceae)，蓝藻(Cyanophyceae)，黄藻(Xanthophyceaei)，金藻(Chrysophyceae)，小球藻(Chlorella)(例如原始小球藻(Chlorella protothecoides)，隐甲藻(Crypthecodinium)，裂殖壶菌(Schizocytrium)，微拟球藻(Nannochloropsis)，吾肯氏壶菌(Ulkenia)，杜氏藻(Dunaliella)，小环藻(Cyclotella)，舟形藻(Navicula)，菱形藻(Nitzschia)，小环藻(Cyclotella)，褐指藻(Phaeodactylum)，和破囊壶菌(Thaustochytrids)；酵母菌，例如红酵母(Rhodotorula)，酵母(Saccharomyces)，和油性酵母(Apiotrichum)菌株；和真菌菌种，例如被孢霉(Mortierella)菌株。在遗传上增强的光合自养蓝细菌、藻类和其他光合自养生物体已适于将微生物内部的碳水化合物直接生物转化成乙醇、丁醇、戊醇和其他高级醇和其他生物燃料。例如，具有包含编码丙酮酸盐脱羧酶(pdc)和醇脱氢酶(adh)的DNA片段的构建体的基因改良的蓝细菌在美国专利No.6,699,696中有所描述。蓝细菌为光合细菌，其使用光、无机元素、水和碳源(一般为二氧化碳)来进行代谢和生长。使用基因工程蓝细菌的乙醇生产也在PCT公布专利申请WO 2007/084477中有所描述。
在生物催化剂和用于制备生物催化剂的方法的示例中提供以下实例，并且不构成限制。除非原本陈述或从上下文中清楚了解，否则固体的所有份数和百分比均基于质量计并且液体和气体的所有份数和百分比均基于体积。
在这些实例中，使用以下一般程序。用于生物催化剂的微生物在用于微生物的水性介质中在合适的浮游条件下(包括存在营养物质和微量营养素)生长。该介质本文称为“培养介质”。所用微生物为可获得的并且因此可以为基本上纯菌株或混合培养物。培养介质中的细胞密度由光密度确定。如果培养介质的细胞密度低于制备生物催化剂的寻求密度，则将培养介质离心或过滤以提供更稠密的、含细胞部分。制备溶解前体的单独制备水溶液(本文称为“聚合物溶液”)。按在生物催化剂中产生所寻求量的量，将用于生物催化剂的任何固体添加剂加入聚合物溶液。聚合物溶液用机械搅拌器混合以确保组分在水性介质中均匀分散。在必需溶解前体的情况下，聚合物溶液可适当加热。在某些情况下，还将微量营养素溶液加入聚合物溶液。
培养介质(或来自离心的致密相)和聚合物溶液中每者的等分试样在机械搅动下于约30℃下混合以用于前体溶液。在微生物厌氧的情况下，通过用氮吹扫，将培养介质以及培养介质和聚合物溶液的混合和所有后续步骤均维持在厌氧条件下。
前体溶液随后通过具有直径约0.75毫米的孔口的穿孔板挤出，形成直径约3毫米的小滴。小滴落入具有约5的pH的水性硼酸溶液的轻轻搅拌的凝固浴(coagulating bath)。生物催化剂从凝固浴中回收并且用蒸馏水洗涤。在洗涤之后，在用于微生物的合适代谢条件下将生物催化剂放入含有微量营养素和底物的液体介质。
表I汇总实例。表II阐述实例中所用微生物。表III阐述实例中所用的亲水性聚合物。表IV阐述实例中所用的固体添加剂包。
上述每种生物催化剂均具有表型改变并且生物催化剂具有微生物的稳定种群并且在代谢活性中不生成任何可预见的碎片。
生物转化
A.概述
如上所述，本发明的生物催化剂可用于多种合成代谢和分解代谢生物转化方法。底物可正常为气体、液体或固体中的一种或多种。底物优选能够溶解于与生物催化剂接触的水性介质中，虽然本发明的生物催化剂可在底物具有极小(如果有的话)水中溶解度的方法中，尤其在本发明的生物催化剂允许的气相代谢方法中，实现有益的应用。在广泛方面，本发明的方法涉及底物至生物产物的生物转化，所述方法包含(a)使底物与本发明的生物催化剂接触，和(b)将生物催化剂维持在代谢条件下足够时间，以将底物的至少一部分生物转化成所述生物产物。通常，生物产物被回收；然而，在本发明的一些方面，生物产物可以有意地为能够在生物催化剂中被多价螯合的化学物质，例如在从水中移除可溶金属化合物时。
底物可为生物体(植物或动物)中的天然或生物异源物质或可得自其他源。从而，底物包括但不限于可为或可来源于植物、动物或化石燃料源、或可通过化学或工业方法生产的那些。生物催化剂也可适用于供水，或底物为一种或多种污染物的废水清理操作。生物催化剂因合成代谢或分解代谢活性而生成代谢物，并且代谢物可以为主要或次要代谢物。本发明的方法可用于生产任何类型的合成代谢代谢物。
生物产物可以为降解产物，尤其在从例如用于供水或废水处理的流体中移除污染物的情况下。这种降解生物产物包括但不限于二氧化碳，一氧化碳，氢，羰基硫，硫化氢，水以及盐，例如铵、或1族至16族(IUPAC)金属如钠、钾、锰、镁、钙、钡、铁、铜、钴、锡、硒、镭、铀、铋、镉、汞、钼和钨的碳酸盐、碳酸氢盐、硫化物、亚硫酸盐、硫酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、氯化物、溴化物、碘化物和硼酸盐。
生物产物可以为脂肪族化合物和芳族化合物中的一种或多种，包括但不限于至多44或50个碳的烃，和被一种或多种羟基、酰基、羧基、胺、酰胺、卤基、硝基、磺酰基和膦基部分取代的烃，和含有一种或多种包括但不限于氮、硫、氧和磷原子的杂原子的烃。作为来自代谢方法的最终产物的有机产物的实例为美国公布专利申请no.2010/0279354A1中所列那些，尤其如0129段至0149段所述。还可参见美国公布专利申请no.2011/0165639A1。其他生物产物包括对甲苯甲酸酯(盐)、对苯二甲酸酯(盐)、对苯二甲酸、苯胺、腐胺、环己酮、己二酸酯(盐)、环己烷二胺(HMDA)、6-氨已酸、苹果酸酯(盐)、丙烯酸酯(盐)、己二酸、甲基丙烯酸、3-羟基丙酸(3HP)、琥珀酸酯(盐)、丁二烯、丙烯、己内酰胺、脂肪醇、脂肪酸、甘油酸酯(盐)、丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸类、岩藻依聚糖(fucoidan)、粘康酸酯(盐)、碘、叶绿素、类胡萝卜素、钙、镁、铁、钠、钾和磷酸酯(盐)。生物产物可以为提供关于植物或动物或人类的生物活性的化学物质。生物活性可为许多不同活性中的一种或多种，例如抗病毒性、抗菌性、抑制性、刺激性、生长促进剂性、激素性、胰岛素性、再生性、引诱性、驱虫性、杀生物性等等。抗生素的实例包括但不限于氨基糖甙(例如阿米卡星、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、奈替米星、妥布霉素、巴龙霉素)；安沙霉素类(例如格尔德霉素、除莠霉素herbimycin)；碳头孢烯(氯碳头孢)；碳青霉烯类(例如厄他培南、多利培南、亚胺培南/西司他丁、美罗培南)；头孢菌素类(第一代，例如头孢羟氨苄、头孢唑林、头孢噻吩、头孢氨苄)；头孢菌素类(第二代，例如头孢克洛、头孢孟多、头孢西丁、头孢罗齐、头孢呋辛)；头孢菌素类(第三代，例如头孢克肟、头孢地尼、头孢托仑、头孢哌酮、头孢噻肟、头孢泊肟、头孢他啶、头孢噻肟、头孢泊肟、头孢曲松)；头孢菌素类(第四代，例如头孢吡肟)；头孢菌素类(第五代，例如头孢吡肟)；糖肽(例如替考拉宁、万古霉素、特拉万星)；林可酰胺类(例如克林霉素、林可霉素)；；大环内酯类(例如阿奇霉素、克拉霉素、地红霉素、红霉素、罗红霉素、醋竹桃霉素、泰利霉素、大观霉素)；单环内酰胺类(例如氨曲南)；硝基呋喃类(例如呋喃唑酮、硝基呋喃妥因)；青霉素类(例如阿莫西林、氨苄青霉素、阿洛西林、羧苄青霉素、邻氯青霉素、双氯青霉素、氟氯恶西林、美洛西林、甲氧西林、萘夫西林、苯唑西林、青霉素G、青霉素V、哌拉西林、替莫西林、替卡西林)；青霉素组合(例如阿莫西林/克拉维酸、氨苄青霉素/舒巴克坦、哌拉西林/他佐巴坦、替卡西林/克拉维酸)；多肽类(例如杆菌肽、粘菌素、多粘菌素B)；喹诺酮类(例如环丙沙星、依诺沙星、加替沙星、左氧氟沙星、洛美沙星、莫西沙星、萘啶酸、诺氟沙星、氧氟沙星、曲伐沙星、格雷沙星、施怕沙星、替马氟沙星)；磺酰胺类(例如磺胺米隆、磺酰胺柯衣定、乙酰磺胺、磺胺嘧啶、磺胺嘧啶银盐、磺胺甲噻二唑、磺胺甲基异恶唑、磺胺、柳氮磺胺吡啶、磺胺异嘧唑、甲氧苄啶、甲氧苄啶-磺胺甲基异恶唑(复方新诺明)(TMP-SMX)；四环素类(例如地美环素、强力霉素、米诺环素、氧四环素、四环素)；抗分枝杆菌药物(例如氯苯吩嗪、氨苯砜、卷曲霉素、环丝氨酸、乙胺丁醇、乙硫异烟胺、异烟肼、吡嗪酰胺、利福平、利福布丁、利福喷丁、链霉素)和其他(例如胂凡纳明、氯霉素、磷霉素、梭链孢酸、利奈唑胺、甲硝唑、莫匹罗星、平板霉素、luinupristin/达福普汀、利福昔明、甲砜氯霉素、磺甲硝咪唑)。
优选地，合成代谢生物产物为含氧有机化合物和多达约100个、通常多达约50个碳原子的烃中的至少一种。最优选的含氧有机产物包括甲醇、乙醇、乙酸、正丙醇、异丙醇、丙酸、正丁醇、异丁醇、丁酸、丙酮和甲基乙基酮。
适合通过本发明的方法实践的合成代谢或分解代谢方法的实例包括但不限于：
·合成气，即用于含氧有机产物和烃的转化的含有一氧化碳和任选的氢的气体。在用于将合成气转化为含氧有机产物的典型现有技术方法中，生产率的限制性因素为一氧化碳和氢从气相进入水性介质的液相中的质量转移。通过使用本发明的生物催化剂用于合成气生物转化，可增强质量转移。
·用于转化成含氧有机产物和烃的含二氧化碳气体。合成代谢转化可以通过藻类、蓝细菌、或其他光活化微生物实现，(例如)产生醇、生物柴油等等。使用二氧化碳来生产生物产物的其他生物转化方法包括制备有机酸和酯和二酸和二酯如琥珀酸和乳酸的那些。
·燃烧气体，例如，来自固体废物处置或能量生成，其中底物包含要从气体中移除的污染物，例如含氧卤化物、硫氧基部分、氧化氮、重金属化合物等等。
·工业废气，含有例如挥发性有机化合物；溶剂，例如含氯溶剂，酮，醛，过氧化物(peroxygenates)等等；氨或挥发性胺；硫醇和其他含硫化合物；氧化氮；等等。工业废气可以基于空气，例如涂抹操作的排气，或可以不含空气，例如吹扫气或废气。使这些底物经受分解代谢降解的能力可通常消除热氧化单元操作的必要性，节省资金和能量，因为通常需要天然气或其他燃料来维持热氧化单元的温度。
·天然气(包括但不限于通过地下压裂方法回收的气体，即压裂气)，其中用于分解代谢处理的底物可以为一种或多种氧化物，例如氧化氮、氧化硫；高氯酸盐；硫化物、氨；硫醇；等等。
·硝酸盐、高氯酸盐、嗅味化合物、有机物、氯化烃等等，从水中移除。水源可以来自水处理设施，地下源，地面源，市政废物处理和工业废水。水流可以来源于其他生物转化工艺，其中底物不完全消耗，例如在玉米乙醇工艺中。
·碳水化合物，包括但不限于用于转化成含氧有机产物和烃的纤维素、半纤维素、淀粉和糖。
·硫、磷、硒、钨、钼、铋、锶、镉、铬、钛、镍、铁、锌、铜、砷、钒、铀、镭、锰、锗、铟、锑、汞和稀土金属的氧离子类(oxyanions)、羟基类(hydroxyls)或可溶盐类，通过生物转化和螯合作用从水中移除。
使用生物催化剂的代谢方法可以以任何合适方式采用足以使生物催化剂将底物转化成所寻求生物产物的代谢条件来进行。代谢条件包括生物催化剂中微生物期望或所需的温度、压力、含氧、pH和营养物质(包括微量营养素)和添加剂的条件。由于与本发明的生物催化剂有关的微环境和表型改变，与适用于浮游微生物的那些代谢条件相比，可有效使用的代谢条件范围通常较广泛。可以使用任何合适的生物反应器系统，包括典型生物反应器系统。
使用本发明的生物催化剂的代谢方法向生物催化剂提供足够的水来维持生物催化剂被水合。生物转化方法可以涉及直接接触含有底物或接触液体介质(通常为水性介质)的气体。用于水性介质的水可以从任何合适的来源提供，包括但不限于自来水、去除矿物质水、蒸馏水和工艺水或废水。如本领域已知，水性介质可含有营养物质和添加剂，例如共代谢物，增效剂，增强剂，诱导物、生长促进剂，缓冲液，抗生素，维生素，矿物，氮源，和硫源。如果需要，止泡剂可以用于水性介质。在希望或需要添加剂用于代谢方法的某些情况下，与浮游、游离悬浮系统相比(所有其他基本上相同)，本发明的生物催化剂在这种添加剂的较低浓度下具有至少等同的生物转化活性。
在引入水性介质之前，生物反应器可以灭菌或可以不灭菌。由于使用含有微生物的显著种群的生物催化剂，生物反应器可具有迅速启动时间。
该方法可以在所有碳需求提供于水性介质中或碳源不足的情况下进行。在碳源不足下操作时，以碳营养物质的碳计，水性介质通常提供至少约50质量％、很多情况下至少约75质量％、比如80质量％至小于100质量％。在某些情况下，多糖被包括在生物催化剂中，其中预期到碳源不足操作。在代谢方法期间可以间歇或连续地发生碳源不足。
生物转化方法可被优化以实现一种或多种目的。例如，该方法可以设计以提供底物至生物产物的高转化率或可以被设计以平衡向生物产物转化的资金和能量成本。当生物催化剂高度水合时，一般来讲它们的密度接近于水。因此，使用水性进料流的流化床反应器设计，能量消耗低于使用较高密度支撑体的能量消耗。在代谢方法生成气体的某些情况下，例如在糖至链烷醇的转化时或在硝酸盐阴离子至氮气的生物转化时，气体可聚集于生物催化剂中以增加浮力。该聚集气体可降低流化床操作的能量消耗，并且可有利于使用其他生物反应器设计如喷式环流生物反应器。
生物产物可以从水性介质中以任何合适方式(包括典型分离技术)回收。
B.代谢转变(metabolic shift)
在本发明的一个优选的实施方案中，发生表型改变，导致生物催化剂中微生物的代谢转变。在合成代谢和分解代谢生物转化中均可发生代谢转变。代谢转变导致微生物消耗较少的能量用于生长。因此，在底物用于生物转化至生物产物和微生物所用能量两者时，代谢转变增强了生物产物的生物转化效率。另外类型的代谢转变称为碳流转变。当微生物可从底物产生不止一种生物产物时，发生碳流转变并且生物产物的相对量改变。例如，酵母将糖发酵产生乙醇和乙酸盐阴离子。当(例如)乙醇与乙酸盐阴离子的比率增加时，发生碳流转变。类似地，在使用丙酮丁醇梭菌(Clostridia acetobutyricum)从糖制备丁醇时，乙醇和丙酮共同产生并且碳流转变提高了所产生的丁醇的比率。代谢转变可具有显著的经济效益，尤其在大型生物转化设施中，以及底物的成本为材料的情况下，例如合成气或碳水化合物为底物的情况下。在需要提供碳源以维持微生物的代谢系统中，代谢转变有利地降低了提供用于维持生物产物生产的给定速率的碳源量。
在涉及含碳底物至生物产物的合成代谢生物转化的更优选实施方案中，实现至少约95％、优选至少约98％的底物至所寻求生物产物的理论最大生物转化率。例如，在葡萄糖至乙醇的生物转化中，产生二氧化碳和乙醇。产生的乙醇量可与如果所有糖被生物转化成乙醇和二氧化碳，在乙醇产生通道中产生的理论量相比。类似地，在一氧化碳的生物转化中，乙醇的理论最大转化率为6摩尔一氧化碳产生1摩尔乙醇和4摩尔二氧化碳(当然，在存在氢的情况下，二氧化碳可被生物转化成乙醇)。
除了代谢转变之外，本发明的生物催化剂具有认为隐性生长，所述隐性生长通过表型改变和微生物之间通信实现。隐性生长帮助提供不生成固体碎片的生物催化剂。然而，本发明的生物催化剂维持微生物长时间稳定种群的能力证明微生物的种群中发生表型代谢转变。
C.增强的生物转化
在本发明的另一个优选方面，与每生物反应器体积单元具有相同细胞密度的浮游微生物相比(所有其他基本上相同)，生物催化剂具有生物转化的增强速率。由于较大生物活性，本发明的这一方面提供改善的合成代谢和分解代谢生物转化方法。在某些情况下，微生物可以经历表型改变，使得观察到在浮游生长时未发生的生物转化。
此外，因为通常可通过本发明的生物催化剂提供比利用游离悬浮液或受支撑生物催化剂中的浮游生长时较高的细胞密度，每单位体积生物反应器或每给定单位的水力保留时间可获得生物转化活性甚至更大的增长。从而，每生物转化单位可实现分批式或连续处理的停留时间减少。
本发明的生物催化剂的使用也能够使进料流中的底物降低至极低浓度并且也能够使极低浓度的底物被代谢性生物转化。在一些应用中，希望生物转化方法将底物降低至极低浓度，(例如)以便有效使用底物或使得生物转化流出物不需进一步处理来移除底物。后者的实例为市政废水，其中流出物会含有极少(如果有的话)生物可降解碳化合物，并且将水中含有的毒性材料例如1,4-二噁烷、N-亚硝基二甲胺(NDMA)和高氯酸盐阴离子和内分泌干扰物减少至十亿分率(parts per billion)或更小的浓度。其他实例为影响受藻类大量繁殖影响的饮用水中嗅味的组分，例如可以仅以微浓度存在的甲基异冰片(MIB)和土臭味素(geosmin)。因此，本发明的方法的一个实施方案涉及减少水流中超低污染物的浓度(浓度小于约50微克/升的污染物)，其包括：
a.连续使所述水流通往生物反应器，所述生物反应器维持在代谢条件下，所述代谢条件包括存在本发明的生物催化剂，所述生物催化剂含有不可逆地保留于其中的能够生物转化所述超低污染物的微生物；
b.使所述水流与所述生物催化剂接触足够时间，以降低所述超低污染物的浓度；和
c.从所述生物反应器中收回具有降低浓度的所述超低污染物的处理水流。
优选地，每种超低污染物在去往生物反应器的水流中的浓度为至少约10、比如至少约50纳克/升(ng/L)并且小于约50、通常小于约20微克/升(mcg/L)。优选地，水流中至少约50％且有时至少约80或90％的污染物被生物转化。
在本发明的另一个优选方面，在本发明的生物催化剂中的内部微环境和表型改变也提供单一微生物菌种对两个或更多个底物的增强的同时生物转化。通常，微生物在被称为双峰生长的现象中相比一种底物而优选代谢另一种底物。根据本发明的该方面，与使用相同微生物和细胞密度和基本上相同方法条件的浮游方法相比，在较优选与较不优选底物的相同摩尔比下，较不优选底物的生物转化速率更少受压制。双峰生长的一个实例为含有硝酸盐和高氯酸盐阴离子的水的处理，其中硝酸盐阴离子为优选底物。
本发明的生物催化剂含有微环境，所述微环境可具有与生物催化剂外部不同的条件。因此，即便使用相同微生物，生物催化剂内部的微环境仍能够使需氧和厌氧生物转化过程两者均发生。因此，例如，铵阳离子可被氧化并且所得硝酸盐阴离子在需氧水性介质中还原成氮。给定微环境中的代谢条件可以受生物催化剂内的其他代谢活性影响。例如，使电子供体如碳源代谢可以消耗氧并且因此提供还原性环境。
生物催化剂可用于提供自调节并且能够实现在游离悬浮液中浮游生长时不可能的代谢活性。对于氧化还原型生物转化，该现象易于了解。因此，代谢方法(其为底物的还原)可以在围绕生物催化剂的水性介质中存在氧或氧化组分的情况下进行。以举例的方式而非限制，生物催化剂可用于烃的分解代谢，例如1至50个或更多碳的脂肪族和芳香烃，包括烷烃、烯烃和炔烃，和芳族，例如苯、甲苯和二甲苯；1至50个或更多碳的醚、酮、醛、醇、羧酸和酯；卤化烃，例如溴化和氯化的烃，包括全氯乙烯，二氯乙烯，氯乙烯，三氯乙烷，三氯乙烯，二氯甲烷，氯仿，四氯化碳和多氯联苯(PCB’s)，和可溶金属和半金属化合物，包括硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐和其他金属化物。
D.增强的毒素耐受性
意外地，本发明的生物催化剂对毒素具有增加的耐受性。虽然不希望受理论限制，但除了提供微生物被代谢性保留并且物理性保护的环境外，认为这种增加的耐受性的一些潜在原因可以在于这样的事实：生物催化剂提供一种环境，其中微生物有时间对毒素的存在做出反应以形成内部抗性；微生物具能力增加细胞壁稳定性和细胞几何稳定性；和微生物的种群之间进行通信，以增强群落对毒素做出反应并且形成抗性机制的能力。所显示的耐受性大于浮游微生物所显示的耐受性，并且有时大于常规固定生物膜所显示的耐受性。从而，微生物和其群落的表型转变可以有助于对毒素的增强的耐受性。
在一些方法中，尤其合成代谢方法，生物转化产物(生物产物)本身对微生物为毒性的，或产生的联产物或副产物对微生物为毒性的。例如，游离细胞分批式发酵生物反应器中采用酵母的糖至乙醇的生物转化通常被限制到约15％的乙醇浓度。在由糖来生物生产异丁醇或正丁醇时，最大发酵液浓度一般约2.5％。因此，生物产物在发酵液中的滴定量必须受限制以避免生物产物的有害浓度，并且分离生物产物所需的能量增加。此外，在分批式方法的情况下，滴定量的限制到导致更短循环时间。因此，导致每单位体积生物产物成本增加，包括与生物反应器停产、生物反应器的清洗和微生物的种群更换有关的那些。根据本发明的方法，微生物对毒性的抗性增加能够生产更高浓度的生物产物，并且对于分批式发酵方法，减少关机的频率。
在其他方法中，在向微生物提供底物的给料中可以包含作为污染物的毒素。虽然可预处理给料以将这些毒素的浓度降低至可耐受水平，但这种预处理导致增加的资金和操作成本。本发明的生物催化剂的一种特别有吸引力的应用为处理微咸水或盐水或卤水以代谢水中其他组分。该水可以来自地表、地下或工业源。这种水中可能需要降解的组分的实例包括但不限于：硝酸盐，亚硝酸盐，氯酸盐，高氯酸盐，卤化有机物，包括但不限于氯化溶剂和PCB’s，烃，包括但不限于脂肪族和芳香烃和含氧烃，例如1,4-二噁烷，羧酸，醚，酮和醛。
在某些情况下，当以过高浓度存在时，底物本身可以对微生物具有不利影响。(例如)通过稀释降低底物的浓度增加了代谢方法的资金和操作成本。在用于制备其他生物产物时，可以是毒性的底物的实例包括一氧化碳、氰化氢、硫化氢、高锰酸盐和含氧有机化合物。
影响微生物的另一种毒素包括病毒或噬菌体。对遭受噬菌体影响的水性介质的处理是难题。生物反应器可被清空，灭菌，并且随后再群体化(repopulated)，这招致显著的停产以及操作花费。在某些情况下，添加剂可被作为抗病毒剂提供至水性介质。这再次增加代谢方法的成本。
在广泛方面，用于在生物转化条件下将水性介质中所含底物生物转化成生物产物的方法，所述生物转化条件包括存在用于所述生物转化的微生物，其中水性介质含有至少一种毒素，如果所述微生物游离悬浮于所述水性介质中，所述毒素含量在所述生物转化条件下足以具有有害效果，所述方法包含通过在生物转化方法中使用本发明生物催化剂来减弱毒素的效果。
在某些情况下，所有其他参数维持相同，当生物产物在发酵液中的浓度比使用微生物的游离细胞悬浮液可实现的浓度大约20％、很多情况下约30％、比如约50％、或更多时，底物至生物产物的生物转化的速率未显著降低。在用于将糖生物转化至乙醇时，可通常实现20质量％或更多的发酵液中乙醇浓度。对于将糖生物转化至异丁醇或正丁醇，可实现至少约3％并且有时在约3.5％至5％或更多质量百分比之间的发酵液中生物产物浓度。
在许多情况下，微生物能够经受比所述微生物在所述水性介质中游离悬浮时大至少约20％并且优选至少约30％的毒素浓度。在许多情况下，使用上文定义的分批毒素耐受性测试(BTT测试)，可观察到该方法对存在毒素的增加的耐受性。本发明的方法在BTT测试中具有比使用游离悬浮液大至少约20％、优选至少约30％或50％的生物转化率。在某些情况下，微生物能够经受比呈骨炭支撑体(bone char support)上生物膜形式(所有其他条件相同)的所述微生物大至少约10％并且优选至少约20％的毒素浓度。
在许多情况下，即便在化学物质的浓度达到生物催化剂所展示的生物转化速率被大大影响的水平时，本发明的方法往往会向生物催化剂中代谢性保留的微生物的至少一部分提供保护。因此，在向微生物被不利影响的状况的偏移终止后，生物转化活性重新开始，证明微生物的种群的至少一部分存活，提供所寻求的代谢。在种群的一部分在偏移期间受不利影响时，生物催化剂中微生物的种群可在向稳态水平的偏移结束之后增加。
在实施例205至207中，将具有7升工作体积的连续搅拌槽生物反应器用于分批实验。生物反应器提供有用以维持温度的控制。控制发酵液的pH，通常至约5的pH。以分批模式进行发酵。将每升223克蜂蜜形式的糖的1000毫升溶液填充至分批生物反应器。该蜂蜜的组成为约38质量％果糖、31质量％葡萄糖、7.31质量％麦芽糖、1.3质量％蔗糖、1.5质量％高级糖和约17％水，并且用非糖组分配平。在约30°至35℃下进行发酵。在所有实例中，使用酿酒酵母的相同菌株。所用生物催化剂基本上根据实施例25制备，具有约70,000的水合膨胀体积。在使用之前生物催化剂与稀释水性乙醇(在约5和10质量％之间变化)接触约两天。
实施例205
在该实例中，使用分批生物反应器，并且将工业级乙醇加入发酵液以提供20质量％浓度的乙醇。一轮运行使用酿酒酵母的游离悬浮液来提供约150克酵母/升，并且另一轮运行使用足够的生物催化剂来提供约150克酵母/升。在发酵条件下72小时后，含有游离悬浮液的发酵液不产出乙醇，而生物催化剂产生理论上可能的约75％的乙醇量。在不存在添加乙醇的情况下，72小时之后，游离悬浮液提供的乙醇产量是理论上可能的约78％的乙醇量。生物催化剂生产理论上可能的约96％至98％的乙醇量。高转化率证明发生了代谢转变。
实施例206
在该实例中，历时约24小时的时间，生物催化剂暴露于20质量％的水性乙醇溶液。随后，洗涤该生物催化剂并且随后用于分批生物反应器中以提供约150克/升的理论酵母含量。72小时之后，游离细胞分批反应不生成任何乙醇。使用生物催化剂的分批反应产生理论上可能的约98％的乙醇。
实施例207
在该实例中，增加加入发酵液的蜂蜜量以提供约288克/升的糖。使用生物催化剂中所含的约150克/升酿酒酵母来进行若干分批反应。72小时之后，使用生物催化剂的分批反应产生理论上可能的约96％至99％的乙醇。
实施例208
该实例证实微生物在本发明的生物催化剂中时红球菌属(Rhodococcus)对各种浓度的乙醇的抗性。将基本上在实例169中制备的大约20克生物催化剂置于用于各分批测试的血清瓶中。制备总计7个血清瓶。将含有乙醇的约80毫升溶液置于各血清瓶中。各瓶的溶液具有不同乙醇浓度。使用无水乙醇制备各溶液并且各种溶液含有0体积％、10体积％、20体积％、35体积％、50体积％、80体积％和100体积％的乙醇。溶液和生物催化剂之间的接触在室温(约22℃)下历时24小时。该时间之后，洗涤各血清瓶中的生物催化剂。评估各血清瓶的生物催化剂的氧摄取，从而表明微生物的存活力。通过将生物催化剂放入100毫升烧瓶中并且将已充气至饱和度的约80毫升蒸馏水注入烧瓶，进行该评估。氧探针测量各花15分钟。所有生物催化剂在乙醇中浸没后维持活力，并且与无乙醇的对照物比较，通过氧摄取证明，所有均基本上恢复其生物活性。在对照实验中，无微生物在5体积％乙醇加入含有微生物的游离悬浮液后维持活力。
E.原位灭菌
可以希望向含有微生物的介质添加毒素以控制可争夺营养物质或可提供不希望的代谢物的不希望的微生物的种群。在一些方法中，例如玉米糖至乙醇的转化，通过在各轮运行结束时对分批式反应器灭菌，解决存在外来或不希望的微生物的问题。然而，连续生物转化方法不太适合频繁灭菌。因此，通常监测连续方法的不希望的代谢物，或监测所寻求生物产物的生产率，并且在需要时停机以便灭菌。
可从用于分解代谢或合成代谢方法的水或其他给料中移除外来微生物，但是伴随资金和操作成本增加。替代做法是周期性更换和补充用于连续方法的生物反应器中的所寻求的微生物。另一个替代物做法由Sumner等人公开于美国公布专利申请20090087897，其中预防性地以有效防止细菌生长的量将稳定化的二氧化氯加入用于制备乙醇的发酵方法。
由于生物催化剂所展示的增强的抗毒素性，本发明的生物催化剂能够控制污染性微生物的存在。这些方法涉及在包括存在用于所述生物转化的微生物的代谢条件下将水性介质中所含底物生物转化成生物产物，其中按足以控制污染性微生物的量向水性介质提供毒素，其中该微生物被保留在本发明的生物催化剂中。
用于控制污染性微生物的毒素可以为抑菌剂，杀菌剂或溶菌剂。优选地，该毒素为消毒剂，并且最优选地为氧化剂。这些优选的消毒剂相对低成本，并且包括过氧化氢、过乙酸、醛(尤其戊二醛和邻-苯二醛)、臭氧和次氯酸盐。作为对污染性微生物的种群的不希望的积聚的响应，可以向水性介质中引入毒素，或可以按定期计划或连续地进行以控制污染性微生物的积累。加入水性介质的消毒剂的浓度应该足以减少污染性微生物的种群或维持污染性微生物的种群在所需水平。
在过氧化氢为灭菌剂的情况下，通常将其引入使得其在水性介质中的浓度为约0.1至约5质量％、优选0.5至3质量％。在过乙酸用作灭菌剂的情况下，引入水性介质中的量一般足以提供约0.1至约3质量％、优选0.2至2质量％的浓度。戊二醛和邻-苯二醛通常用于在水性介质中提供约0.01至约0.5质量％的浓度。臭氧可起泡穿过水性介质，以便实现污染性微生物的种群的减少。次氯酸盐阴离子通常作为次氯酸钠的水溶液获得。通常，次氯酸盐阴离子在水性介质中的浓度在约0.1至3、比如在约0.2至2质量％之间。
为了实现污染性微生物的种群的期望减少，灭菌剂在水性介质中存在的持续时间应该充足。在一个实施方案中，灭菌剂的浓度可以在连续的基础上在水性介质中维持并且因此充当污染性微生物的种群的积累的预防剂。在其他优选实施方案中，当需要控制污染性微生物的种群时，间歇添加灭菌剂。在后一种情况下，灭菌剂的微生物杀灭浓度的维持持续时间通常小于约20小时，并且通常在0.1至10小时范围内。
最有利地，在进行代谢方法的相同条件下，进行对污染性微生物的种群的控制。如果需要，可能使用不同于正常用于代谢方法的那些条件，前提是所述条件对生物催化剂中所含微生物不严重不利。条件通常包括范围在约5°至60℃之间的温度，和范围在约5.0至8.5、比如6至8之间的pH。优选地，营养物质和其他辅剂的存在在水性介质中维持基本上与生物转化方法相同的浓度。
实施例209
在该实例中，每升含有约50ppm质量硝酸盐阴离子的水连续通往含有具有内部保留的脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)17741的生物催化剂的生物反应器。该生物催化剂基本上按照实例101制备并且具有约70,000的水合膨胀体积。生物催化剂在生物反应器中提供每升约150克微生物。水力停留时间为约600分钟并且反应器在约25℃下操作。流出水含有每升小于约1ppm质量的硝酸盐阴离子。将次氯酸钠加入水以提供0.5克/升的浓度，并且以大约等同于1.1倍理论需求的量添加乙酸钠。用此组合物运行生物反应器2小时。流出水继续含有每升小于约5ppm质量的硝酸盐阴离子。在另外运行中，在用于该设备之前在约25℃下在含有以浓度1.0和2.0克/升的次氯酸钠的水溶液中将生物催化剂浸泡24小时。如对照实验所示，认为次氯酸钠的这些浓度对游离悬浮液中的浮游微生物是致命的。
在1.0％浓度溶液中浸没之后，微生物的性能未受影响并且水流出物继续含有每升小于约1ppm质量的硝酸盐阴离子。生物催化剂被移除并且再次浸入1.0％溶液中24小时。在1.0％浓度溶液中第二次浸没之后，微生物的性能未受影响并且水流出物继续含有每升小于约1ppm质量的硝酸盐阴离子。
在2.0％浓度溶液中浸没之后，微生物的性能降低至约62％并且水流出物含有每升小于约20ppm质量的硝酸盐阴离子。生物催化剂被移除并且再次浸入2.0％溶液中24小时。在2.0％浓度溶液中第二次浸没之后，微生物的性能提高并且水流出物含有每升小于约4ppm质量的硝酸盐阴离子。
F.菌株稳定性
在优选的实施方案中，本发明的生物催化剂在其内部中基本上含有单一菌株的微生物，即无外来污染。这提供生物转化性能的一致性，包括生物转化速率和选择性，并从而增强商用级方法的存活力。另外，具有微生物的单一菌株常常增强社会生物学行为，诸如水平基因转移，公共物的生产，利他行为，摄取溶解的相同菌株细胞的DNA等等，所有均可对生物催化剂和其性能有益。
无论代谢方法使用野生状态或改良野生状态或遗传改良的微生物，存在若干问题，包括微生物的菌株的自发突变可引起微生物的种群的不利改变。虽然自发突变可以内在性发生，但微生物的社会生物学行为(该行为在本发明的生物催化剂中增强)可减轻或阻止种群的不利基因改变。另外，由于本发明的生物催化剂中微生物的表型改变通常导致代谢转变，繁殖率降低。因此，不利的自发突变更易于通过微生物的种群调节。此外，生物催化剂往往会减轻可诱发不希望的自发突变的外部输入。
本发明的生物催化剂经制作具有高浓度的微生物，通常基本上在生物催化剂中处于微生物的稳态密度下。该方法产生许多优点。第一，基本完全活化的生物催化剂可在确保菌株纯度的条件下制得。第二，简化了规模化(scale-up)，原因是能够进行多个批次并且随后聚集商用级生物反应器需要的体积。可每批进行品质检查。第三，生物催化剂中微生物的种群可充分浓缩，使得存在阻止不利自发突变的社会生物学行为。第四，由于微生物基本上不可逆地保留在生物催化剂的内部中，任何污染性微生物将被约束至生物催化剂并且未不利影响其他生物催化剂中的微生物。第五，在单一生物催化剂结构内，任何污染性微生物将往往代谢性保留在具有受约束种群的区域中，并且目的微生物菌株的群落被认为进行通信或进行相互作用以增强抗侵入性微生物的竞争性力(领地竞争性)以及维持菌株均匀性。第六，生物催化剂中微生物的外网有利于水平基因转移。以及第七，生物催化剂提供倾向于确保稳定微生物一致性的微环境。
在一些实施方案中，所寻求的微生物较不稳固，并且实际上，一些(例如互养微生物)可以仅能够在与另一种微生物相互关联下健壮生长，并且即便互养微生物可以具有实现向生物产物的所寻求生物转化的能力，也通常难以获得并且维持纯培养物。在某些情况下，在代谢方法中，生物催化剂中的微生物可在使用期间经历改造和潜在基因改变。由本发明的生物催化剂和外网提供的通信和潜在水平基因转移有利于生物催化剂内微生物菌株的均匀性。
G.静止能力
本发明的生物催化剂提供内部环境，该内部环境允许微生物代谢性保留在其中以有效通信。该通信也用于确保微生物的群落在极少或无营养物质供应到生物催化剂的期间存活，即，生物催化剂可进入基本的静止期。该部分中所述的基本静止期是针对生物催化剂本身而言。应当理解，采用生物催化剂中微生物的高种群，可存在其中微生物时常不能获得营养物质的微环境。因此，虽然同时生物催化剂具有生物转化活性，但生物催化剂内区域可处于基本静止并且在向生物催化剂的营养物质和底物供应增加时重获生物活性。
迄今为止，微生物的静止已通过在低温下储存并且减少供应营养物质或冷冻而获得。维持这种低温或冷冻状况可能成本高，尤其是对于大体积的微生物，并且在经受电力或机械故障时，可对微生物的种群有害。
本发明的此方面的生物催化剂可进入静止状态，而不需要供应营养物质并且无昂贵储存条件，但微生物仍具有在生物反应器启动后迅速实现所需生物活性的能力。通过将微生物长时间维持在基本的静止期(an essential state of stasis)，不仅可容忍制造和启动之间的时间间隔，而且该微生物复合物可被放入用于运输的简单容器，例如密封筒、箱等等，而在储存期间不添加营养物质。使用本发明的生物催化剂时，生物转化方法的计划和非计划停机均能适应而不损耗生物活性。因为微生物本身调节静止，所以不需要设备或控制系统来保护微生物的种群或重启代谢活性。在本发明的又一优选方面，生物催化剂在其内部含有固体多糖以甚至进一步增强生物催化剂的能力以更长时间维持静止状态。
进入静止的所需条件范围广泛。温度可以基本上时用于代谢方法的温度。虽然生物催化剂浸入水性介质中不是关键的，但生物催化剂在储存期间应该具有一些水合度。通常，为了节省能量和方便性，温度范围在约-10℃至50℃或更多之间，并且最优选地在约5℃或10℃至30℃之间。虽然较低温度一般是优选的，但较高温度仍为在本发明的生物催化剂中的微生物提高了显著的静止持续时间。在微生物对氧敏感的情况下，优选但有时非必需的是，储存期间排除氧。
通常，生物催化剂可长时间维持静止状态，例如至少约1周、通常至少约20周并且有时大于约50周或100周。在使生物催化剂经受代谢条件之后，重获生物催化剂的生物活性。通常，在小于5天并且有时小于3天内，重获基本完整的生物活性。
实例210至215
在以下实例中，根据本发明的各种生物催化剂经受下表中所述时间的储存并随后用于期望的代谢方法。在储存之前，生物催化剂用于代谢反应至少2天。结果归纳于表V。
表V
H.光合方法
该本发明的生物催化剂可用于光合方法。生物催化剂含有通过光辐射活化具有生物催化活性的一种或多种合适的光合微生物，包括细菌、藻类、酵母和霉菌。优选地，该微生物为藻类、最优选地为微藻或蓝细菌。在某些情况下，由于有机化合物生产率的原因，希望的是葡萄藻(Botryococcus)。生物催化剂可含有上述发光组分，但这种组分对光合方法中生物催化剂的使用并非关键性的。
维持光生物转化条件用于将至少一种底物转化成所寻求生物产物，所述光生物转化条件包括条件：温度、压力、含氧、pH、和营养物质和添加剂。该生物转化可以为连续、半连续或成批的操作模式。反应器设计包括但不限于典型生物反应器系统，其提供入口通路以向生物催化剂提供光能。该生物催化剂在培养物液体中为自由移动。可以使用不止一个反应容器。例如，反应容器可以呈并联或以顺序流串联。本发明的所述方法和设备可以使用陆上反应器，或该反应器可适于漂浮在水体例如水库、河流、湖泊、或海洋上。该浮动反应器可适于利用水体的自然温度调节的优势，并且在某些情况下，水体的自然移动可以帮助搅拌。
该生物反应器可以是开放的，例如池塘或水沟，或封闭的。光源可以为任何合适的光源，但优选地，日光提供步骤(c)的光辐射的至少绝大部分，通常至少约75％、比如至少约90％并且有时基本所有光辐射来自日光。因为生物催化剂向微生物提供至少一些UV保护，跟随太阳的透镜、镜子、移动阵列等等可用于增强接触该培养物液体的光辐射的强度。此外，生物催化剂可以为在存在高强度光的情况下向易漂白或死亡的微生物提供保护。
该光生物转化条件、底物供应的速率和微生物在培养物液体中的密度可影响生物转化。因此，对于生物催化剂、底物和生物产物的给定系统，生产率可广泛变化。在某些情况下，本发明的方法中所用生物催化剂可有利于在培养物液体中维持所需微生物密度，并因此有利于暴露于光辐射的每表面积的高生产率。在某些情况下，可希望向光合微生物提供黑暗时期，这种时期增强了微生物的生产率。
生物反应器中的培养物液体可基本上停滞，但优选是经受使培养物液体产生移动的力。最优选地，培养物液体的移动足以导致生物催化剂朝向或从培养物液体接受光辐射的区域(“直接接触区域”)移动。
底物的实例包括但不限于二氧化碳、一氧化碳、氢、甲烷、乙烷、丙烷、硫化氢、硫化羰、硫醇、氨气、低级烷基胺、膦以及它们的混合物。合成气(合成气体)为通常建议用于厌氧生物转化的气态底物。碳水化合物(包括糖和多糖)可以作为底物应用。脂类可以也作为底物使用。其他底物包括但不限于脂肪族和芳族分子。脂肪族(包括脂环族)和芳族底物包括但不限于(例如)约1至约44或50碳原子的烃，其可以含有杂原子，例如，氧、硫、磷和氮，并且可以(例如)用酰基、卤素、羟基、胺、酰胺、硫醇、硝基或膦基团取代。
光生物转化条件、底物供应的速率和生物催化剂在发酵液中的密度可影响培养物液体生产生物产物的生产率。因此，对于生物催化剂、底物和生物产物的给定系统，生产率可广泛变化。在某些情况下，本发明的方法中所用不可逆地保留的生物催化剂可有利于在培养物液体中维持所需生物催化剂密度，并因此有利于暴露于光辐射的每个表面积的高生产率。在某些情况下，可以希望向光合微生物提供黑暗时期，这种时期增强了微生物的生产率。
生物产物从培养物液体的回收可以通过包括典型分离技术的任何合适一种或多种单元操作来实现。培养物液体可以从用于生物产物回收的反应器中移除或生物产物回收可以在反应器中实现。在后一种情况下，分离可以通过蒸发，例如采用低蒸汽压有机化合物如乙醇，或相分离，如采用(例如)较高分子量有机化合物如芳族或6个或更多碳的脂族烃、醇、醚和酯(例如，甘油酯)。在从用于生物产物回收或吹扫的反应器中移除培养物液体的情况下，任何合适的单元操作可以用于在反应器中保留生物催化剂，例如但不限于滗析(其中生物催化剂的密度较大或小于培养物液体)、过滤、离心等等。如果需要，尤其在观察到生物催化剂的生物催化活性减小的情况下，生物催化剂的一部分可以被移除和替换以便提供连续操作设施。
为了有利于理解本发明的方法和设备并且不造成限制，参考图3，其示出反应器300的一部分的横截面。反应器300包含反应器容器302，在其顶部具有虚线示出的透明聚合物盖并且含有培养物液体304。含有蓝细菌和磷光材料的多个生物催化剂粒子306分散于培养物液体304内。二氧化碳用作底物来在反应器300中制备乙醇。
如所示，培养物液体和废气被再循环。提供筛滤器308来阻止移除生物催化剂并且允许从反应器容器302中抽取废气和培养物液体。流体穿过管线310以便经由管线312再循环，经由分配器314回到反应器容器304。分配器314被调整以用于将生物催化剂306移动至培养物液体304的表面来从辐射源接收辐射316。虽然示出外部辐射源，作为另外一种选择或除此之外，可以使用内部辐射源。再循环的培养物液体的抽取料流经由管线318取得用于产物回收。经由管线320提供补充培养物液体。补充培养物液体含有溶解的二氧化碳。如果需要，碳酸铵可以用于向微生物供应碳和氮。
I.代表性代谢方法论述
由于生物催化剂中的微环境、微生物之间的通信和微生物经受的表型改变，生物催化剂提供多种方法相关优点，所述优点包括但不限于：
·无固体碎片产生，
·生物反应器中微生物的高密度的潜在性，
·微生物的稳定种群和长时间的生物活性，
·朝向生产而非生长的代谢转变，和碳流转变，
·长持续时间经历基本静止的能力，
·迅速响应底物供应速率和浓度的改变的能力，
·双峰生长的削减，
·对生物催化剂的微环境中pH和氧化还原平衡的增强的控制和调节，
·对底物、生物产物和污染物更大的耐受性，
·以超低浓度来生物转化底物的能力，
·使用较慢生长和较不稳固微生物的能力以及增加的抗竞争性，
·增强的菌株纯度性能，
·经受原位抗微生物处理的能力，
·由于在完全操作下所需的微生物的种群被包含在生物催化剂中，迅速启动生物反应器的能力，
·使生物催化剂与气相底物接触的能力，和
·生物产物从生物催化剂中分离的容易性，从而有利于连续操作。
在涉及本发明的生物催化剂的许多用途中某些的以下论述中，一些或所有这些方法相关优点提供了优于现有方法的显著改善。这些方法相关优点的表述由于它们涉及每种下述方法而不逐个重复，并且将归于每种方法。
另外，应当理解生物催化剂选择例如吸着剂、多糖和磷光材料(用于光合方法)的掺入可与任一下述方法一起使用。此外，方法步骤如原位灭菌、气相生物转化和光合反应器构造(用于光合方法)可与任一下述方法一起使用。对于以下论述，应理解，生物反应器中细胞浓度将取决于生物催化剂在生物反应器中的浓度以及细胞在生物催化剂内的浓度。
本发明的生物催化剂的独特性质能够实现许多代谢方法。以下描述一些提供有利生物转化的方法。用于描述方法的附图并不限制并且忽略次要设备如泵、压缩机、阀、仪器和其他装置，所述设备的放置和其操作为化学工程中实践者熟知并且忽略辅助单元操作。
i.市政废水
市政废水通常含有溶解的有机物(BOD和COD)、固体(总悬浮固体，TSS)和包括铵阳离子和含磷阴离子的各种离子。市政废水释放到环境中导致许多不利影响。氮和磷为地表水的超营养化的主导因素。这些营养物质也可引起藻类大量繁殖。当所述水用于饮用目的时，藻类大量繁殖可导致嗅味(taste and odor)问题。可以受地表水的富营养化刺激的其他生化活性包括可对人类健康造成风险的微生物刺激。
市政废水处理系统一般具有多个操作，其包括加工的三个处理阶段。一级处理将固体从液体中分离。在废水含有不可混溶、低密度液体如脂肪和油的情况下，将这些液体撇去，并且将剩下的液体通往二级处理，所述二级处理通常使用微生物来在需氧条件下基本上降解掉生物可降解可溶有机污染物。在二级处理完成时，来自这些微生物的固体通过沉降分离，并且将液体通往三级处理，然后排放。并非所有市政废水处理设施均采用三级处理。因此，流出物可含有显著量的氮化合物。
三级处理可包括氮的移除。例如在存在亚硝化单孢菌(Nitrosomonas spp.)和随后硝化杆菌(Nitrobacter spp.)的情况下，铵阳离子可以首先经受硝化以产生亚硝酸盐以及随后的硝酸盐。脱氮需要缺氧条件和电子供体。因此，一些设施添加供体，例如甲醇或甚至原污水。通常，移除每千克铵氮，消耗超过4千克氧，并且硝化和脱氮方法将典型设施的功耗增加30％或更多。固体由微生物生成并且在三级处理完成时移除，然后排出处理水。
典型的市政废水处理设施必须每天处理4或5百万升原污水，并且一些设施每天处理10亿多升市政废水。由于需要这些大体积和时间来实现所寻求的生物降解作用，需要多个平行处理单元来处理市政废水的这些基本流量。二级和三级处理需要需氧环境。减少用于这些好氧菌处理的停留时间的努力包括向废水中鼓入空气。富氧空气或氧的使用提供循环时间(即，实现所寻求的有机碳和铵阳离子的减少的所需持续时间)的进一步减少。即便如此，二级或三级处理操作中处理的水的水力保留时间通常超过至少16小时，比如约18至30小时，并且油泥保留时间可为10至30天。该显著水力保留时间使大型反应器的使用成为必需。一般来讲，反应器以成批模式操作。因此，需要多个反应器以便对小块时间排序使得市政废水处理设施可处理连续进入的废水流。需要多个沉降池来实现来自二级和三级处理的固体(油泥)的分离。并且油泥必须以环境恰当方式来处置。
三级处理面临的另外挑战在于微生物有时不稳定，原因是存在外来竞争性微生物或条件或废水组成的改变。
Hiatt在美国专利No.6,025,152中公开一种细菌的混合物，其据报道能够氧化氨和亚硝酸盐、有机胺和有机氮并且将硝酸盐需氧还原成分子氮。已提出厌氧氨氧化(anammox)方法用于在厌氧条件下移除氨。在该方法中，厌氧氨氧化细菌在缺氧条件下用亚硝酸盐作为电子受体来氧化铵。通常，用低比例的碳源与氮进行厌氧氨氧化方法，以便延迟异养脱氮细菌的种群生长。厌氧氨氧化细菌对氧的存在极敏感，因此是在市政废水处理中使用的另一个挑战。
本发明的该方面中提供方法用于处理市政废水，其中来自一级处理的水连续通往生物反应器，该生物反应器有效地使有机碳代谢分解成二氧化碳并将铵阳离子代谢分解成硝酸盐阴离子。生物反应器基本不生成通往处理水的固体，因此消除对任何额外的油泥分离操作和处置来自这种操作的油泥的需要。此外，有机碳和铵阳离子的所寻求生物转化可通常用相对短的水力保留时间完成，通常小于约12小时，并且在优选方面，小于约6小时。短水力保留时间允许使用小占有面积生物反应器，并且因为该方法连续，不需要多个大生物反应器(否则则需要以成批模式中操作)。可获得这些相对短的水力停留时间，无需使用富氧空气或氧。优选地，在接触生物催化剂期间废水流中的溶解氧浓度至少约1毫克/升，并且优选地在约2至3毫克/升之间以节省充气成本。此外，废水中氧的浓度不必很高来实现短水力保留时间，并且短水力保留时间减少了为了氨和有机碳的某种还原而对废水充气所需的能量的量。
在本发明此方面的广泛方面中，用于使废水流中溶解的有机碳和铵阳离子分解代谢的方法包括：
a.将所述废水流连续通往生物反应器，该生物反应器含有本发明的生物催化剂，该生物催化剂具有基本上不可逆地保留于其中的微生物，该微生物能够使溶解有机碳分解代谢成二氧化碳并且使铵阳离子分解代谢硝酸盐阴离子，优选地为氨氧化微生物；
b.在所述生物反应器中在存在氧的情况下使所述废水流与所述生物催化剂接触足够时间，以提供含有小于约5ppm质量、优选地小于约1ppm质量的铵阳离子并且具有减少的生化需氧量(BOD)，优选地小于约10、优选地小于约4毫克/升的BOD，的氧化流出物，
其中基本上无固体从所述生物催化剂传到所述氧化流出物。
如果需要，使氧化流出物经受后续单元操作，例如，用于硝酸盐生物转化成氮以及磷的移除。优选地，使用本发明的生物催化剂进行脱氮，该生物催化剂具有基本上不可逆地保留于其中的能够使硝酸盐阴离子脱氮的微生物，优选为异养脱氮微生物。通过在本发明的生物催化剂中基本上不可逆地保留脱氮微生物，被处理废水不需脱气来获得高脱氮生物活性。
根据本发明的此方面的顺序硝化和脱氮单元操作的一个优点在于，可控制用于脱氮的碳源以满足脱氮的化学计量要求，而不导致流出物中COD的增加。根据用于硝化操作的废水组成和引入速率以及用以实现铵阳离子浓度的所寻求下降的硝化操作，来自硝化操作的有机碳可以变化。因此，来自硝化操作的水的COD可以超过约5毫克/升、优选地小于约20毫克/升。该有机碳因此补偿用于脱氮的任何所需碳源。
在本发明此方面的另一个优选实施方案中，被处理废水中所含固体的至少一部分，例如来自内在微生物的碎片，被水解并且降解以进一步降低流出物中的BOD和TSS。通常，由于水流穿过生物催化剂的床，这些固体并不趋向于附着到生物催化剂，尤其是具有皮肤的生物催化剂。通过降低被处理水的速度，例如，如在水从生物催化剂床中出现时所发生，或通过提供膨胀部分，至少一些固体从水中卸载并且可经受长时间水解。来自碎片水解的碳值溶解于处理水中，并且通往后续生物反应器以便降解碳值。固体的保留可以在本发明的方法中的许多点进行。例如，硝化操作可以含有串联的两个或更多个生物反应器并且水解在这些生物反应器中的生物催化剂床之间进行。类似地，用于水解的固体的保留可以在硝化和脱氮操作之间进行。
因为本发明的方法使用了生物催化剂，在所述生物催化剂保留有能够延迟或排除内在微生物进入的微生物，所选微生物可被靶向至所寻求的活性，并且生物催化剂通常含有基本上纯的微生物菌株，从而能够实现比使用内在微生物或活化油泥获得的生物活性更高的生物活性。
虽然本发明的方法特别可用于处理市政废水，但原废水可以来自任何源。原废水通常具有约50或100至600或更多毫克氧/升的BOD。废水的COD大于BOD并且通常基本上更大，例如甚至达5000或更多毫克/升。原废水的铵阳离子含量也可在广泛范围内变化，并且通常介于约10至700、更多情况下在约25至200毫克/升之间。原废水可以含有其他组分，其包括但不限于硫化合物、磷化合物、无机盐和溶解金属。
优选地，待处理废水含有小于约200、且通常小于约100克/升的主要尺寸大于约10微米的固体。如果需要，在通往需氧生物反应器前，废水可经受超过滤以移除基本上所有竞争性微生物。
废水通往至少一个需氧生物反应器，该反应器含有用于将有机碳生物转化至二氧化碳和将铵阳离子生物转化至硝酸盐阴离子的生物催化剂。需氧生物反应器中的进水含有溶解氧。优选地，在接触生物催化剂期间，废水流中溶解氧浓度为至少约2，比如至少约3毫克/升或更多。便利地，氧由空气或富氧空气供应。氧可以通过任何便利方式供应，包括通过将含氧气体鼓入或喷射入水中，或搅拌或者机械处理水，例如通过喷撒以有利于水-气接触。氧化组分包括但不限于过氧化物和过碳酸盐。生物催化剂提供的环境可用于保护保留于其中的微生物以免受过氧化物、过碳酸盐和其他氧化组分的影响。在使用这种氧化组分的情况下，活性氧的浓度优选地在约1至10、更优选地约1至5毫克/升之间范围内。一般来讲，使用典型嗜常温菌条件。对于大多数市政废水设施，需氧处理的其他条件通常是由环境条件定义的那些。
需氧生物反应器可以处于任何合适构造，包括典型生物反应器系统，优选地适用于连续操作。通常，细胞密度为至少约100、优选地至少约200并且有时在约400和800克/升之间。
在生物反应器中需氧处理期间废水和生物催化剂之间接触的持续时间足以提供所需的可代谢有机碳和铵阳离子的减少。该持续时间因此将取决于有机碳和铵阳离子在废水中的浓度，所需减少，微生物在生物反应器中的密度以及所采用的条件。可实现相对低的平均水力保留时间。在某些情况下，平均水力保留时间小于约6，并且最优选小于约4小时。因此，生物反应器可相对紧凑(即，提供低占有面积)，但仍处理高体积的待处理废水。
如果需要，可以过滤氧化流出物。氧化流出物可以从废水处理系统中排出，但因为含有硝酸盐阴离子，所以其通常经受处理以将硝酸盐阴离子还原成氮。可以使用任何合适的脱氮单元操作。特别有利的脱氮单元操作使用了本发明的生物催化剂，所述生物催化剂具有基本上不可逆地保留于其中的脱氮微生物，使得不生成需要从方法中移除的油泥。
如上文所述，脱氮可以在其中正在发生硝化的相同生物反应器中进行，或在单独的生物反应器中进行。脱氮单元操作可以被引入到需氧处理以使有机碳和铵阳离子代谢分解。一种此类方法使用本发明的生物催化剂，所述生物催化剂含有能够进行本文别处论述的硝化和脱氮的微生物。或者，含有脱氮微生物的本发明的生物催化剂可与用于氧化的生物催化剂混合。认为由生物催化剂提供的微环境生成厌氧条件，然后允许脱氮进行。最常见地，在单独单元操作中进行硝酸盐阴离子的移除。在硝酸盐阴离子的浓度低的情况下，使用离子交换树脂是可行的。也已提出(例如)使用二氧化硫或其他还原剂的化学还原方法。然而，移除硝酸盐阴离子的大多数市政废水设施使用在缺氧或厌氧条件下的代谢方法以及活化油泥。脱氮流出物通常每升含有小于约1、优选小于约0.01毫克/升的硝酸盐阴离子。
典型脱氮微生物包括以下菌种：假单胞菌(Pseudomonas)、无色杆菌(Achromobacter)、芽孢杆菌(Bacillus)和微球菌(Micrococcus)(例如脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)、脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)和脱氮微球菌(Micrococcus denitrificans)。脱氮微生物需要可代谢的有机碳及缺氧条件的存在。通常脱氮微生物比硝化微生物对毒性化学物质较不敏感，并且从中毒性休克恢复比硝化微生物(尤其自养性微生物)更迅速。典型生物反应器包括具有微生物的游离悬浮液的那些生物反应器和具有可以在固定或滴流床或流化床内的支撑微生物的那些生物反应器。
在这些方法中，可使用典型嗜常温菌条件。待处理水的pH将取决于其来源。一般来讲，pH维持在约4至8.5之间，例如在6.0至8.0之间。缓冲液，如果需要，可以用于在该方法期间将水维持在某个pH值。在某些情况下，其可能使用来自需氧处理的保留的可代谢有机碳。一般来讲，可代谢有机碳以受控方式单独地添加以便确保脱氮流出物具有低BOD。可使用任何合适的可代谢有机碳，例如甲醇、乙酸盐阴离子等等。
通过参考图4和5来方便对此方法的一般性理解。
设备400为使用本发明的方法的市政废水处理设施的示意图。市政废水经由管线402进入设备400。为了易于理解，并且不限制本发明，废水含有约50ppm质量的铵阳离子并且具有约150毫克/升的BOD。该废水通往离心机404以便分离固体。应当理解，除了离心机404以外，可使用过滤器或沉降池。从离心机404中经由管线406收回含有固体的粘稠浆液。上清液液体从离心机404经由管线408通往生物反应器410。
生物反应器410含有适用于有机碳至二氧化碳和铵阳离子至硝酸盐阴离子的分解代谢转化的本发明的生物催化剂。为了本论述，生物催化剂基本上为含有红球菌(Rhodococcus sp)的实施例148的生物催化剂。空气经由管线412进入生物反应器410，并且气态流出物经由管线414收回。生物反应器410中的平均水力停留时间足以提供具有小于5ppm质量的铵阳离子浓度和小于20毫克/升的BOD的氧化流出物。为了此示例目的，生物反应器410为下流床反应器。因为基本上无固体生成，不需要固体分离单元操作。然而，如果需要，氧化流出物可以通过过滤器以移除至少一部分的任何存在固体。
优选的生物反应器在图5中示出，其中相同组件具有如图4中的相同识别数。上清液液体经由管线408通往在生物催化剂的床502的顶部的生物反应器410。空气经由管线412和反应器410的底部部分的分配器504引入生物反应器410。该空气向上流过生物催化剂的床。气态流出物经由在生物反应器410的顶部的管线414收回，并且氧化流出物经由管线416从生物反应器410的底部经由管线416收回。如所示，生物反应器410在生物催化剂的床下方具有保留区506。该保留区用于保留固体的至少一部分，所述固体的至少一些被水解成有机物，其可在流出物的后续加工期间进一步氧化成二氧化碳。有机物的代谢氧化可通过生物催化剂中所用微生物(例如用于硝化、脱氮或磷酸盐移除)来实现。有时，使用本发明的生物催化剂的硝化生物反应器和任何后续反应器中的内在微生物带来小于约5％、通常在约1％至3％或4％之间的所观察的生物活性。
氧化流出物从生物反应器410经由管线416通往厌氧生物反应器420。厌氧生物反应器420用于将硝酸盐阴离子还原成氮并且在厌氧条件下操作。有利地，厌氧生物反应器420包括基本如实施例168中所述的含有脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)微生物的生物催化剂。在厌氧生物反应器420中被处理的氧化流出物内可容忍一些氧的存在，例如达约2或4ppm质量。因为有机碳在生物反应器410中基本上还原，经由管线418向管线416中的氧化流出物或厌氧生物反应器420添加另外的有机碳如乙酸盐阴离子。厌氧生物反应器420可以为任何合适类型的反应器。为了论述，它是下流固定床生物反应器。平均水力停留时间通常小于约1小时。
氮和其他气体经由管线422离开厌氧生物反应器420。使用生物催化剂的其他优点在于，氧化流出物中所含的相对少的硫化合物被还原成硫化氢或其他巯基化合物。厌氧生物反应器420提供经由管线424收回的脱氮流出物。流出物通常含有小于约1ppm质量的硝酸盐阴离子。
实施例216
将类似于结合图4所述的含有硝化生物反应器和脱氮生物反应器的设备用于该实例。用约20℃至25℃的范围内的废水温度进行该实例。
在加里福利亚州尤宁城的市政废水厂，一级处理的流出物用作该设备的进料。通常每天获得流出物的新鲜样品，以确保使用新鲜原废水并且观察(如果有的话)给送至市政废水设施的原水的组成的变化的影响。用途、雨水径流和一级处理操作的改变均可产生影响。一级流出物维持在贮槽中，该贮槽被充气以控制臭味。一级处理流出物的COD从约80变化至440毫克/升变化并且BOD从约50变化至超过160毫克/升。铵阳离子浓度在约25和55毫克/升之间变化。
一级流出物被给送到含有基本上如实施例148所述的生物催化剂的需氧硝化生物反应器。在操作的前17天期间，一级流出物给送至生物反应器而不过滤。然后，过滤流出物。需氧硝化反应器为下流生物反应器，并且空气在底部处给送，这形成生物催化剂的悬浮液。使用穿孔板来保留生物催化剂的床并且在生物反应器中分配空气。生物反应器流入物具有约5至8毫克/升的溶解氧浓度。使用从约3小时至约5小时变化的若干水力保留时间。需氧硝化生物反应器在底部具有一体积，在此观察到固体沉降。流出物随后通往含有基本上如实施例101中所述的生物催化剂的流化床缺氧生物反应器。在引入脱氮生物反应器中之前，未使用单元操作从来自硝化反应器的流出物中移除氧。来自脱氮生物反应器的流出物含有约2至5毫克/升的氧。脱氮生物反应器中的水力停留时间为约20分钟。
操作3天之后，开始分析来自脱氮生物反应器的流出物并且继续约8周。3天之后，在硝化生物反应器中约5小时的水力保留时间处，BOD小于20毫克/升并且氨为约1毫克/升。约14天之后，BOD维持在约10毫克/升下，无论硝化生物反应器中的水力保留时间为3、4或5小时。流出物的铵阳离子浓度也维持相对恒定，在1毫克/升或以下，除了几天以外，始终低于约10毫克/升。来自脱氮生物反应器的流出物中的总硝酸盐和亚硝酸盐通常低于10毫克/升，并且大部分天数低于约5毫克/升，虽然观察到达约15毫克/升的偶然偏差。
实施例217
与实施例216中所述基本上相同的设备用于该实例。废水得自加里福利亚州尤宁城的市政废水厂，并且具有约350至400毫克/升的COD和约130 至超过160毫克/升的BOD。铵阳离子浓度在约40和55毫克/升之间变化。
需氧生物反应器含有基本上与实施例134中所述相同的生物催化剂，并且基本上如先前实例中所述那样操作。在需氧生物反应器中平均水力停留时间为约3小时。来自需氧生物反应器的流出物含有硝酸盐和亚硝酸盐阴离子两者。流出物随后通往含有基本上与实施例52中所述相同的生物催化剂的厌氧生物反应器。需氧生物反应器的流出物中溶解的氧浓度为约4毫克/升。第二生物反应器中的平均水力停留时间为约24分钟，并且流出物含有低于约10毫克/升的总氮。
ii.磷酸盐移除
如上所述，磷可引起超营养化。因此，在某些情况下，政府管制已要求从废水流中移除磷酸盐，通常至低于约1ppm质量(ppm-m)。尽管地表水中存在磷，但讽刺的是磷为有限资源。许多含磷的商用化肥从磷矿石的开采中得到磷，并且磷矿石的储藏量正在耗尽。
已提出用于处理水以降低磷酸盐浓度的许多方法，例如化学沉淀法和生物处理法。一种公开的用于从水中移除磷酸盐并且提供含磷化肥的方法由Britton公开于美国专利申请公布2012/0031849中。在公开的方法中，通过向含磷酸盐的水添加镁产生鸟粪石。该鸟粪石作为粒料沉淀，其可用作化肥或用于其他应用。2007年，美国环境保护局公布报告“Biological Nutrient Removal Processes and Costs”(EPA Report)。该研究考虑利用化学沉淀法和生物处理法来移除可溶解磷酸酯(盐)，包括考虑所选商用单元的安装和操作的成本。
通过本发明，提供使用本发明的生物催化剂从水中移除可溶解磷酸酯(盐)的生物方法。这些用于生物性减少水中可溶解磷酸酯(盐)的方法包括：
a.在磷酸酯(盐)聚积条件下使生物反应器中的水与具有基本上不可逆地保留于其中的磷酸酯(盐)聚积微生物(PAO)的本发明的生物催化剂接触足够时间，以降低磷酸酯(盐)在所述水中的浓度并且提供含有磷酸酯(盐)荷载微生物的生物催化剂，其中所述磷酸酯(盐)聚积条件包含在所述微生物内存在聚羟基链烷酸酯(盐)(PHA)、尤其聚-β-羟基丁酸酯(盐)以及在水中存在需氧或缺氧条件；
b.使含有磷酸酯(盐)装载微生物的所述生物催化剂在水性介质中经受厌氧条件，使其足以从所述微生物中释放磷酸酯(盐)进入所述水性介质以提供富磷酸酯(盐)水性介质；和
c.从所述富磷酸酯(盐)水性介质中分离所述生物催化剂用于步骤(a)。
磷酸酯(盐)聚积微生物的实例包括但不限于不动杆菌(Acintobacter spp.)、放线菌(Actinobacteria)、Candiidatus Accumulibacter phosphatates，α-变形菌(α-Proteobacteria)、β-变形菌(β-Proteobacteria)和γ-变形菌(γ-Proteobacteria)。
本发明的方法处理水以移除可溶解磷酸酯(盐)(如文本所用，可溶解磷酸酯(盐)旨在包括单碱式磷酸盐、二碱式磷酸盐、三碱式磷酸盐和焦磷酸盐阴离子)。待处理水(本文称为“原水流”)可以来源于任何合适源，包括但不限于地表和地下水，市政废水，工业废水和采矿操作生成的水。由于生物催化剂提供稳健性，待处理水可以含有多种组分，包括存在如果微生物在游离悬浮液中则将不利影响磷酸酯(盐)移除的组分。原水进料可以受到单元操作以移除一种或多种组分，然后经受磷酸酯(盐)移除或可以直接给送到磷酸酯(盐)移除方法。
原水进料通常每升含有至少约2、比如至少约4毫克磷酸盐(按PO4 +3计算)。市政废水很多情况下每升含有约4至20毫克磷酸盐；然而，本发明的方法可用于处理含有高浓度磷酸盐酯(盐)(如500毫克/升或更多)的原水流。
本发明的方法用于降低原水进料中可溶解磷酸酯(盐)浓度，以提供处理水。可溶解磷酸盐的浓度下降通常至少约50％，优选至少约70％。在本发明的优选方面，该处理水每升含有小于约1毫克且通常小于约0.1毫克的磷酸酯(盐)。有利地，可实现处理水中磷酸盐的低浓度，而不必使用化学沉淀剂。处理水可以适于排放、再循环或进一步加工。因为基本不产生微生物碎片的油泥，处理水不需经受后处理操作，例如沉降池。
在氧化条件下实现磷酸酯(盐)移除。氧化条件可通过供应氧或氧化组分来提供。便利地，氧由空气或富氧空气供应。一般来讲，在磷酸酯(盐)移除期间，原水进料的溶解氧含量为至少约1、优选至少约2、比如约2至20毫克/升，所述氧可以通过任何方便途径供应，包括通过在水中鼓入或喷射含氧气体或搅拌或者机械处理所述水以有利于水-气接触。氧化组分包括但不限于硝酸酯(盐)、过氧化物和过碳酸酯(盐)。在使用这种氧化组分的情况下，活性氧的浓度优选地在约1至10、更优选地约1至5毫克/升之间范围内。
当大多数磷酸酯(盐)聚积微生物为嗜温细菌时，可使用典型嗜温细菌条件。被处理原水流的pH优选比约6更加碱性，并且通常在约6或6.5至9的范围内。
磷酸酯(盐)移除步骤期间，原水流和生物催化剂之间的接触持续时间足以提供水中可溶磷酸酯(盐)的所需下降。该持续时间因此取决于原水流中可溶磷酸酯(盐)的浓度，磷酸盐浓度的所需下降，和磷酸盐聚积微生物在生物反应器中的密度，以及磷酸盐移除的所用条件。由于可通过使用生物催化剂提供高浓度的磷酸盐聚积微生物，可实现相对低的分批循环或水力保留时间。
磷酸盐聚积微生物以细胞内的聚磷酸盐形式保留超过生物方法中所需量的磷。在一些实施方案在，浓缩的含磷酸盐水具有磷酸盐浓度比原水进料大至少10倍。在某些情况下，该浓缩水将每升具有至少约100、优选至少约500毫克的磷酸盐。通常，浓缩水中磷酸盐的浓度越高，导致获得固体含磷酸盐产物所需的能量越少。
需氧和厌氧阶段之间需要过渡并且可以任何合适方式实现。例如，可以终止向生物反应器中被处理原水的氧或其他氧化化合物的供应。残余氧可以在额外量的磷酸盐的聚集中被消耗，然后，该被处理水可用旨在聚集释放的磷酸盐的单独水性介质置换。
在本发明的方法中，磷酸盐释放到单独水性介质中，而非处理水中。在优选操作中，磷酸盐的释放允许获得浓缩的含磷酸盐水，其相对不含有原水流中可能含有的其他污染物。因此，在提供适用于工业或农业使用的磷酸盐时，浓缩水具有增强的效用。如果需要，磷酸盐可从该浓缩的含磷酸盐水中回收。任何合适方法可以应用于实现这种回收。用于提供甚至进一步浓缩的水的单元操作包括化学沉淀、蒸发和逆渗透。
通过将微生物维持在厌氧条件下，可释放磷。通常，水中溶解氧浓度(或使用氧化化合物的氧化值，而非氧)小于约0.5、优选小于约0.2毫克/升。应当理解，生物催化剂内的一些微环境可以具有更高或更低的氧浓度。实际上，在连续操作中可以安排需氧磷酸盐移除阶段和厌氧磷酸盐释放阶段之间的顺序，使得保留在生物催化剂中的微生物的仅一部分被用于移除和释放磷。剩余的微生物的被认为不仅可用于容忍原水流体积流速和其磷酸盐浓度的改变，而且还用于在生物催化剂中往返移动氧和磷酸盐。
因为用于释放磷酸盐的温度、压力和pH的条件可与用于从原水中回收磷酸盐的那些相同，通常不需要特意诱发改变。通常，不必向单独水性介质添加营养物质(包括微营养物质)。
对于一些微生物，从微生物中释放磷酸盐的动力学速率比磷酸盐的聚集的动力学速率更高。优选地，操作磷酸盐释放阶段，以在浓缩的含磷酸盐的产物中提供高浓度的磷。如果需要，可以两个或更多个步骤来操作磷酸盐释放阶段，第一步骤提供水性介质中磷酸盐的最大浓度，并且后面的步骤提供微生物中所含磷酸盐的还原，但提供浓缩的含磷酸盐产物，该产物比磷酸盐移除阶段具有更低的磷酸盐浓度。
在磷酸盐的聚集期间，认为PHA和氧或氧化化合物被生物转化成二氧化碳和水。一般来讲，针于微生物中聚集的可溶磷酸盐的每个磷原子，PHA的约2至20个、优选约4至10个碳原子被生物转化。磷酸盐聚集微生物在厌氧条件下在存在含碳底物的情况下形成PHA。一般优选2至5个碳原子的挥发性脂肪酸用作含碳底物。然而，使用本发明的生物催化剂，更复杂碳源如糖和乙酸可被用于生成PHA。
通过在生物催化剂中保留磷酸盐聚集微生物，当进行PHA生产时，本发明的此方面的方法提供显著灵活性。例如，含碳底物可以在磷酸盐的释放的持续时间的至少一部分内提供，或可采用单独的厌氧阶段专门用于生产PHA。在后一种情况下，生物催化剂中的微环境和微生物的代谢状态允许微生物在磷酸盐释放阶段的持续时间内维持活性。在希望浓缩的含磷酸盐产物基本不存在添加的有机化合物时，后一种情况是有益的。
形成PHA的动力学速率部分取决于所用含碳底物和底物的浓度。在大多数情况下，PHA的生物反应速率比磷酸盐的聚集更快。此外，生物催化剂能够使得在PHA-产生阶段的持续时间之外保留含碳底物，并且生物催化剂中更闭塞的微生物可以充分缺乏氧并且充分存在含碳底物以生成额外的PHA。
所述方法可以以分批、半连续和连续方式进行，并且优选以连续方式进行。生物反应器可以呈任何合适的构型，包括典型生物反应器系统。可采用一个生物反应器并且在磷酸盐移除和释放阶段分批循环。对于大多数商用操作，优选连续方式的操作。该生物催化剂可以从一个生物反应器移动到另一个，并且每个生物反应器适于发挥不同功能，例如，一种生物反应器用于从原水中移除磷酸盐；一种生物反应器用于磷酸盐释放；并且任选地，一种单独生物反应器用于PHA生成。这样，可以在各个生物反应器中进行生物催化剂和水的逆流，以有利于从原水流中移除可溶磷酸盐并且最大化含磷酸盐产物中的磷酸盐浓度。另一个方法为将含有生物催化剂的各生物反应器从(例如)磷酸盐移除阶段至磷酸盐释放阶段至PHA生成阶段循环。可使用这两种方法的组合。例如，生物反应器可以用于从原水流中移除磷酸盐，并且随后停止磷酸盐移除阶段，并且生物催化剂随后提供至在厌氧条件下操作的逆流生物反应器，以提供高浓缩的含磷酸盐的产物。该生物催化剂随后提供至另一个生物反应器，其首先在PHA形成条件下操作，并随后过渡至用于磷酸盐移除的条件。
可通过参考图6、7和8方便一般性理解本发明和其应用。
图6为适用于实践本发明的方法的整体称为600的一种类型的设备的示意图。如所示，该设备包含5个生物反应器组件A、B、C、D和E。各组件将在图7进一步详细描述。
为了论述，生物反应器为流化床反应器，但可容易了解可使用其他类型的生物反应器(例如填充床和滴流床)。如所示，该设备为数个流体运送集管，其可包含一根或多根流体导管线。水流集管组件由元件602示出，并且向生物反应器组件提供原水运送以及提供在生物反应器组件之间的水和生物反应器组件内再循环的水。如果必要，管线604适于向集管组件602提供碳源。空气集管606适于向各生物反应器组件供应空气，或其他含氧气体。排水集管608适于从一个生物反应器组件到另一个生物反应器组件运送排水。集管组件610适于提供在生物反应器组件内从一个生物反应器组件至另一个生物反应器组件的流体连通，和浓缩的含磷酸盐料流的移除。集管组件612适于从设备收回处理水。集管组件614适于从设备排出气体。在图6中，圆形元件一般指示阀组件。阀组件和操作将结合图7进一步论述。
图7为图6的生物反应器组件的更详细图示。如所示，生物反应器组件包含生物反应器702。生物反应器702含有包含Candidatus Accumulibacter phosphatis的生物催化剂。管线704适于将水性料流引导至生物反应器702。如下文将论述，水性料流可以为原水流、来自另一个生物反应器的料流、或再循环料流。管线706向生物反应器提供含氧气体(通常为空气)。阀708控制流动，并且分配器710用于将含氧气体分配到生物反应器702。为了生物反应器702吹扫或排水，在生物反应器702的底部提供管线712。阀714控制水经过管线712的流动。
在生物反应器702的顶部提供管线720，以便收回气体，例如经由管线706供应的含氧气体的残余物和由代谢活性产生的二氧化碳。阀722提供在管线720上并且适于控制气体经由管线720的流动。这些收回气体通常排放至大气环境；然而，它们可以经受处理以加入或移除组分如甲烷。如所示，在生物反应器702的上部，提供管线716以从生物反应器收回处理水。如下文所述，这种处理水管线用于从按精制方式(polishing mode)操作的生物反应器中移除水，或如果无生物反应没有按精制方式操作，则从按初级磷酸盐移除方式操作的生物反应器中移除水。阀718控制水经过管线716的流动。另外，管线724提供在生物反应器702的上部，用于移除水以便再循环或运送至另一个生物反应器。管线716和724提供有滤网，或其他装置，以阻止生物反应器702中所含生物催化剂进入这些管线。管线724提供有阀726，其适于控制水从生物反应器702进入管线724的流速。管线724还提供有导向阀728，其适于将水引导入管线730中，所述管线730携带浓缩的含磷酸盐水性料流以便移除和/或去往管线732。管线732含有阀734，其适于经由管线738和管线704将水再循环至生物反应器702或将水通入管线736以便传递至另一个生物反应器。
如所示，管线704可还接收其他水性料流(stream)。这些料流可包括经由管线740提供的原水和经由管线744来自另一个生物反应器的水。提供阀742来将这些料流的量控制在下文将论述的相对体积。如果必要，管线746适于向生物反应器702提供碳源。阀748控制碳源至生物反应器702的流速。
仅为了说明而非限制本发明，图6中示出5个生物反应器组件，适于通过各种模式操作排序。本领域技术人员可容易理解，可使用更少或更多的生物反应器组件并且顺序可改变。
为了说明，以下归纳五种所用的操作模式：
厌氧PHA生成方式(Anaerobic PHA Generation Mode)--在该方式中，生物反应器在厌氧条件下操作，所述条件包括存在碳源，其可以为添加碳源或被包含在待处理原水中；
一级需氧PO4移除方式(Primary Aerobic PO4Removal Mode)--在此方式中，含氧气体通过生物反应器以实现从水中移除磷酸盐；
精制需氧PO4移除方式(Polishing Aerobic PO4Removal Mode)--在此方式中，由按一级需氧PO4移除方式操作的另一个生物反应器处理的水在用于从水移除额外磷酸盐的生物反应器中进一步与生物催化剂接触；
吹扫模式(Purge Mode)--在此模式中，生物反应器从需氧或/和缺氧环境过渡到厌氧环境用于从生物催化剂中释放磷酸盐；和
厌氧PO4释放模式(Anaerobic PO4Release Mode)--在该模式中，生物反应器在用于从生物催化剂中释放磷酸盐的厌氧环境下操作，以提供富磷酸盐流出物料流。
以下论述描述使用图8中概括的顺序的图6和7的设备的操作。如图8中可见，各生物反应器组件A、B、C、D和E通过相同模式排列顺序。本论述将因此参考单个生物反应器组件的操作，并且理解该论述将等同适于各个其他生物反应器组件。为了说明，各操作模式具有相同持续时间。
该论述以厌氧PHA生成模式的生物反应器的操作开始，其为在紧前的时间已用于厌氧PO4释放模式的反应器。因此，在该循环开始时，该生物反应器含有虽然厌氧但富磷酸盐的水性介质。在该循环开始时，阀742和阀714关闭。首先，阀714开启以阻止生物反应器702中的水性介质通过管线712并随后被引导至磷酸盐回收。排水期间，可以终止设备的原水进料，或原水进料可以被引导至按一级需氧PO4移除模式操作的生物反应器。或者，设备可以提供有波动箱。任何合适流体可以用于替换由排水产生的生物反应器702的体积。通常，空气是合适的，即便希望生物反应器被操作并且在此模式下需氧。或者，通过将原水经由管线704通入生物反应器702并且同时从生物反应器的顶部经由管线724收回富磷酸盐水性介质，可在此模式开始时实现生物反应器702中富磷酸盐介质的替换。
一旦生物反应器702排水，阀714关闭并且阀742被设置成允许含有可溶磷酸盐的原水进料流从管线740通入管线704以便引入生物反应器702中。原水进料流重新流态化该生物催化剂。阀722和阀718维持关闭。生物反应器702在代谢条件下操作，该条件包括厌氧或缺氧条件，使得生物催化剂将原水进料中的碳源生物转化成PHA。碳源可以被包含在原水进料流中。如果必要，碳源可在该模式期间通过阀748的调控经由管线746提供至所需浓度。在通过生物反应器702中生物催化剂的流化床之后，原水进料流经由管线724离开并且经由阀728通往管线732。阀734将水经由管线736引导到按一级需氧PO4移除模式操作的生物反应器。如果必要，该水的一部分可以通过阀734经由管线738引导回到生物反应器702以便维持生物催化剂的所需流化度。
在厌氧PHA生成模式接近完成时，生物反应器702向精制需氧PO4移除模式过渡。该过渡包含通过开启阀708启动含氧气体经由管线706进入生物反应器702的流动。在此时，阀722开启以允许气体经由管线720离开生物反应器702。水从生物反应器702的流动在该过渡期间维持不变并且通往按一级需氧PO4移除模式操作的生物反应器。该过渡允许生物反应器用作在下一阶段期间按精制需氧PO4移除模式操作的生物反应器。
在阶段1结束时，阀742终止粗进料水的流动并且开始流出物由管线744从按一级需氧PO4移除模式操作的生物反应器的流动。另外，阀726关闭并且阀718开启以允许磷酸盐减少的水从设备经由管线716通过。然而，如果希望再循环料流提供足够流动以流化生物反应器702中的生物催化剂，阀726、阀728和阀734可设定成提供回到生物反应器702的水的所寻求流速。因为先前的过渡将生物反应器702置于需氧环境中，微生物具有增加的PHA含量和减少的磷含量，因此可有效将处理水中的可溶磷酸盐移除到所需低浓度。另外，使用精制需氧PO4移除模式的生物反应器能够使得原水进料中可溶磷酸盐浓度的波动以及原水进料的流速的波动得以调节，同时还在处理水中提供所寻求的流动磷酸盐浓度。
一般来讲，不需要过渡来使生物反应器的操作从精制需氧PO4移除模式循环至一级需氧PO4移除模式。通过将水源和管线744从按一级需氧PO4移除模式操作的另一个生物反应器切换至按厌氧PHA生成模式操作的生物反应器的流出物，生物反应器702在阶段2结束时开始按一级需氧PO4移除模式操作。阀718关闭并且阀726开启，从而允许水性介质经由管线724被引导至阀728和管线732。阀734将流出物经由管线736引导到按精制需氧PO4移除模式操作的生物反应器。流出物的一部分可以通过阀734被引导至管线738以便再循环至生物反应器702，以便提供生物催化剂的所需流化。
在阶段3结束之前，其中生物反应器702按一级需氧PO4移除模式操作，或在阶段4开始时，其中生物反应器702将按吹扫模式操作，阀708关闭以终止含氧气体进入生物反应器702的流动。生物反应器702内水性介质中和生物催化剂中剩余足够的残余氧，从而允许额外的溶解磷酸盐摄取。生物反应器702的流出物可继续被引导至按精制需氧PO4移除模式操作的生物反应器或按一级需氧PO4移除模式操作的生物反应器(管线736因此将与按一级需氧PO4移除模式操作的另一个生物反应器的管线744流体连通)。通常，在吹扫模式中，通过设置阀726、728和734，生物反应器702中的水性介质连续再循环。如果需要，生物反应器702中所含的所有或部分水性介质(所述介质含有溶解氧)可经由管线712排除。排除的水性介质可通往按一级需氧PO4移除模式或精制需氧PO4移除模式操作的另一个生物反应器。在吹扫模式中，开始释放由微生物保留的磷的过程。该吹扫模式也有利于散逸生物催化剂内的氧浓度梯度。
在阶段5中，生物反应器702按厌氧PO4释放模式操作。在此模式中，生物反应器702中装载磷酸盐的水借助于管线724、732、738和704再循环，并且一部分水通过阀728引导至管线730。使用吹扫模式与厌氧PO4释放模式的组合往往在经由管线730收回的水流中提供高度可行的磷酸盐浓度。在替代性实施方案中，生物反应器702中装载磷酸盐的水可以通过管线712排除。装载磷酸盐的水可以被处理或经受进一步化学或加工处理以回收磷酸盐。例如，鸟粪石可以形成并且相分离，并将使水回到设备。或者，装载磷酸盐的水可以受到蒸发、蒸馏或逆渗透以提供更浓缩的含磷酸盐的料流，所述料流可以具有工业或农业用途。
虽然该说明已描述单独阶段中进行的吹扫模式和厌氧PO4释放模式，所述模式可以在单个阶段中组合。
iii.减轻水生微生物所致的生物淤积
得自含水生生物体来源(尤其巨生物例如藤壶(例如acorn barnacles和goosebarnacles)；海洋蚌；淡水蚌；斑马贝；苔藓虫；管虫；多毛动物，海鞘，海绵；和海葵)水的用于许多用途。例如，可以寻求该水用作可饮水，脱盐用水源，冷却水(例如用于发电厂和制造设施、用于卫生设施)以及轮船压舱物。水源含有巨生物可导致表面(例如管、槽和加工设备如泵、阀、热交换器、过滤装置、反应器等等)的生物淤积。需要定期维护来移除沉积物或替换污浊设备。由于这些生物体对表面的附着力的强度和壳体的硬度，从这些巨生物中移除沉积物可能有问题。
根据本发明的该方面，含有或可以接触水生巨生物的水首先接触含有能够分解代谢性转化水中溶解的可代谢有机碳(有机碳)的微生物的本发明的生物催化剂。所选微生物应该容忍原水的其他组分，包括但不限于盐分、其他阴离子和阳离子、任何存在的有机物或污染物，以及pH值。能够将有机碳转化成二氧化碳的微生物的实例包括但不限于约氏不动杆菌(Acinetobacter Johnsonii)、柴油食烷菌(Alcanivorax dieselolie)、固氮弧菌(Azoarcus sp)、球形芽孢杆菌(Bacillus globiformis)、莫海威芽孢杆菌(Bacillusmojavensis)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、大肠杆菌(Escherichia coli)、两形真杆菌(Eubacterium biforme)、巴氏乳球形菌(Lactosphaera pasteurii)。微丝菌(Microthirx parvicella)、兔莫拉氏菌(Moraxella cuniculi)、星形诺卡菌(Noc ardiaasteroids)、假产碱假单胞菌(Pseudomonas pseudoalcaligenes)、椿象红球菌(Rhococccus rhodnii)、嗜粪红球菌(Rhodcoccus coprophilus)、发酵红育菌(Rhodoferaxfermentans)、Rhodococcus jostii、多糖降解菌(Saccharophagus degradans)、Skermaniapiniformis、荚膜黄杆菌(Sphingomonas capsulate)、争论贪噬菌(Variovoraxparadoxus)和动胶菌(Zoogloea sp)。
接触足够时间以将可代谢有机碳的浓度降低至在此巨生物生存受抑制的水平。水进料可以连续接触生物催化剂；然而，水的间歇或定期处理可以足以破坏生物催化剂下游的巨生物生长。
因此，在不添加化学物质的情况下，可形成水生巨生物所致生物淤积。此外，生物催化剂自身不生成用于巨生物的食物源，不增加将由任何下游过滤移除的固体质量。在本发明的优选方面，自与生物催化剂的接触下游的有机碳的浓度不足以维持悬浮微生物的存活力。
水通常(但并非始终必需)得自表面源并且可以为盐水、微咸水或新鲜水。水含有用于支撑水生巨生物的食物和营养物质，并通常含有微生物。
用于使水和生物催化剂接触的条件可以在广范围内变化并且通常处于典型嗜温细菌条件。通常，接触的温度基本上为水的环境温度。在某些情况下，水中溶解氧足以将有机碳代谢性生物转化成二氧化碳；然而，在某些情况下可以希望对水充气。一般来讲，将与生物催化剂接触的水中的溶解氧含量在约1至50或更多、比如1至10ppm质量的范围内。通常，不需向水加入营养物质。
生物反应器可以呈任何合适的构型，包括典型生物反应器系统。在使用本发明的生物催化剂可实现的高细胞密度和生物活性情况下，生物反应器中水的平均水力停留时间通常小于约24、更多情况下小于约6或10小时和在某些情况下可以在约0.5至4小时范围内。
因为生物催化剂提供其中微生物可存活很长时间而不需添加额外食物源的环境，生物催化剂可在含有有机碳的环境(“代谢循环)和基本不含有有机碳的环境(“清洗循环”)之间循环。该循环通常延迟在生物催化剂的表面上的生物体的任何生长。一般来讲，如果使用，清洗循环的持续时间至少约2，比如在约6至48小时之间。
参照图9，设备900为使用逆渗透膜将海水脱盐的组件。海水通往正压区(plenum)902。箭头指示海水进入正压区902的流动。正压区902为多个筛网，其中两个被示出，筛网904a和筛网904b。可移动阀瓣905提供在正压区902中并且适于停止水去往筛网904a的流动，并随后如虚线所示移动以停止水去往筛网904b的流动。应当理解，可以设置可移动阀瓣905以使得水可流动向筛网904a和906b两者。
各筛网具有专用集管，对于筛网904a为集管906a，并且对于筛网904b为集管906b。各集管具有去往各生物反应器的管线。为了示例，示出两个生物反应器，生物反应器912和生物反应器914。管线908a提供集管906a和生物反应器912之间的流体连通，并且管线908b提供集管906b和生物反应器912之间的流体连通。管线910a提供集管906a和生物反应器914之间的流体连通，并且管线910b提供集管906b和生物反应器914之间的流体连通。
各生物反应器912和914被示为含有生物催化剂的流化床生物反应器，为了论述，其为实施例113的生物催化剂。生物反应器912被示出为具有流出物管线916和912，并且生物反应器914被示出为具有流出物管线918和924。流出物管线916和918与再循环集管920流体连通。流出物管线922和924与处理水集管926流体连通。处理水集管926将处理水引导至超过滤膜单元928。超过滤膜单元928的滤液经由管线930通往逆渗透单元932。脱盐水经由管线934离开，并且被拒绝料流经由管线936从逆渗透单元932离开。
回到再循环集管920，水通往波动箱938。来自波动箱938的水可经由管线942被引导至正压区902。来自管线942的水进入在由可移动阀瓣905和被封闭筛网的上游所封闭的区域中的正压区902。
存在设备的若干操作模式，所有均在本发明的广泛方面内。在一个模式中，生物反应器912和914独立地操作，并且在另一个模式中，生物反应器912和914以水流动顺序操作。
以举例的方式，在操作的第一模式中，原水进入正压区902并且通过筛网904b被引导至集管906b。管线908b被关闭阀门，并且集管906b中的水通过管线910b去往生物反应器914。在生物反应器914中，有机碳被转变成二氧化碳以提供基本不含有机碳的处理水流。该处理水流经由管线924离开并且通往处理水集管926，在此其最终通过逆渗透单元以提供脱盐水。在该时间点，管线918被关闭阀门。
此前已用基本不含有机碳的处理水填充的波动箱938经由管线940将水供应到由可移动阀瓣905和筛网904a定义的正压区902的封闭区域中。水随后通过筛网904a进入集管906a。管线910a被关闭阀门，使得水不进入生物反应器914，但管线908a被打开阀门，使得处理水通过生物反应器912。水随后经由管线916离开生物反应器912，通过再循环集管920回到波动箱938。在该时间点，管线922被关闭阀门。如可见，处理水通过筛网904a、集管和管线906a和908a和生物反应器912的循环用于提供清洗循环。可移动阀瓣905的使用允许处理水接触阀瓣以类似地减弱巨生物在阀瓣上的生长。
在筛网904a、集管906a和生物反应器912的清洗循环完成后，可移动阀瓣905移动以允许原水流动通过筛网904a并且封闭原水去往筛网904b的流动。对集管906a和906b维持相同阀门位置，导致生物反应器912处理原水。流出物管线916被关闭阀门并且流出物管线922被打开阀门以将处理水通往处理水集管926。生物反应器914经受清洗循环，所述清洗循环为筛网904b、集管906b和管线910b。来自生物反应器914的流出物管线924被关闭阀门，并且流出物管线918被打开阀门并且将水通往再循环集管920。来自波动箱938的水经由管线940通往在正压区中由可移动阀瓣905和筛网904b定义的封闭区域。先前循环期间已暴露于原水的正压区侧现在暴露于具有基本不存在有机碳的水。因此，设备有利于维持可移动阀瓣905的两侧相对不含巨生物。
在下一个循环中，管线908a被关闭阀门，管线908b被打开阀门并且生物反应器912经受清洗循环。在相同时间处，管线910a被打开阀门，管线910b被关闭阀门并且生物反应器914用于处理原水以移除有机碳。在该循环中，流出物管线918被关闭阀门并且流出物管线924被打开阀门并且将处理水通往处理水集管926。另外，来自生物反应器912的流出物管线922被关闭阀门，并且水经由管线916通往再循环集管920。
在最后四个循环中，移动可移动阀瓣905以封闭原水去往筛网904a的流动并且允许原水去往筛网904b的流动。因此，生物反应器914处理原水，并且流出物管线918被关闭阀门并且流出物管线924被打开阀门以将处理水引导至处理水集管926。生物反应器912经受清洗循环，并且流出物管线916被打开阀门并且流出物管线922被关闭阀门。管线940将水从波动箱938引导至可移动阀瓣905和筛网904a定义的封闭区域。
图9中所示设备也可以顺序床模式使用。在第一循环中，可移动阀瓣905提供在正压区902中筛网904a上游的封闭区域。进入正压区902的原水通过筛网904b并且进入集管906b。管线908b被关闭阀门，并且水通过管线910b进入生物反应器914以便处理以移除有机碳。处理水经由管线918通往再循环集管管线920。管线924被关闭阀门。因此，波动箱938接收处理水，所述水随后经由管线940通往在筛网904a前的封闭区域。因为处理水基本上无有机碳，所述水可用于清洗循环。该水进入集管906a并且经由被打开阀门的管线908a通往生物反应器912。管线910a被关闭阀门。任何残余或额外有机碳在生物反应器912中经受生物催化剂，以另外生物转化成二氧化碳。生物反应器912的水经由管线918通往处理水集管926。流出物管线916被关闭阀门。
按与设备的第一操作模式的描述一致的方式，设置和阀控各生物反应器的可移动阀瓣可以被循环，使得所有管线和反应器通过清洗循环。
iv.铵离子至氮的需氧分解代谢
如上文论述，用于从水性流动物中移除铵阳离子的生物方法氧化通常在需氧环境下进行的铵阳离子。氧化流出物含有硝酸盐阴离子和可能的亚硝酸盐阴离子(尤其在氧化不完全的情况下)。通常，移除每千克铵氮，消耗超过4千克氧，并且硝化(ntrification)和脱氮(denitrification)方法将常规设施的功耗增加30％或更多。
所得硝酸盐和亚硝酸盐离子也为污染物并且优选地在排放到环境之前从水中移除。用于脱氮的生物转化方法也是熟知的。通常，这些氧离子至氮的还原需要缺氧或厌氧环境和电子供体。因此，一些设施添加供体，例如甲醇或甚至原污水。铵氧化和硝酸盐还原对根本不同的条件的需要造成采用系统将铵生物转化成氮的资金和操作耗费。硝酸盐还原的厌氧条件也可引起硫化氢和其他巯基化合物的产生。
上文还论述厌氧氨氧化(anammox)方法。
通过本发明的此方面，本发明的生物催化剂能够使用活化油泥中所含微生物(本文称为“N/D微生物”)在需氧环境中将铵阳离子生物转化成氮。因为使用本发明的生物催化剂，生物催化剂中微生物未生成固体。在广泛方面，含有铵阳离子的水和生物催化剂之间在代谢条件下接触足够时间，以提供具有小于约50％、优选小于约90％的铵浓度的处理水，其中进料水的硝酸盐浓度和硝酸盐离子的浓度小于约1毫克/升。此外，处理水中硝酸盐和亚硝酸盐阴离子的这种还原甚至可在水存在显著量的氧(例如大于5或8毫克氧/升)的情况下进行。在本发明的此方面的优选实施方案中，处理水含有足够的水，使得其不需被充气以便排放到环境，例如含有至少约0.5、优选至少约1毫克氧/升。此外，该方法未生成硫化氢或其他巯基化合物。
水可以来自任何来源，包括市政废水、地下水和地表水。待处理水的铵阳离子含量也可在广泛范围内变化，并且通常介于约5或10至250、更多情况下在约25至200毫克/升之间。待处理水可以含有其他组分，其包括但不限于硫化合物、磷化合物、无机盐和溶解金属。通常，待处理水中氧浓度在约0.5至10或更多毫克/升的范围内。
这些方法中所用的本发明的生物催化剂含有N/D微生物。当处于水性介质中的游离悬浮液内时，合适的N/D微生物可以有或可以不具有硝化和脱氮代谢活性两者。虽然不希望受理论限制，认为在某些情况下发生表型改变，这对N/D微生物的性能有所贡献。N/D微生物可得自活化油泥。优选地，活化油泥在需氧条件下且在典型嗜温细菌条件下适应环境，并且用碳酸氢盐阴离子加料。在某些情况下，pH维持在约6至8之间。
铵生物降解方法可以以任何合适方式进行。该方法可以按连续、半连续或分批模式操作并且使用典型生物反应器系统。
可使用任何合适的代谢条件，包括典型嗜温细菌条件。一般来讲，pH维持在约4至8.5之间，例如在6.0至8.0之间。缓冲液，如果需要，可以用于在该方法期间将水维持在给定pH值。可能需要碳源营养物质并且该碳源营养物质可以为任何方便碳源，例如低分子量烃或含氧烃如乙醇、乙酸盐和糖。
水和生物催化剂的接触持续时间为足以获得所寻求的铵减少的时间。该持续时间可取决于反应器类型、生物催化剂和微生物种群在生物反应器中的浓度广泛变化。在多个情况，接触持续时间可以小于12、优选小于8小时以实现将铵浓度降低至小于约1毫克/升，并且有时，该接触小于1小时。本发明的方法的显著优点在于，不仅铵被转变成氮，而且处理水含有极少(如果有的话)硝酸盐或亚硝酸盐阴离子。
实施例218
将连续搅拌的充气箱生物反应器用生物催化剂填充至其高度的约70％，所述生物催化剂基本上按实施例92中所述，但使用来源于按上文所述那样适应环境的活化油泥的微生物并且约350至400克/升的湿细胞密度。该生物催化剂呈直径约4毫米的球体形式。在加里福利亚州尤宁城的市政废水厂，一级处理的流出物用作该生物反应器的进料。在生物反应器中进行一系列分批运行，各轮运行使用具有不同铵阳离子浓度的流出物：100、200和1000毫克/升铵阳离子。通过添加氢氧化铵调整铵阳离子浓度。在每轮运行开始时将pH调整至约7。进行各轮运行，直至铵阳离子浓度低于约0.1毫克/升。在各轮运行结束时，分析废水的亚硝酸盐和硝酸盐阴离子。废水中的总氮低于约1毫克/升。
v.硝酸盐和高氯酸盐从水移除
本发明的生物催化剂可用于从水移除硝酸盐和移除高氯酸盐阴离子以及两者(当两者一起存在时)。硝酸盐为水中污染物，并且美国环境保护局设定了可饮水中10毫克硝酸盐(基于氮的质量计)的限制。已发生地下水和地表水的多种来源的高氯酸盐阴离子污染。在这些污染水中的高氯酸盐阴离子的浓度可广泛变化。一种由于高氯酸盐的存在而引起的健康问题为高氯酸盐对甲状腺产生激素的能力的干扰，这又可导致代谢、生长和发育问题。由于对高氯酸盐的不利影响的担忧，寻求实现将高氯酸盐水平降低至极低的每升微克数。通常地，被高氯酸盐阴离子污染的水含有硝酸盐阴离子。被高氯酸盐污染的水中硝酸盐的存在对代谢方法构成挑战，因为不仅优选减少硝酸盐，而且高氯酸盐的浓度也必须降低至极低水平。
在广泛方面，用于降低硝酸盐阴离子或高氯酸盐阴离子的浓度或这两者(当一起存在于水中时)的方法包含在代谢条件下按足以生物转化这种阴离子的时间使水与含有能够减少所述阴离子的微生物的菌株的本发明的生物催化剂接触。减少硝酸盐和高氯酸盐的微生物(尤其细菌)易于从环境获得并且一些此前的工作人员已描述用于这些阴离子的生物降解的自体接种系统。参见(例如)美国公布专利申请No.2010/0089825。自然界(尤其溪流和废水)中可得的细菌的菌种的代表包括脱氯弧菌库兹捏佐夫氏菌(Vibriodechloraticans)，Cuznesove)B-1168、产琥珀酸沃廉菌(Wolinella succinogenes)、耐热不动杆菌(Acinetobacter thermotoleranticus)、Ideonella dechloratas、罗氏真养菌(Ralstonia eutrophia)和GR-1(经识别属于变形菌的β亚组的菌株)。关于能够高氯酸盐呼吸的微生物的论述，参见(例如)Coates等人，Nature Rev.Microbiol.，2，第569至580页(2004)，和Applied Environmental Microbiol.，65，第5234至5241页(1999)；和Wu等人，Bioremediation Journal，5，第119至130页(2001)。应理解，使用的微生物可以为野生菌株或可以为基因改良的重组微生物。
水中硝酸盐的浓度可取决于来源广泛变化，并且通常在约0.5毫克/升、比如1至100毫克/升或更多范围内。在采矿操作和水产业中，废水可通常每升含有500或更多毫克硝酸盐，并且至今仍难以解决将硝酸盐阴离子的这种高浓度降低至适合排放的水平的问题。水中高氯酸盐的浓度可取决于来源而广泛变化。在一些报道事例中，已观察到大于10毫克/升的高氯酸盐浓度。然而，由于对高氯酸盐污染引起的担忧，可以希望处理含有极低浓度的高氯酸盐(例如低达约10微克/升)的水。待处理水可以含有其他组分，其包括但不限于硫化合物、磷化合物、无机盐和溶解的金属。通常，待处理水中氧浓度在约0.5至10或更多毫克/升的范围内。
生物催化剂可以含有任何合适微生物。生物降解方法可以按任何合适方式进行。该方法可以使用合适生物反应器(包括典型生物反应器系统)按连续、半连续或分批模式操作。
维持合适的代谢条件，例如典型嗜常温菌条件。待处理水的pH将取决于其来源。一般来讲，pH维持在约4至8.5之间，例如在4至8.0之间。较低pH往往增强高氯酸盐阴离子的降解。
如果需要的话，电子供体可加入待处理水。电子供体包括但不限于氢、碳水化合物、烃、链烷醇、醛、羧酸、酮、醛、甘油酯等等。参见(例如)美国公布专利申请No.2006/0263869第0055段。如果需要电子供体，可以按任何合适方式将其加入。电子供体的添加通常基于实现高氯酸盐的所寻求减少而定，而非基于待处理水中的总电子受体。因此，在必须提供电子供体的情况下，与氧优选在高氯酸盐阴离子的任何显著生物降解作用之前消耗的情况相比，本发明的方法需要较少的电子供体。
水和聚合物基体的接触持续时间为足以获得硝酸盐和高氯酸盐阴离子的所寻求减少的时间。该持续时间可在广泛范围内变化。如上所述，即便高氯酸盐阴离子的浓度可以极低，例如小于100微克/升，并且存在氧，接触持续时间仍可以相对短暂，甚至也能实现每升含有小于5微克高氯酸盐的处理水。在许多情况下，接触持续时间可以小于几小时来实现小于约5微克/升的高氯酸盐阴离子浓度降低，并且有时，接触小于1小时，并且通常小于约30分钟、甚至小于约5分钟。
处理水可含有氧，原因是生物催化剂的使用使得氧在高氯酸盐阴离子的生物降解之前被不必被消耗。在大多数情况下，处理水的氧浓度为至少约0.1、优选至少约0.5并且最优选地至少约10或甚至50毫克/升。处理水中的溶解氧浓度是否足够高而无需充气就被排出这将部分取决于待处理水中的氧浓度。可以希望过滤来从例如可以由待处理水引入的外来微生物中移除任何固体。
实施例219
制备水溶液，该水溶液含有每升蒸馏水500微克量的高氯酸盐阴离子和10毫克量的硝酸盐阴离子(按氮计)。通过用氮喷射水溶液将氧移除至低于0.5毫克/升。水性溶液的体积减少约20体积％并且每升水性溶液含有410微克的高氯酸盐阴离子和15毫克的硝酸盐阴离子。然后，按水溶液中每质量份的总高氯酸盐和硝酸盐阴离子对应0.6质量份的乙酸钠的量，添加乙酸钠。水性溶液的pH调整至约7。
水性溶液随后按足以浸没生物催化剂的量加入含有实施例31的生物催化剂的玻璃烧瓶。水性溶液和生物催化剂维持在室温下(约25℃)。24小时之后，高氯酸盐浓度为每升溶液约80微克并且硝酸盐浓度为每升溶液约790微克。
实施例220
每升水含有128毫克硝酸盐阴离子、12毫克亚硝酸盐阴离子和约9毫克分子氧的水性溶液以提供25分钟的水力停留时间的速率连续给送至上流式生物反应器。上流式反应器含有基本上实施例52中所述的生物催化剂。来自生物反应器的处理水每升水含有小于约1.3毫克的硝酸盐阴离子和小于0.01毫克的亚硝酸盐阴离子。
实施例221
每升水含有约12至15毫克硝酸盐阴离子和约0.4毫克高氯酸盐阴离子和约4毫克分子氧的水性溶液(aqueous solution)以提供25分钟的水力停留时间的速率连续给送至上流式生物反应器。上流式生物反应器含有占约其体积70％的基本上如实施例52中所述的生物催化剂。生物催化剂含有脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)。通往生物反应器的水的pH调整至约7，并且乙酸钠加入该水作为碳源。来自生物反应器的流出物的硝酸盐浓度小于约1毫克/升并且高氯酸盐阴离子小于约4微克/升。
实施例222
含有每升约600至800毫克的硝酸盐阴离子的水性溶液连续给送至串联的两个上流式生物反应器。各上流式反应器为相同大小，并且各含有基本上如实施例52中所述的生物催化剂。水力停留时间基于两个生物反应器的体积在25分钟和30分钟之间变化。来自第二生物反应器的处理水含有小于10ppm硝酸盐阴离子和小于1ppm亚硝酸盐阴离子.
vi.金属移除
可溶金属和半金属化合物可作为污染物在各种水源中发现。这些污染物可以天然存在或可为人类活动例如制造、采矿、金属冶炼、废物处置等等的结果。这些化合物中的一些构成健康威胁并且可对环境带来不利影响。
有利地，本发明的生物催化剂可用于处理含有金属或半金属的至少一种可溶化合物的水，因为生物催化剂的内部提供微环境，该微环境有利于用于实现将金属或半金属还原以形成固体的氧化还原条件。这些方法包括：
(a)将所述水连续引入含有本发明的生物催化剂的反应区；
(b)使水与含有能够减少所述可溶化合物的微生物的所述生物催化剂接触足够时间，以降低所述至少一种可溶化合物在水中的浓度；
(c)所述生物催化剂维持在足以代谢性还原金属或半金属的氧化状态以形成元素金属或半金属或其沉淀化合物的代谢条件下；和
(d)从所述生物反应区收回具有所述至少一种可溶化合物的减小的浓度的水。
很多情况下，可溶化合物的金属或半金属包含以下至少一种：硫、磷、硒、钨、钼、铋、锶、镉、铬、钛、镍、铁、锌、铜、砷、钒、铀、镭、锰、锗、铟、锑、汞以及稀土金属。可溶化合物将取决于具体金属或半金属，并且可以为氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、羧酸盐(例如甲酸盐、乙酸盐或丙酸盐)；或可溶于水的金属或半金属的氧离子。
代谢条件包括存在由生物催化剂中的微生物代谢的碳源。认为碳源的代谢在生物催化剂的内部中提供梯度，以增强用于代谢性还原金属和半金属的一部分微生物的活性。因此，即便在被处理水含有氧的情况下，可进行代谢性还原。代谢性还原可以提供单质材料或沉淀化合物。沉淀化合物具有被还原的氧化态的金属或半金属，并且沉淀化合物可以为氧化物、碳酸盐、硫化物和氢氧化物中的一种或多种。沉淀化合物的特定性质将取决于构成其以提供不溶性质的金属或半金属。
在某些情况下，金属或半金属的代谢性还原可以延迟通过多孔基体和微生物聚集可溶化合物。在这种情况下，生物反应区可以被确定尺寸以允许稳态操作，或多孔基体可以在待处理水所通往的生物反应区和维持在进行额外代谢性还原的代谢条件下的生物反应区之间循环。
代谢方法可以按任何合适方式进行，包括典型嗜常温菌条件并且使用典型生物反应器系统。可能需要碳源营养物质并且该碳源营养物质可以为任何方便碳源，例如低分子量烃或含氧烃如乙醇、乙酸盐和糖。
生物催化剂的内部为微生物提供过量的微环境，并且这些微环境可在生物催化剂内变化。因此，一些微环境可以改变水的组成，使得其他微环境可以处于更有利于代谢性还原的条件下。例如，在水含有氧时，微生物可以使氧代谢并且提供贫氧水，所述贫氧水通往其中条件有利于代谢性还原的其他微环境。从而，生物催化剂用于提供代谢性还原的自调节。在本发明的一些实施方案中，代谢性还原条件的外部调节可通过电子供体的供应的速率实现。一般来讲，电子供体越多，生物催化剂内pH越酸性。因为该调节是在各生物催化剂结构的内部中，在反应区中的生物催化剂的生物催化活性可相对均匀。
通常地，固体代谢产物的至少一部分留在细胞中或者在生物催化剂中。在其他情况下，代谢产物可从生物催化剂移除。如果需要，来自生物反应器的水可以经受固体移除单元操作，例如超过滤、沉降、离心等等。如上文所述，采用一些系统，有可能使多孔基体再生。或者，生物催化剂可提供用于处置或回收的金属或半金属的浓缩源。
代表性还原微生物包括但不限于以下那些：酵母菌(Saccharomyces)；硫还原菌，包括变形杆菌(Proteus)、弯曲菌(Campylobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)、沙门氏菌(Salmonella)、脱硫单胞菌(Desulfuromonas)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、脱硫线菌(Desulfonema)；磷还原菌，包括不动杆菌(Acinetobacter)、席藻(Phormidium)、红细菌(Rhodobacter)和葡萄球菌(Staphylococcus)；铀还原菌，包括脱硫弧菌(Desulfovibrio)、异常球菌(Deinococcus)、地杆菌(Geobacter)、纤维单胞菌(Cellulomonas)、希瓦氏菌(Shewanella)和假单胞菌(Pseudomonas)；钼酸盐还原生物，包括沙雷氏菌Serratia、肠杆菌(Enterobacter)和埃希杆菌(Escherichia)；镉还原菌，包括假单胞菌(Pseudomonas)和克雷白氏杆菌(Klebsiella)。
用于特定类型的可溶化合物的一些优选微生物如下：硒酸盐还原菌，包括阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)、麦氏游动微菌(Planomicrobium mcmeekinii)、产碱假单胞菌(Psuedomonas alcaligenes)、脱氮假单胞菌(Psuedomonas denitrificans)、斯氏假单胞菌(Psueomonas stutzeri)和玫瑰单胞菌基因种(Roseomonas genomospecies)；其他硒还原微生物，包括美国专利No.7,815,801中公开那些，其全文以引用的方式并入本文；铬酸盐还原生物体，包括阴沟肠杆菌、普通脱硫弧菌(Desulfovibrio vulgaris)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)、易染性假单胞菌(Psuedomonas chromatophilia)、荧光假单胞菌(Psuedomonas fluorescens)和海藻希瓦氏菌(Swanella alga)；高铁离子还原微生物，包括来自高铁杆菌(Ferribacterium)、地杆菌(Geobacter)和地发菌(Geothrix)的那些；和砷酸盐还原菌，包括来自地杆菌、棒状杆菌(Corynebacterium)、假单胞菌(Pseudomonas)、希瓦氏菌(Shewanella)和噬氢菌(Hydrogenophaga)的那些。
vii.从水移除嗅味
饮用水来源中的藻类代谢物可产生特征性不良味道和不舒适臭味。该不良味道和不舒适臭味认为是由于存在2-甲基异冰片(MIB，2-methylisoboreal))和反式-1,10-二甲基-反式-萘烷醇(土臭味素)。人类可检测到低达5至10万亿分率(ppt)的MIB水平。土臭味素类似地在极低水平下被检测到。令人反感的饮用水的其他可能性为卤化有机物质，例如三卤甲烷，其来源于氯和溴与水的有机卤化组分的结合。消毒副产物如卤化有机化合物也可以存在，通常为较高浓度。出于感官和公众健康原因，希望这些卤化有机化合物移除。从自饮用水中移除藻类代谢物和卤化组分特别难以解决，原因是这些杂质必须被降低至低浓度。
本发明的生物催化剂能够处理含有超低浓度的污染物(包括这些藻类代谢物和卤化有机化合物)的水，并且将其浓度降低至可接受水平。显著地，由于生物催化剂中微生物的表型改变，在需要或不需要过度电子供体来支撑该微生物种群的情况下，均可存在微生物的稳定高种群。使用本发明的生物催化剂来降低超低污染物在水流中的浓度的方法包括：
a.连续使所述水流通往生物反应器，所述生物反应器维持在代谢条件下，所述代谢条件包括存在该生物催化剂，所述生物催化剂具有不可逆地保留于其中的能够生物转化所述超低污染物的微生物；
b.使所述水流与所述生物催化剂接触足够时间，以降低所述超低污染物的浓度；和
c.从所述生物反应器中收回所述超低污染物的浓度降低的处理水流。
优选地，每种超低污染物在去往生物反应器的水流中的浓度为至少约40、比如至少约50纳克/升(ng/L)并且小于约50、通常小于约20微克/升(mcg/L)。超低污染物优选地包含藻类代谢物，例如MIB和土臭味素。该污染物还可以包括卤化有机化合物，例如消毒副产物，例如三卤甲烷(THM)和卤乙酸(HAA)，每种均可以以1至1000微克/升的量存在。处理之后，超低污染物在处理水中的浓度通常低于约40、优选低于约20并且有时低于约10纳克/升。通常，处理水中的卤化有机化合物的浓度小于约70、优选小于50微克/升。
本发明的方法适于与能够低浓度生物转化的任何微生物使用。优选微生物来自红球菌属。红球菌属为拥有降解大量有机化合物的能力的细菌的极多样群组。它们有获取显著范围的多样化分解代谢基因的容量并且具有稳固细胞生理学。红球菌属似乎已采用与大基因组有关的超重组策略。要注意的是，红球菌属包含大型线性质粒，所述大型线性质粒通过充当大量分解代谢基因的‘大容量存储器(mass storage)’来促成其分解代谢多样性。
在许多情况下，代谢条件不需要添加电子供体来维持多孔基体的代谢活性，因为水中的超低污染物和其他污染物足以提供所需电子供体。在希望添加电子供体的情况下，优选所述电子供体的浓度将被生物催化剂基本完全代谢，即，提供的电子供体量不足以维持生物反应器中微生物的种群。
在某些情况下，生物反应器中被处理水的平均水力停留时间小于约5小时、优选小于约2小时，并且可以在约10至50分钟范围内。通常地，生物催化剂可保留代谢活性至少约50天、比如至少约250天。可能的是，所述微生物可维持数年或更久。优选生物催化剂可在长期停机(比如约100至500天)之后维持所需代谢活性(例如重启约3至5天内)。
代谢方法可以以任何合适方式进行并且可以处于典型嗜常温菌条件下，使用典型生物反应器系统。该方法可以连续、半连续或分批模式操作，但优选连续操作。充氧作用(oxygenation)优选为每升至少约1、更优选至少约2并且有时约2至10毫克或更多的游离氧。如果需要的话，电子供体可加入该待处理水。电子供体包括但不限于氢、碳水化合物、烃、链烷醇、醛、羧酸、酮、醛、甘油等等。参见(例如)美国公布专利申请No.2006/0263869第0055段。如果需要电子供体，它们可以按任何合适方式添加。通常，添加量足以提供所寻求的生物降解作用。
降解产物可以按任何合适方式(包括使用典型分离技术)从水中移除。
实施例223
用基本上如实施例72中所述的生物催化剂将4升容量连续搅拌槽生物反应器填充至其体积的约30％。水进料流在室温(22℃)下足以提供约30分钟的近似水力停留时间的速率连续通往生物反应器。水来自尚未处理的新鲜水贮存器。MIB和土臭味素各按约400纳克/升的量提供(需要时添加MIB和土臭味素至接近目标浓度水平)。新鲜水不含有藻类代谢物，因为他们可通过嗅味检测到。水具有约7的pH并且每升具有至少4ppm质量的溶解氧。MIB的浓度降低至小于5纳克/升并且土臭味素降低至小于约20纳克/升。来自反应器的处理水不具有可检测的嗅味。
反应器停止约6月(反应器中无水流动)并且维持在室温下。通过在1天内在基本上相同条件下使类似水流通过生物反应器而重启后，从反应器排放的水不具有可检测的嗅味。
viii.从水中移除1,4-二噁烷
动物研究已表明，1,4-二噁烷的吸入和摄取可引起鼻腔癌和肝癌的形成以及神经毒性效应。1,4-二噁烷已进入水资源，主要来自作为溶剂稳定剂用于在各种清洗和脱脂应用中使用的溶剂，尤其是氯化溶剂，例如三氯乙烷(TCA)和三氯乙烯(TCE))。由于乙氧基化化合物的污染，例如月桂基聚氧乙烯醚硫酸钠(sodium laureth sulfate)，在消费品中，例如洗发剂、皂、蜡和洗剂，也检测到1,4-二噁烷。诸如加里福利亚州、马萨诸塞州、佛罗里达和北卡罗来纳州的多个州已对1,4-二噁烷设定低十亿分率(ppb)水平的饮用水标准。
1,4-二噁烷的生物降解难以解决。氯化溶剂的存在对经识别用于降解1,4-二噁烷的微生物具有抑制作用；许多微生物需要诱导化合物如丙烷或四氢呋喃(THF)来降解1,4-二噁烷，但诱导化合物其自身就是污染物；并且不需要诱导化合物的微生物往往较较不稳固并且生长缓慢。
本发明的生物催化剂特别有吸引力的是在降低1,4-二噁烷在水流中浓度的方法中使用。在某些情况下，即便水含有1,4-二噁烷和卤化化合物，也不不需要使用诱导化合物。这些方法包括：
a.使所述水流连续传到生物反应器，所述生物反应器维持在代谢条件下，所述条件包括需氧条件和存在本发明的生物催化剂，所述生物催化剂含有适于代谢性降解1,4-二噁烷的微生物；
b.使所述水流与所述生物催化剂接触足够时间，以降低所述1,4-二噁烷在所述水流中的浓度；和
c.从所述生物反应器中收回具有1,4-二噁烷的降低的浓度的处理水流。
生物催化剂中使用的优选微生物来自红球菌属、嗜二氧杂环乙烷假诺卡氏菌(Pseudonocardia dioxanivorans)和解苯假诺卡氏菌(Pseudonocardia benzenivorans)。优选方法包括其中1,4-二噁烷在水流中存在量小于约100微克/升并且处理水流的1,4-二噁烷浓度小于约10微克/升的那些。在某些情况下，1,4-二噁烷在水流中存在量大于约10微克/升并且处理水流的1,4-二噁烷浓度小于约5微克/升。
在许多情况下，由于微环境和表型改变，不需额外碳源来维持生物催化剂中微生物的种群。然而，在待处理水中1,4-二噁烷的低浓度下，微量碳源的添加可以有利于支撑种群的高能稳健性。然而，生物催化剂的代谢活性可足以确保处理水中基本上不含生物可降解碳。
代谢方法可以以任何合适方式进行，包括典型嗜常温菌条件并且使用典型生物反应器系统。该方法可以连续、半连续或分批模式操作，但优选连续操作。充氧作用优选为每升至少约1、更优选至少约2并且有时约2至10毫克游离氧或更多。如果需要的话，电子供体可加入该待处理水。电子供体包括但不限于氢、碳水化合物、烃、链烷醇、醛、羧酸、酮、醛、甘油酯等等。丙酮或葡萄糖为方便的电子供体。参见(例如)美国公布专利申请No.2006/0263869第0055段。如果需要电子供体，它们可以按任何合适方式添加。
降解产物可以按任何合适方式(包括使用典型分离技术)从水中移除。
实施例224
将具有配备有扩散体以对生物反应器提供均匀充气的穿孔板的4升气升式下流生物反应器填充3000克实施例48的生物催化剂。空气泵向穿孔板下方的生物反应器提供足够量的空气，以维持生物催化剂悬浮。使用变速泵将待处理水连续加入穿孔板上方的液相。
待处理水为其中加入组分的去离子水。必要时，添加丙酮、氯化铵和磷酸氢二钾以维持水中100:3:1的碳:氮:磷的原子比。原子碳按加入水的组分中总碳计。生物反应器中的溶解氧在约5和7毫克/升之间(通过Oakton DO6 Acorn系列计和探针确定)。在室温下(约21至25℃)并以5小时的平均水力停留时间操作生物反应器，并且在生物反应器中维持约7至8之间的pH。
水首先掺杂约71,000微克/升的1,4-二噁烷。该轮运行完成之后，水掺杂100微克/升的1,4-二噁烷和50微克/升的丙酮。1,4-二噁烷在流出物中的浓度通过气体色谱法测定并且在两种情况下均低于约2微克/升的气体色谱仪的不可检测的极限。
另外，将来自生物反应器的未过滤流出物接种到琼脂板(LBB+葡萄糖)上。5-天培育之后，对菌落(如果有的话)计数。基本上未观察到菌落，这表示微生物基本上不可逆地保留于生物催化剂中。
结果表明，在发生1,4-二噁烷有效移除之前，生物催化剂需要的诱导时间极少，并且在较高和较低初始浓度两种情况下，1,4-二噁烷浓度可降低至不可检测水平。
ix.琥珀酸
本发明的生物催化剂可用于将糖转化成琥珀酸。在广泛方面中，使用含有产琥珀酸微生物的生物催化剂来生物转化糖和任选的二氧化碳的方法包括：
a.使水性介质与所述生物催化剂在包括温度和存在用于所述微生物的糖和其他营养物质的代谢条件下接触足够时间，以产生琥珀酸盐阴离子并且提供含有琥珀酸盐阴离子的水性介质；
b.移除所述含有琥珀酸盐阴离子的水性介质和所述生物催化剂的至少一部分；
c.再使用步骤(a)中的所述生物催化剂，从所述生物催化剂中移除所述含有琥珀酸盐阴离子的水性介质的至少一部分；和
d.从所述含有琥珀酸盐阴离子的水性介质中回收琥珀酸盐阴离子。
目前公开的产琥珀酸阴离子的微生物的实例包括但不限于天然或基因改良的微生物，例如曼海姆产琥珀酸菌(Mannheimia succiniciproducens)、产琥珀酸厌氧螺菌(Anaerobiospirillum succiniciproducens)、产琥珀酸放线杆菌(Actinobacillussuccinogenes)、真养产碱杆菌(Alcaligenes eutrophus)、黑曲霉菌(Aspergillusniger)、芽孢杆菌(Bacillus)、脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)、居瘤胃拟杆菌(Bacteroides ruminicola)、嗜淀粉拟杆菌(Bacteroides amylophilus)、产氨短杆菌(Brevibacterium ammoniagenes)、乳糖发酵短杆菌(Brevibacterium lactofermentum)、Candida brumtii、链状假丝酵母(Candida catenulate)、假丝酵母(Candida mycoderma)、诞沫假丝酵母(Candida zeylanoides)、帕鲁迪格拿假丝酵母(Candida paludigena)、萨纳瑞西斯假丝酵母(Candida sonorensis)、产朊假丝酵母(Candida utilis)、诞沫假丝酵母(Candida zeylanoides)、弗氏梓樣酸细菌(Citrobactor freundii)、谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)、汉逊德巴利酵母(Debaryomeces hansenii)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、大肠杆菌(Escherichia coli)(大肠杆菌菌株SB550MG pHL413，KJ122和TG400)、产琥珀酸拟杆菌(Fibrobacter succinogenes)、尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)、浅井氏葡萄杆菌(Glyconobacter asaii)、柔毛腐质霉菌(Humical lanuginosa)、柠檬形克勒克氏酵母(Kloeckera apiculata)、乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactic)、威克海姆克鲁维酵母(Kluyveromyces wickerhamii)、宛氏拟青霉(Paecilomcyes varioti)、简青霉(Penicillum simplicissimum)、异常毕赤酵母(Pichia anomala)、贝氏毕赤酵母(Pichiabesseyi)、中型毕赤酵母(Pichia media)、季也蒙毕赤酵母(Pichia guiliermondii)、尹氏毕赤酵母(Pichia inositovora)、树干毕赤酵母(Pichia stipidis)、根瘤菌(Rhizobium)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、贝酵母(Saccharomyces bayanus)、裂殖酵母(Schizosaccharommyces)、粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)、球拟酵母(Torulopsos candida)、小韦荣球菌(Veillonella parvula)、产琥珀酸沃林氏菌(Wollinella succinogenes)和解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)。
代谢方法可以按任何合适方式进行。底物包含碳水化合物，包括C5和C6糖，并且可以包括二氧化碳。由于使用生物催化剂，生物转化较不优选的糖可以被微生物有效使用。水性介质中所用的糖的浓度可以在广泛范围内。一般来讲，糖在水性介质中存在的浓度为至少约0.5，比如约1和200克/升之间。优选地，水性介质中提供的糖的量使得在代谢方法期间至少约90、更优选至少约95质量％被消耗。
二氧化碳可以得自任何合适来源；然而，在接触含有生物催化剂的水性介质之前，应该移除该危害微生物的组分。一般来讲，二氧化碳以气态形式供应，但可使用碳酸盐和碳酸氢盐。当作为气体供应时，气体中的二氧化碳浓度通常在约40至100、比如70至100体积％的范围内。二氧化碳的来源包括但不限于工业和发酵工艺的废气，燃料和废料燃烧的排放气，含有二氧化碳的天然气流，生物质的气化(例如用于生产合成气)的料流等等。
水性介质含有可以从任何合适来源提供的水，所述合适来源包括但不限于水、去除矿物质水、蒸馏水和工艺水流或废水流。可使用任何合适的代谢条件，包括典型嗜温细菌条件。当使用气态底物时，较高压力往往会增加溶解于培养物液体中的底物的量并且因此增强质量传递。通常，pH在约3和8.5之间，比如3.5至7。用于糖和二氧化碳生物转化成琥珀酸盐阴离子的代谢条件通常厌氧，并且优选地，水性介质具有小于约0.5毫克/升的溶解分子氧浓度。当生物催化剂被循环至不同水性介质时，并且水性介质之一预期提供代谢活性以增强微生物的存活力时，溶解分子氧浓度可以超过约2、比如约2至10毫克/升。
水性介质和生物催化剂之间接触的持续时间也可在广泛范围内，并且将部分取决于底物的浓度，水性介质中所寻求的琥珀酸盐阴离子的浓度，生物反应器的类型，所用其他代谢条件，所用微生物的性质，以及生物催化剂中的微生物的类型和细胞密度。对于分批操作，接触时间通常在约5分钟至100小时范围内，比如约1至50小时，并且在连续操作中，液体每小时空间速度通常在约0.01至50hr-1范围内。
生物转化可以为连续、半连续或成批的操作模式。可以使用任何合适的生物反应器设计，包括典型生物反应器系统。
在优选方面，生物催化剂经受两种或更多种水性环境以增强糖的生物转化，减少含琥珀酸发酵产物中非消耗糖的存在，并且增强二氧化碳作为共底物的使用。
在优选方法的一个实施方案中，水性介质与生物催化剂的接触在具有不同代谢条件的至少两个反应区中进行。在该实施方案的一个方面中，来自含有生物催化剂的第一反应区的水性介质被通往后续反应区以便进一步接触生物催化剂。在通往后续反应区紧前或在其在后续反应区中的停留时间内，基本上不向水性介质添加另外的糖。因此，基于水性介质中的琥珀酸盐阴离子质量，在后续反应区中水性介质中的糖浓度被进一步消耗，优选消耗至小于约1，比如小于约0.5质量％。优选地，第一反应区和后续反应区被循环。在某些情况下，可能希望向后续反应区中的水性介质供应二氧化碳底物以将微生物中的额外磷酸烯醇丙酮酸盐(phosphoenolpyruvate)转化成琥珀酸盐阴离子。
在该优选实施方案的另一方面，含有生物催化剂的反应区在使用水性糖底物和水性或气态二氧化碳底物之间循环。例如，糖提供于第一水性介质中，所述第一水性介质接触第一反应区中的多孔基体，所述第一水性介质可以处于足以在微生物中生成磷酸烯醇丙酮酸盐的条件下，所述微生物所处条件不太有利于磷酸烯醇丙酮酸盐转化成琥珀酸盐阴离子，所述条件可以包含微氧或需氧条件。该第一水性介质被收回。第二水性介质或气体在包括存在二氧化碳的厌氧条件下被引入第一反应区，所述厌氧条件足以将磷酸烯醇丙酮酸盐生物转化成琥珀酸盐阴离子。因为生物催化剂提供保留用于微生物的营养物质的环境，所以可维持第二区中的微生物的代谢活性。优选地，第二区使用基本上为水的水性介质，使得通往第二水性介质中的琥珀酸盐阴离子产物可更容易回收。最优选地，琥珀酸盐阴离子在第二水性介质中的浓度为每升水性介质至少约150，比如至少约200至多达300或400克。含有琥珀酸盐阴离子的第二水性介质从第一反应区中被移除用于琥珀酸盐阴离子回收。在某些情况下，可通过降低水性介质的温度以足以结晶琥珀酸，获得高纯度的琥珀酸。在第二水性介质移除之后，第一反应区可与第一水性介质接触。在某些情况下，可使用第三阶段或甚至进一步的阶段。例如，在第二水性介质移除之后，第一反应区可接触来自其或另一个反应区的第一水性介质，并且维持在减少水性介质中代谢物并且生成更多磷酸烯醇丙酮酸盐的条件下。如果需要，可使用多个反应区以便提供半连续方法。
琥珀酸产物可以按任何合适方式从水性介质中回收。回收琥珀酸的各种方法包括沉淀，和膜分离，吸着和离子交换，电渗析，和液-液萃取。从发酵液中回收琥珀酸的吸着剂的论述参见(例如)Davidson等人，Succinic Acid Adsorption from Fermentation Brothand Regeneration，Applied Biochemistry and Biotechnology，Spring 2004，第653至669页。还可参见Li等人，Separation of Succinic Acid from Fermentation BrothUsing Weak Alkaline Anion Exchange Adsorbents，Ind.Eng.Chem.Res.，2009，48，第3595至3599页。参见例如美国专利申请公布No.2011/0297527中公开的回收琥珀酸的多重结晶方法。Hepburn在其女王大学的硕士论文The Synthesis of Succinic Acid and itsExtraction from Fermentation Broth Using a Two-Phase Partitioning Bioreactor(2011年4月)中公开一种方法，其中以抑制性水平产生这种三聚氰酸(cynic acid)，并且随后建议用溶解二氧化碳气体使系统的pH低于琥珀酸的pKA2，从而生成未解离产物。从溶液中吸收具有琥珀酸亲和力的聚合物，并且随后使pH回到可操作水平。
通过参考图10和11来方便对此方法的一般性理解。参照图10，设备1000适用于早连续基础上生物生产琥珀酸。设备1000示出为具有一级生物反应器1002和精制生物反应器1004。这两个生物反应器均为含有例如基本上如实施例175中所述的生物催化剂的流化床反应器。含有糖和其他营养物质的水性流通过管线1006供应至生物反应器1002。含二氧化碳气体经由管线1008被供应至设备1000。含二氧化碳气体的一部分通过管线1010通往管线1006进入生物反应器1002。生物反应器1002维持在足够使糖和二氧化碳转化成琥珀酸盐阴离子的代谢条件下。废气从生物反应器1002中通过管线1012移除。生物反应器1002中水性介质的连续料流通过管线1014收回并且通往生物反应器1004。生物反应器1002提供有筛网或其他装置来基本阻止生物催化剂通入管线1014中。从管线1008和管线1016向生物反应器1004提供含二氧化碳气体。
在设备1000的典型操作中，从生物反应器1002中经由管线1014收回的水性介质含有可通过微生物进一步生物转化的未反应糖和代谢物。操作生物反应器1004以进一步降低未反应糖和这些代谢物的浓度，并且因此在这种操作中无另外的糖底物提供至生物反应器1004。应当容易了解，如果需要，另外的糖底物可以加入生物反应器1004中的水性介质。
在足以将底物转化成琥珀酸盐阴离子的代谢条件下操作生物反应器1004。从生物反应器1004通过管线1018收回未反应气体。来自生物反应器1004的水性介质的连续料流经由管线1020收回。生物反应器1004提供有筛网或其他装置来基本阻止生物催化剂通入管线1020中。收回的水性介质通过管线1020被引导至过滤组件1022。由于水性介质基本上不含固体，实用的是过滤组件1022为超过滤组件。水性介质随后从过滤组件1022经由管线1024通往蒸馏柱组件1026。在生物反应器1002和1004基本上无缓冲地操作的情形下，蒸馏柱组件1026用于浓缩水性介质以有利于琥珀酸的结晶。在使用氢氧化铵缓冲液的情况下，蒸馏柱组件1026也用于将琥珀酸盐阴离子铵盐转化成琥珀酸，释放氨气。蒸馏柱组件1026可以包含一该或多个单元操作，包括沉淀的中和与过滤，中间体结晶和再溶剂化，例如美国专利申请公布No.2011/0297527中所公开等等。
如所示，蒸馏柱组件1026的塔顶馏出物(overhead)经由管线1028离开。可经由管线1030取得吹扫物(purge)，并且剩下的塔顶馏出物分别经由管线1034和1032再循环至生物反应器1002和1004中之一或两者。在使用氢氧化铵缓冲液时，再循环减少需要外部提供的氢氧化铵的量。也可以在较生物反应器1002中所用pH更低的pH下操作生物反应器1004。因此，在缓冲的系统中，琥珀酸盐阴离子的主要部分将为单盐。
来自蒸馏柱1026的塔底料流(bottoms stream)经由管线1036通往结晶单元1038。通常，琥珀酸在塔底料流中的浓度大于约30％。通往结晶单元的底部料流通常冷却到低于约15℃、比如在约0°至10℃之间的温度。结晶琥珀酸从结晶单元1038经由管线1040移除。上清液经由管线1042移除。
图11示出设备1100具有三个生物反应器1102、1104和1106，所示三个生物反应器按顺序的、环状程序操作以将糖和二氧化碳生物转化成琥珀酸。各反应器含有多孔基体，所述基体具有不可逆地保留于其中的产琥珀酸微生物。生物反应器具有内部液体再循环系统，其作为流化床反应器操作。
设备1100提供有四个集管：集管1108，其提供含有糖和其他营养物质的新鲜水性介质；集管1110，其提供含二氧化碳气体；集管1112，其提供含氧气体和集管1114，其在生物反应器之间提供流体运送。管线组件1116、1118和1120将四个集管1108、1110、1112和1114中每一个分别与生物反应器1102、1104和1106连接。生物反应器1102、1104和1106中每一个分别提供有管线1122、1124和1126，以允许气体的流出，并且分别提供有管线1128、1134和1138以从所述生物反应器排除水性介质。从生物反应器排除的水性介质被引导至集管1132或集管1114。对于生物反应器1102，管线1128与管线1130流动连通，其适于将水性介质引导至这些集管之一。对于生物反应器1104，管线1134与管线1136流动连通，其适于将水性介质引导至这些集管之一。对于生物反应器1106，管线1138与管线1140流动连通，其适于将水性介质引导至这些集管之一。
生物反应器1102、1104和1106之一排列在微需氧阶段、厌氧糖转化阶段和二氧化碳转化阶段之间。在微需氧阶段，将新鲜水性介质供应至已完成二氧化碳转化阶段并且已为了琥珀酸回收而排除水性介质的生物反应器。就这一点而言，从集管1112提供少量含氧气体，例如空气。
在微需氧阶段结束时，终止从集管1112的含氧气体的供应，并且生物反应器进入厌氧糖转化阶段。可以在有或没有从集管1110添加二氧化碳的情况下，进行厌氧糖转化阶段。在适用于生产琥珀酸盐阴离子的代谢条件下，进行厌氧糖转化阶段。在一些实施方案中，在微需氧阶段和厌氧糖转化阶段期间的代谢条件增强了磷酸烯醇丙酮酸盐的形成，并且相对少的琥珀酸盐阴离子从多孔基体通入周围水性介质中。
反应器随后从厌氧糖转化阶段转到二氧化碳转化阶段。在二氧化碳转化阶段，从集管1112供应二氧化碳，供应量足以增强通过磷酸烯醇丙酮酸盐的转化从二氧化碳底物衍生出的一部分琥珀酸盐阴离子。生物反应器维持在有利于二氧化碳底物的生物转化的代谢条件下。在二氧化碳转化阶段结束时，水性介质从生物反应器排除，并且通往用于琥珀酸回收的集管1132。反应器随后循环回到微需氧阶段。
如图10中所示设备一样，设备1100使从已经历二氧化碳转化阶段的生物反应器收回的水性介质通往过滤组件1142并随后经由管线1144通往蒸馏组件1146。蒸馏组件1146的塔顶馏出物经由管线1148离开用于再循环至集管1108。经由管线1150进行净化。蒸馏组件1146的塔底料流经由管线1152通往结晶组件1154。琥珀酸经由管线1156收回，并且上清液经由管线1158移除。
设备1100也可使用不同的阶段顺序来操作。一种此类顺序在二氧化碳转化阶段中使用基本不存在糖和其他营养物质的水。为描述该顺序，参考供应这种水流的集管1108a。
在微需氧阶段，水性介质通过已完成厌氧糖转化阶段的另一个生物反应器来供应。如上所述，在微需氧阶段结束时，生物反应器进入厌氧糖转化阶段，但处于使琥珀酸盐阴离子在水性介质中的聚集最小化的条件下。经由集管1108将糖和其他营养物质提供到生物反应器。糖和其他营养物质优选溶解于水性介质或在其中呈浆液，其浓度足以维持水性介质在生物反应器中的所寻求量以及用于微生物的代谢活性的糖和其他营养物质的足够浓度。
在厌氧糖转化阶段完成时，水性介质被收回并且通往进入微氧阶段的生物反应器。水性介质由基本不存在糖和其他营养物质的水替换。在二氧化碳转化阶段中，提供足够二氧化碳，以在代谢条件下提供琥珀酸盐阴离子。琥珀酸阴离子通入与厌氧、糖转化阶段中的水性介质相比糖、其他营养物质以及其他代谢物的浓度将有所降低的水相中。因此，方便获得高纯度琥珀酸的能力。此外，通过从完成厌氧糖转化阶段至微需氧阶段的生物反应器再循环水性介质，某些代谢物如乙酸盐阴离子可以被微生物以代谢目的消耗，从而增强糖至琥珀酸盐阴离子的转化。
在该顺序中，从集管1114经由管线1114a取得吹扫料流，以阻止不希望的组分在水性介质中的过度积聚，并且来自蒸馏组件1146的塔顶馏出物可用于为通过集管1108a经由管线1148a供应的水补充至少一部分水。
x.葡萄藻(Botyrococci)
已提出将葡萄藻(包括但不限于布朗葡萄藻(Botryococcus braunii))用于二氧化碳至各种烃和含氧有机化合物生物产物(通常8或10至50个碳原子且有时约20至40个碳原子(“油”))的光合转化。经报道，葡萄藻菌种具有构成烃的多达75％的干燥质量微藻，而其他微藻可能仅含有至多约10质量％的烃。葡萄藻菌种通常具有生物产物的高生产率。生物产物可以由细胞表达，并且取决于菌种的菌株或亚种，可包括奇数烃、正-二烯烃、三烯烃、三萜烯烃和四萜烯烃。烃可在各种官能团中含有氧。
虽然葡萄藻菌种是作为生化物和生物燃料的来源的显著潜在物，与提供和维持葡萄藻菌种的足够种群有关的实际困难妨碍其以商用规模采用。这些困难包括：
·极低生长速率；
·油分泌主要是在非生长期，因此提议一旦获得用于油回收的足够种群则收获藻类；
·强光敏感性，导致可以持久或永久的叶绿素变性；
·厚细胞壁，其耐化学降解并且妨碍油提取；
·对流体动力剪切的敏感性；和
·为了供应不含可以消耗油、争夺营养物质并产生杀藻剂的污染性微生物的油而使用足够竞争性大小的生物反应器是无可行性的。
含有葡萄藻菌种的本发明的生物催化剂利用葡萄藻菌种的代谢活性来提供增强的工艺可行性。在广泛方面，用于使用含有包含葡萄藻菌种的微藻的本发明的生物催化剂将二氧化碳生物转化至生物产物的方法包括：
a.将生物催化剂维持在水性介质中，所述水性介质处于包括温度和存在用于所述微藻的营养物质的代谢条件下；
b.使所述水性介质与用于所述生物转化的二氧化碳接触，其中所述微藻分泌生物产物；
c.在足以使所述微藻将二氧化碳光合成生物产物的频率和强度下用光辐照所述水性介质；和
d.从所述水性介质中移除生物产物。
生物转化可以为光合性或异养性，其中微藻有能力在这种或这两种环境下操作。优选地，生物催化剂的最小尺寸小于约15、优选小于约2毫米，比如在约100微米和2毫米之间。
本发明的方法使用包含葡萄藻的菌种的微藻。优选地，微藻基本由葡萄藻的菌种组成，即，存在用于将二氧碳化光合转化至生物产物的单培养环境，或具有可增强葡萄藻菌种的性能的细菌的多培养环境，例如Wang等人公开于Effect of nutrient conditions onthe growth of Botryococcus braunii，Chinese Journal of Process Engineering，3:141–145(1996)，据此全文引入以供参考。葡萄藻的菌种可为野生型(天然存在)或重组微藻。葡萄藻的菌种的实例包括但不限于布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)。布朗葡萄藻的许多菌株是已知的，例如horridus、minor、perarmatus、validus、Showa和Ninsei。葡萄藻的其他菌种包括B.australis，B.calcareous、B.canadensis、B.comperei、B.fernanoi、B.giganteus、B.miromorus、B.neglectus和B.pila。菌株可进一步分类为多种亚种，例如布朗葡萄藻亚种A，布朗葡萄藻亚种B和布朗葡萄藻亚种L。由于生物产物生产和速率的原因，通常优选布朗葡萄藻的菌株，尤其A亚种和B亚种(race)的那些，并且在期望不含氧原子的生物产物时布朗葡萄藻的菌株种族B是最优选的。
葡萄藻的一个有利菌种包含含有用于代谢碳水化合物源(例如糖，用于异养生长)的酶的基因改良葡萄藻。该基因改良有利于获得将掺入生物催化剂中的葡萄藻的大型种群。在微藻含有合适酶和运载物的情况下，可通过使用替代性碳源如碳水化合物有助于种群增加。布朗葡萄藻通常具有用于葡萄糖的运载物。
本发明的生物催化剂在光合过程中使用，以将二氧化碳生物转化成生物产物。生物产物的组成可取决于使用的葡萄藻菌株而变化，并且可为支链或环状烃，包括但不限于10至50个碳的萜类化合物，并且可以被含氧部分如羟基、烷氧基、酰基和羧基取代。生物产物可包括生物柴油和其他甘油酯。生物产物由微藻表达，并且从多孔基体进入含有多孔基体的水性介质。溶剂可助于生物产物的收集。优选溶剂为这样的溶剂，其与水不可混溶，使烃或其他生物产物溶解，具有低沸点，具有与水显著不同的密度，易得并且廉价，可重复使用并且可再循环，并且对生物体非剧毒。庚烷为这种溶剂的实例。
代谢方法可以按任何合适方式进行。底物包含二氧化碳并且可以包括碳水化合物，包括C5和C6糖。二氧化碳可以得自任何合适来源；然而，在接触含有生物催化剂之前，应该移除严重危害微藻的组分。一般来讲，二氧化碳以气态形式供应，虽然可使用碳酸盐和碳酸氢盐，但较不优选。当作为气体供应时，气体中的二氧化碳浓度通常在约40至100、比如70至100体积％的范围内。二氧化碳的来源包括但不限于工业和发酵工艺的废气，燃料和废料燃烧的排放气，含有二氧化碳的天然气流，生物质的气化(例如用于生产合成气)的料流等等。
使用强度足以提供光生物催化活性的光辐射的合适代谢条件包括可使用培养液体，包括典型嗜常温菌条件。光强度可变化，但优选相对较强，例如对于400至800纳米的波长范围内的光，至少约20、比如约20和200或更多微爱因斯坦/平方米/秒。压力并不关键并且可以是环境压力、减压或高压。当使用气态底物时，较高压力往往会增加溶解于培养物液体中的底物的量并且因此增强质量传递。通常，pH在约6.5至8.5之间，比如6.5至8.0。代谢条件可以包括存在分子氧，并且如果存在，则其量基于供应给水性介质的二氧化碳的体积，为约5至50体积％。
通常，生物转化活性可维持至少约30天，并且通常至少约300或更多天。
化学产物可以从培养液体中按任何合适方式回收。生物产物的连续或频繁不连续移除是优选的。
xi.丁醇
本发明的生物催化剂对于底物至丁醇(其可以为异丁醇或正丁醇)的转化是有吸引力。丁醇的两种异构体在相对低浓度下对产生丁醇的微生物具有毒性，所述浓度通常为每升水性介质小于约3质量％。使用本发明的生物催化剂的所述方法允许产生较高滴定度的丁醇，从而降低水/丁醇分离的成本。参见(例如)Tracy，“Improving ButanolFermentation to Enter the Advanced Biofuel Market，mbio.asm.org，vol.3，6，November/December 2012，和Kaminski等人，Biobutanol–Production and PurificationMethods，Ecological Chemistry and Engineering S，18:1，pp.31–37(2011)。
在广泛方面，用于将底物生物转化至丁醇的方法包括：
a.使水性介质与本发明的生物催化剂接触，所述生物催化剂含有能够将所述底物生物转化成丁醇的微生物，其中所述水性介质维持在包括存在用于所述微生物的营养物质的代谢条件下，并且含有所述底物；
b.将所述水性介质和生物催化剂之间的所述接触维持足够时间，以将所述底物的至少一部分生物转化成丁醇；和
c.从所述水性介质回收丁醇。
取决于该方法所用微生物，该丁醇可以为异丁醇或正丁醇。待用的微生物也将定义底物。可应用来产生丁醇的底物包括二氧化碳、糖、甘油和合成气。能够产生丁醇的微生物为产丁酸物(butyrogens)并且包括但不限于野生型或重组梭菌，例如丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)、拜氏梭菌(C.beijerinckii)、巴氏芽孢梭菌(C.pasteurianum)、糖丁酸梭菌(C.saccharobutylicum)、糖乙酸多丁醇梭菌(C.saccharoperbutylacetonicum)；酒酒球菌(Oeneococcus oeni)；和真氧产碱杆菌(Ralstonia eutropha)，以及重组微生物例如已加入制备丁醇的通路的大肠杆菌。对于制备丁醇的其他微生物的更广泛论述，参见(例如)美国公布专利申请No.20100143993。基因性增强的光合自养蓝细菌、藻类和其他光合自养生物体已适于将微生物内部的碳水化合物直接生物转化成丁醇。例如，具有包含编码丙酮酸盐脱羧酶(pdc)和醇脱氢酶(adh)的DNA片段的构建体的基因改良的蓝细菌在美国专利No.6,699,696中有所描述。
生物转化条件通常在典型嗜常温菌生物转化条件之内，并且可使用典型生物反应器系统。连续方法尤其优选，因为本发明的生物催化剂可提供高细胞密度，因此与增强的生物转化速率一起，提供底物的高转化效率，并且底物在生物反应器中具有相对短的平均停留时间，例如通常小于约3或4小时，并且有时小于约30分钟。
该方法的一个方面进一步在图12中示出，该图为用于生产正丁醇的生物反应器组件1200的示意图。含糖给料经管线1202提供至第一生物反应器1204，其为上流式生物反应器，含有水性发酵培养基和用于糖至正丁醇的生物转化的生物催化剂。生物催化剂含有。在生物反应器1204中，供应糖，使得仅一部分被生物转化成丁醇，并且因此提供含有约6至8体积％的丁醇的水性介质。来自第一生物反应器1204的水性介质经由管线1206通往第二生物反应器1208，其中剩下糖被生物转化。第二生物反应器1208为流化床生物反应器。第二生物反应器1208含有水性介质，该水性介质生物催化剂含有丙酮丁醇梭菌。在第二生物反应器中，剩下的糖中的一些被生物转化，以提供含有约10体积％丁醇的水性介质。由于丁醇在第二反应器1208中的较高浓度，生物转化丁醇的速率是第一生物反应器1204中速率的小于约50％。水性介质从第二生物反应器1208中收回并且通往倾析器1214，以提供含有正丁醇的上层相，其经由管线1216以产物回收。管线1216中丁醇的高浓度有助于回收丁醇且显著节省了能源成本。
丁醇饱和水相经由管线1218从倾析器1214回到第二生物反应器1208，并且含有约7至8体积％丁醇和未反应的糖、乙醇和丙酮。吹扫物经由管线1220移除以维持稳态条件。该料流可用于产物回收以获得乙醇、丙酮和丁醇。可操作第二生物反应器1208，使得在水性介质的再循环速率下，仅一部分糖被生物转化，而且被转化成丁醇，进入丁醇相以便回收。如果需要，可经由管线1222提供另外的水和营养物质至第一生物反应器1204。
虽然结合制备正丁醇有所描述，但生物反应器组件可用于底物的生物转化，其中生物催化剂的生物转化活性降低，并且水性介质中的生物产物浓度至增加，并且其中生物产物可形成单独的液相。在其广泛方面，用于将底物生物转化成生物产物的这些连续方法使用具有这种生物转化能力的微生物，其中生物产物对微生物具有毒性，所述方法包括：
a.向含有水性介质的至少一个第一生物反应器连续供应底物和水性介质，其中具有本发明的生物催化剂的所述至少一个第一生物反应器包含所述微生物；
b.将所述至少一个第一生物反应器维持在代谢条件下，并且以足以维持稳态条件的速率从所述至少一种第一生物反应器连续收回第一反应器流出物，并且提供足以生物转化所述底物的一部分的水力停留时间，所述第一生物反应器流出物含有未消耗底物和生物产物，其中对所述至少一个第一生物反应器中的所述生物产物的所述生物转化活性处于第一速率下；
c.向含有水性介质的至少一个后续生物反应器连续供应所述收回的第一生物反应器流出物，所述至少一个后续生物反应器其中具有包含所述微生物的本发明的生物催化剂；
d.将所述至少一个后续生物反应器维持在代谢条件下，并且以足以维持稳态条件的速率从所述至少一个后续生物反应器中连续收回后续生物反应器流出物，和提供足以生物转化所述底物的至少一部分的水力停留时间，所述后续生物反应器流出物含有生物产物，其中对所述至少一个后续生物反应器中的所述生物产物的所述生物转化活性处于低于所述第一速率的第二速率下；
e.从所述收回的后续生物反应器流出物中连续分离富生物产物流用于产物回收并且提供残余水性流；和
f.将所述残余水性流的至少一部分连续再循环到至少一个后续生物反应器。
在许多情况下，后续生物反应器流出物含有底物。在该方法的优选方面，至少一个后续生物反应器包含流化床生物反应器。步骤(e)的分离可以通过任何合适的分离技术，包括但不限于典型分离技术。在优选方面，其中所述生物产物能够在所述水性介质中和至少在所述至少一个后续生物反应器中形成单独的液相，所述生物产物的所述浓度形成单独的液相并且所述后续生物反应器流出物经受相分离以提供含生物产物相和所述残余水相。在一些优选方面，尤其在生物产物形成单独液相的情况下，后续生物反应器流出和残余水性流的再循环所处的速率足以维持生物转化活性的所需第二速率并且形成第二液相。通常，在所述至少一个后续生物反应器中，底物的仅一部分被生物转化，并且在至少一个后续生物反应器中的水性介质内维持底物的足够浓度，以增强底物至生物产物的转化速率。
实施例225至231
使用以下一般程序进行一系列七个分批式发酵实验。在各实验中，使用基本上如实施例93中所述的生物催化剂，其具有约4毫米的标称直径并且维持在氮的厌氧环境下。根据培养基2107(改性强化梭菌琼脂/发酵液培养基)如下制备分批式培养基：
合并38克强化梭菌培养基BD 218081(ATCC，Manassas，Virginia)；14.5g琼脂和1000毫升去离子水并且沸腾以溶解琼脂，
单独地制备10克蛋白胨、10克牛肉膏、3克酵母提取物、5克右旋糖、5克氯化钠、1克可溶淀粉、0.5克L-半胱氨酸盐酸盐、3克乙酸钠和4毫升刃天青(0.025％)在1000毫升去离子水中的溶液，和
合并所述溶液。
葡萄糖以60或120克/升加入合并溶液，并且溶液用5N氢氧化钠调整至约5.5的pH。随后，通过在121℃下20分钟高压灭菌并同时喷射已通过0.2微米填料的氮气，厌氧制备分批式培养基。各分批式发酵在密封箱反应器中进行，并且每克生物催化剂使用约2毫升分批式培养基。向一些所述反应器中，注射正丁醇以测定正丁醇对生物催化剂和发酵的效果。在约37℃的温度下进行发酵，并且定期获取发酵液的样品并通过气体色谱法分析。发酵继续48小时。数据归纳于表VI。
表VI
xii.乙醇
对底物至乙醇的转化，本发明的生物催化剂有吸引力。使用酵母的发酵液中乙醇的最大滴定度通常约15至18％，并且在使用酵母的商用方法中诸如糖和合成气的底物至乙醇的转化效率通常小于理论值的约95％。采用其他乙醇产生微生物，例如蓝细菌和梭菌，它们对乙醇浓度的敏感性可以比酵母大很多。例如，已报道，1.5体积％乙醇导致集胞藻PCC6803的生长减少50％。从而，使用这些替代性微生物的方法产生极稀释含乙醇发酵液。美国专利No.7,682,821B2公开一种封闭光生物反应器，其使用每日环境温度波动作为一种途径来降低乙醇分离的成本。使用本发明的生物催化剂的方法允许产生较高滴定度的乙醇，从而降低水/乙醇分离的成本，并且由于本发明的生物催化剂中微生物的表型改变，转化效率接近几乎理论效率。
在广泛方面，用于将底物生物转化至乙醇的方法包含：
a.使水性介质与本发明的生物催化剂接触，所述生物催化剂含有能够将所述底物生物转化成乙醇的微生物，其中所述水性介质维持在包括存在用于所述微生物的营养物质的代谢条件下，并且含有所述底物；
b.将所述水性介质和生物催化剂之间的所述接触维持足够时间，以将所述底物的至少一部分生物转化成乙醇；和
c.从所述水性介质回收乙醇。
待用的微生物将定义底物。可应用来产生乙醇的底物包括二氧化碳、糖和合成气。能产生乙醇的微生物包括但不限于野生型或重组细菌和酵母，例如梭菌，例如扬氏梭菌(C.ljungdahlii)，醋酸梭菌和热醋酸梭菌(C.thermoaceticum)，凯伍产醋菌，伍氏醋酸杆菌，潮湿厌氧醋菌，食甲基丁酸杆菌，淤泥真杆菌，运动发酵单胞菌，Zymomonas palmae，嗜常温酵母，例如树干毕赤酵母，赛沟毕赤酵母(Pichia segobiensis)，休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)，热带假丝酵母(Candida tropicalis)，博伊丁假丝酵母(Candidaboidinii)，纤维假丝酵母(Candida tenuis)，嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)，多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha)，无名假丝酵母(Candida famata)，近平滑假丝酵母(Candida parapsilosis)，皱落假丝酵母(Candida rugosa)，萨纳瑞西斯假丝酵母(Candica sonorensis)，陆生伊萨酵母(Issatchenkia terricola)，蜜蜂克勒克酵母(Kloeckera apis)，巴格毕赤氏酵母(Pichia barkeri)，卡特多菲毕赤酵母(Pichiacactophila)，Pichia deserticola，挪威毕赤酵母(Pichia norvegensis)，膜醭毕赤酵母(Pichia membranefaciens)，墨西哥毕赤酵母(Pichia mexicana)，酿酒酵母(Sacchrimyces cervisea)和德尔布有孢圆酵母(Torulaspora delbrueckii)，以及嗜热酵母，例如牛球拟酵母(Candida bovina)，Candida picachoensis，Candida emberorum，Candida pintolopesii，赛默飞利亚假丝酵母(Candida thermophila)，马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)，脆壁克鲁维氏酵母(Kluyveromyces fragilis)，Kazachstania telluris，东方伊萨酵母(Issatchenkia orientalis)和Lachanceathermotolerans。除了别的之外，高温性菌包括热纤维梭菌(Clostridium thermocellum)，Clostridium thermohydrosulphuricum，热解糖梭菌(Clostridiumthermosaccharolyticum)，布氏嗜热厌氧菌(Thermoanaerobium brockii)，乙酸乙基嗜热拟杆菌(Thermobacteroides acetoethylicus)，嗜热厌氧乙醇菌(Thermoanaerobacterethanolicus)，热乙酸梭菌，嗜热自养梭菌(Clostridium thermoautotrophicum)，凯伍产醋菌，致黑脱硫肠状菌(Desulfotomaculum nigrificans)和Desulvovibriothermophilus，腾冲嗜热厌氧菌(Thermoanaerobacter tengcongensis)，脂肪嗜热芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus)和Thermoanaerobacter mathranii。基因性增强的光合自养蓝细菌、藻类和其他光合自养生物体已适于将微生物内部的碳水化合物生物转化成乙醇。例如，美国专利No.6,699,696中描述具有包含DNA片段编码丙酮酸盐脱羧酶(pdc)和醇脱氢酶(adh)酶的构造的基因改良蓝细菌。蓝细菌为光合细菌，其需要光、无机元素、水和碳源(一般为二氧化碳)来代谢和生长。使用基因工程蓝细菌的乙醇生产也在PCT公布专利申请WO 2007/084477中有所描述。乙醇产生微生物的列表还可参见美国公布专利申请No.20120301937。
生物转化条件通常在典型嗜常温菌生物转化条件之内，并且可使用典型生物反应器系统。连续方法尤其优选，因为本发明的生物催化剂可提供高细胞密度，因此与增强的生物转化速率一起，提供底物的高转化效率，并且生物反应器中相对简短的平均停留时间，例如通常小于约3或4小时，并且有时小于约30分钟。
对于光合方法，每单位体积液体介质的细胞高浓度、基本不存在来自微生物的碎片(因此提供较澄清介质)以及与本发明的生物催化剂有关的表型改变的组合允许显著增加每单元时间每单元表面积可生成的乙醇。从而，光生物反应器需要较小占有面积，并且诸如美国专利No.7,682,821中所公开的封闭方法可在冷凝物中生成甚至更高浓度的乙醇。另外，因为可使用就地灭菌，由于可控制任何污染性微生物的种群，可进行更可靠操作。光生物反应器可含有其中具有生物催化剂的液体培养物。底物(例如二氧化碳)可溶解于介质，或生物催化剂可接触气态底物，并且(例如)通过蒸发或通过接触用于乙醇的提取剂(例如水)，乙醇可随后从生物催化剂中移除。
实施例232
用基本上如实施例147中所述的生物催化剂，将流化床生物反应器装料至其容量的约75体积％。含有浓度120克/升或250克/升的葡萄糖的水的连续流动被以各种速率提供至生物反应器，以提供4或10小时的水力停留时间。生物反应器维持在约37℃的温度下。流出物定期分析来自生物反应器的乙醇和葡萄糖浓度。在4小时液压保留时间时，在各葡萄糖浓度下，糖的转化产率约95至97％的理论乙醇生产率。在10小时液压保留时间时，在各葡萄糖浓度下，糖的转化产率约98至99％的理论乙醇生产率。
xiii.厌氧消化
如上文论述，市政废水通常经受需氧生物转化。向生物反应器供氧为显著花费，即便空气用作送往市政废水设施的含氧气体，并且通常为总成本的至少约30％。此外，在需要三级处理的情况下，使用厌氧生物转化，并因此被处理水中的氧浓度必须降低。为满足若干法定的调控需要，废水处理必须降低有机含量以及降低或基本上消除病原体。
已提出嗜常温菌厌氧消化。虽然消除供氧的成本，这种方法遭受若干缺点。已证明维持微生物的有效种群十分困难，尤其因为必须支持酸化和产甲烷。停留时间很长，通常在15天范围内，并且该方法通常不提供病原体的显著减少。
嗜热厌氧消化的确提供更短停留时间和病原体处理的更加能力的优点。参见(例如)美国公布专利申请No.2013010539.维持微生物的种群仍难以解决，并且废水必须达到并且维持在至少45℃的温度下以便操作嗜热微生物。
本发明的生物催化剂提供废水的厌氧消化的改善在于，与其中微生物通常来源于油泥的常规系统相反，不仅可为生物催化剂靶向嗜热微生物，而且生物催化剂可提供每单位生物反应器体积的高浓度嗜热微生物。生物转化的速率以及因此水力停留时间可以减小。更重要地，因为嗜热厌氧生物转化为放热的，微生物的高浓度有效用作热源来获得和维持嗜热生物转化温度。另外，因为嗜热菌处于本发明的生物催化剂中，所述方法甚至可用于处理具有低有机含量的废水。
用于含有有机化合物的废水的的嗜热厌氧消化的方法包含：
a.在嗜热条件下，使所述废水与含有适用于有机化合物至甲烷的生物转化的嗜热微生物的本发明的生物催化剂接触，优选地，所述嗜热条件包含至少约45℃、比如约47℃至65℃或70℃的温度，接触时间足以降低有机化合物的浓度，优选地达到小于约10、优选小于约4毫克氧/升的BOD，以提供处理水和沼气，
b.从所述废水中分离所述沼气和
c.从所述生物催化剂中分离所述处理水。
优选地，生物催化剂中所用微生物包含产甲烷菌，尤其以下微生物中的一者或多者：乙酸甲烷八叠球菌、热自养甲烷热杆菌、史氏甲烷短杆菌、亨氏甲烷螺菌、厌氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia anammoxidans)，Kuenenia sp.、Anammoxoglobus sp.、Jetteniasp.和Scalindua sp.。。生物催化剂中的细胞浓度优选地至少约100或200克/升。通常，生物转化条件包括pH维持在约6.5至9、比如约7至8.5范围内。通常地，将接触生物催化剂的废水中的氧浓度小于约2毫克/升。可使用任何合适的生物反应器构造，包括但不限于典型生物反应器系统。优选地，生物反应器含有足够生物催化剂，以提供每升容量至少约100克的细胞。
xiv.其他应用
本发明的生物催化剂的性质允许各式各样具体应用。例如，实现具有稳定种群的微生物的高种群的能力使本发明的生物催化剂可用于生物检测装置；涂层，包括但不限于例如用于船体和浸入地表水中的其他表面的防污涂料和涂层；以及从气体和液体中移除不利组分的过滤器。该生物催化剂可用于生物燃料电池。
本发明的生物催化剂可用于使用嗜常温或嗜热、厌氧或兼性厌氧微生物来产生氢或氢等同物。氢可被回收或用于另一种化学或代谢方法。在一种此类方法中，甲烷可用于产生氢，然后氢用于使用硫酸盐还原微生物来将硫酸盐还原成硫化物。因为微生物不可逆地保留于生物催化剂，可在相同或不同生物催化剂中维持共培养物。
本发明的生物催化剂可应用于碳质底物尤其至甲烷的产甲烷作用。具有该生物活性的微生物通常互养，并且生物催化剂增强互养系统的稳定性。
本发明的生物催化剂可用于从(例如)碳水化合物如糖、合成气和二氧化碳产生烯烃，例如乙烯-丙烯、丁烯、丁二烯和苯乙烯。参见(例如)美国公布专利申请20130122563。
如上所述，本发明的生物催化剂可用于处理各种地下水、地表水、市政废水和工业水流。另外，有益应用包括厌氧消化、硫酸盐和亚硫酸盐阴离子的移除，和用作分用于进行需氧废水处理的层催化剂。
附录A
代表性微生物包括但不限于：乙酸杆菌(Acetobacter)，纹膜乙酸杆菌(Acetobacter aceti)，无色杆菌，嗜酸菌(Acidiphilium)，德氏食酸菌(Acidovoraxdelafieldi)P4-1，不动杆菌(醋酸钙不动杆菌(A.calcoaceticus))、马杜拉放线菌(Actinomadura)，游动放线菌(Actinoplanes)，放线菌(Actinomycetes)，嗜热古菌(Aeropyrum pernix)，土壤杆菌(Agrobacterium sp.)，产碱菌(Alcaligenes sp.)(脱氮产碱菌(A.dentrificans))，木糖氧化产碱菌(Alloiococcus otitis)，水生弯杆菌(Ancylobacter aquaticus)，Ananas comosus(M)，色节杆菌(Arthrobacter sp.)，硫磺色节杆菌(Arthrobacter sulfurous)，色节杆菌(原玻璃蝇节杆菌(A.protophormiae))，曲霉(Aspergillus)，黑曲霉(Aspergillus niger)，米曲霉(Aspergillus oryze)，蜂蜜曲霉(Aspergillus melleus)，粉状曲霉(Aspergillus pulverulentus)，佐氏曲霉(Aspergillus saitoi)，酱油曲霉(Aspergillus sojea)，宇佐美曲霉(Aspergillususamii)，嗜碱性芽孢杆菌(Bacillus alcalophilus)，解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)，短芽孢杆菌(Bacillus brevis)，环状芽孢杆菌(Bacilluscirculans)，克劳氏芽孢杆菌(Bacillus clausii)，蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)，迟缓芽孢杆菌(Bacillus lentus)，地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)，浸麻芽孢杆菌(Bacillus macerans)，嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus)，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)，拜叶林克氏菌(Beijerinckia sp.)，双岐杆菌(Bifidobacterium)，谷氨酸发酵菌(Brevibacterium sp.)HL4，酒香酵母(Brettanomycessp.)，短短芽孢杆菌(Brevibacillus brevis)，洋葱伯克氏菌(Burkholderia cepacia)，空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni)，假丝酵母，柱状假丝酵母(Candida cylindracea)，皱落假丝酵母(Candida rugosa)，氧化碳嗜热菌(Carboxydothermus)(生氢氧化碳嗜热菌(Carboxydothermus hydrogenoformans))，Carica papaya(L)，Cellulosimicrobium，虫草头孢菌(Cephalosporium)，无定毛壳菌(Chaetomium erraticum)，对角毛壳菌(Chaetomiumgracile)，小球藻(Chlorella sp.)，柠檬酸菌(Citrobacter)，梭状芽孢杆菌(Clostridiumsp.)，丁酸梭菌(Clostridium butyricum)，丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)，克卢维尔梭菌(Clostridium kluyveri)，食一氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxidivorans)，热纤维梭菌(Clostridium thermocellum)，棒状杆菌(Cornynebacterium sp.)菌株m15，谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium(glutamicum))，有效棒杆菌(Corynebacterium efflciens)，耐放射异常球菌(Deinococcus radiophilus)，德克酵母(Dekkera)，布鲁塞尔德克酵母(Dekkera bruxellensis)，大肠杆菌，肠杆菌(Enterobacter sp.)，肠球菌(Enterococcus)，屎肠球菌(Enterococcus faecium)，鹑鸡肠球菌(Enterococcus gallinarium)，粪肠球菌(Enterococcus faecalis)，欧文氏菌(Erwinia sp.)，菊欧文氏菌(Erwinia chrysanthemi)，葡糖杆菌(Gliconobacter)，葡糖醋杆菌(Gluconacetobacter sp.)，汉逊酵母(Hansenula sp.)，盐盒菌(Haloarcula)，特异腐质霉(Humicola insolens)，Humicola nsolens，西唐北里孢菌(Kitasatospora setae)，克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)，产酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca)，肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumonia)，克鲁维酵母(Kluyveromyces sp.)，脆壁克鲁维酵母(Kluyveromyces fragilis)，乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)，考克氏菌(Kocuria)，乳酸乳杆菌(Lactlactis)，乳酸杆菌(Lactobacillus sp.)，发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum)，清酒乳杆菌(Lactobacillus sake)，乳球菌(Lactococcus)，乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)，明串珠菌(Leuconostoc)，甲烷氧化菌(Methylosinustrichosporum)OB3b，Methylosporovibrio methanica 812，甲烷丝状菌(Methanothrixsp.)，甲烷八叠球菌(Methanosarcina sp.)，甲烷单胞菌(Methanomonas sp.)，甲基孢囊菌(Methylocystis)，甲烷螺菌(Methanospirilium)，西西里甲烷叶菌(Methanolobussiciliae)，嗜器官产甲烷菌(Methanogenium organophilum)，甲烷杆菌(Methanobaceriumsp.)，布氏甲烷杆菌(Methanobacterium bryantii)，产甲烷球菌(Methanococcus sp.)，甲烷微菌(Methanomicrobium sp.)，甲烷盘菌(Methanoplanus sp.)，甲烷球形菌(Methanosphaera sp.)，甲烷叶菌(Methanolobus sp.)，甲烷袋状菌(Methanoculleussp.)，鬃毛甲烷菌(Methanosaeta sp.)，甲烷嗜热菌(Methanopyrus sp.)，甲烷粒菌(Methanocorpusculum sp.)，甲烷八叠球菌(Methanosarcina)，甲基球菌(Methylococcussp.)，甲基单胞菌(Methylomonas sp.)，甲基弯曲菌(Methylosinus sp.)，蛾微杆菌(Microbacterium imperiale)，微球菌(Micrococcus sp.,)，溶壁微球菌(Micrococcuslysodeikticus)，小月菌(Microlunatus)，穆尔氏菌(Moorella)(例如热醋穆尔氏菌(梭状芽孢杆菌)(Moorella(Clostridium)thermoacetica)，摩拉克氏菌(Moraxella sp.)(菌株B)，摩根氏菌(Morganella)，爪哇毛霉菌(Mucor javanicus)，分枝杆菌(Mycobacteriumsp.)菌株GP1，漆斑菌(Myrothecium)，海洋单胞菌(Neptunomonas naphthovorans)，硝化杆菌(Nitrobacter)，亚硝化单孢菌(Nitrosomonas)(欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonaseuropea))，菱形藻(Nitzchia sp.)，诺卡氏菌(Nocardia sp.)，管囊酵母(Pachysolensp.)，泛菌(Pantoea)，Papaya carica，片球菌(Pediococcus sp.)，嗜盐片球菌(Pediococcus halophilus)，青霉菌(Penicillium)，沙门柏干酪青霉菌(Penicilliumcamemberti)，桔青霉菌(Penicillium citrinum)，爱默生青霉(Penicillium emersonii)，洛克福青霉菌(Penicillium roqueforti)，淡紫青霉(Penicillum lilactinum)，多色青霉(Penicillum multicolor)，黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysoporium)，毕赤酵母(Pichia sp.)，树干毕赤酵母(Pichia stipitis)，泛养副球菌(Paracoccuspantotrophus)，平菇菌(Pleurotus ostreatus)，丙酸杆菌(Propionibacterium sp.)，变形杆菌(Proteus)，假单胞菌(Pseudomonas)(孔雀尾假单胞菌(P.pavonaceae)，Pseudomonas ADP，施氏假单胞菌(P.stutzeri)，恋臭假单孢(P.putida)，假单胞菌菌株PS1，洋葱假单胞菌(P.cepacia G4)，门多萨假单胞菌KR(P.medocina KR)，皮氏假单胞菌PK01(P.picketti PK01)，泡囊假单胞菌(P.vesicularis)，少动假单胞菌(P.paucimobilis)，假单胞菌DLC-P11，门多萨假单胞菌(P.mendocina)，P.chichhori菌株IST 103,)，荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)，脱氮假单胞菌，热球菌(Pyrococcus)，激烈热球菌(Pyrococcus furiosus)，极端嗜热古菌(Pyrococcus horikoshii)，罗尔斯通菌(Ralstonia sp.)，根瘤菌(Rhizobium)，米赫根毛霉(Rhizomucor miehei)，微小根毛霉(Rhizomucor pusillus Lindt)，根霉菌(Rhizopus)，代氏根霉(Rhizopus delemar)，日本根霉(Rhizopus japonicus)，雪白根霉(Rhizopusniveus)，米根霉(Rhizopus oryzae)，少孢根霉(Rhizopus oligosporus)，红球菌，(红平红球菌(R.erythropolis)，紫红红球菌(R.rhodochrous)NCIMB 13064)，沙门氏菌(Salmonella)，酵母菌(Saccharomyces sp.)，酿酒酵母，裂殖酵母(Schizochytriu sp.)，核盘菌(Sclerotina libertina)，沙雷氏菌(Serratia sp.)，志贺氏杆菌(Shigella)，多食鞘氨醇杆菌(Sphingobacterium multivorum)，氨醇杆菌(Sphingobium)(解氯芬鞘氨醇杆菌(Sphingbium chlorophenolicum))，鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)(矢野氏鞘氨醇单胞菌(S.yanoikuyae)，S.sp.RW1)，链球菌(Streptococcus)，嗜热链球菌(Streptococcusthermophilus)Y-I，链霉菌(Streptomyces)，灰色链霉菌(Streptomyces griseus)，变铅青链霉菌(Streptomyces lividans)，鼠灰链霉菌(Streptomyces murinus)，锈棕色链霉菌(Streptomyces rubiginosus)，紫红链霉菌(Streptomyces violaceoruber)，茂原链轮丝菌(Streptoverticillium mobaraense)，聚球藻(Synechococcus sp.)，集胞藻(Synechocystis sp.)，四联球菌(Tetragenococcus)，栖热菌(Thermus)，泛养硫球菌(Thiosphaera pantotropha)，栓菌(Trametes)，变色栓菌(Trametes versicolor)，木霉(Trichoderma)，长枝木霉(Trichoderma longibrachiatum)，里氏木霉(Trichodermareesei)，绿色木霉(Trichoderma viride)，毛孢子菌(Trichosporon sp.)，帚状丝孢酵母(Trichosporon penicillatum)，解藻朊酸弧菌(Vibrio alginolyticus)，黄单胞菌(Xanthomonas)，黄色杆菌(Xanthobacter sp.)(自养黄色杆菌(X.autotrophicus)GJ10，黄黄色杆菌(X.flavus))，酵母，耶罗威亚解脂酵母(Yarrow lipolytica)，鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)，发酵单胞菌(Zymomonas sp.)，运动发酵单胞菌(Zymomonusmobilis)，硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)，Geobacter lovleyi，金属还原地杆菌(Geobacter metallireducens)，产琥珀酸拟杆菌(Bacteroides succinogens)，溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)，产纤维二糖梭菌(Clostridiumcellobioparum)，白色瘤胃球菌(Ruminococcus albus)，黄色瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)，溶纤维真杆菌(Eubacterium cellulosolvens)，溶纤维梭状芽胞杆菌(Clostridium cellulosolvens)，噬纤维杆菌(Clostridium cellulovorans)，热纤维梭菌(Clostridium thermocellum)，溶纤维素拟杆菌(Bacteroides cellulosolvens)，和解纤维素醋弧菌(Acetivibrio cellulolyticus)Gliricidia sp.，合欢(Albizia sp.)或Parthenium sp.，巴塞尔贪铜菌(Cupriavidus basilensis)，镉抗性细菌(Cupriaviduscampinensis)，吉拉迪贪铜菌(Cupriavidus gilardi)，Cupriavidus laharsis，耐金属贪铜菌(Cupriavidus metallidurans)，草酸盐贪铜菌(Cupriavidus oxalaticus)，少见贪铜菌(Cupriavidus pauculus)，Cupriavidus pinatubonensis，Cupriavidus respiraculi，台湾贪铜菌(Cupriavidus taiwanensis)，Oligotropha carboxidovorans，硫杆菌(Thiobacillus sp.)，脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)，氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thioxidans)，氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)，蚀固硫杆菌(Thiobacillus concretivorus)，阿尔伯塔酸硫杆状菌(Acidithiobacillusalbertensis)，喜温硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)，Acidithiobacilluscuprithermicus，红假单胞菌(Rhodopseudomonas)，沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)，类球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)，英膜红假单胞菌(Rhodopseudomonas capsulate)，嗜酸红假单胞菌(Rhodopseudomonas acidophila)，紫色细菌绿色红假单胞菌(Rhodopseudomonas viridis)，脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)，醋酸氧化脱硫肠状菌(Desulfotomaculum acetoxidans)，库氏脱硫肠状菌(Desulfotomaculum kuznetsovii)，致黑脱硫肠状菌(Desulfotomaculum nigrificans)，还原脱硫肠状菌(Desulfotomaculum reducens)，羧基化物脱硫肠状菌(Desulfotomaculumcarboxydivorans)，巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)，乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)，热醋穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)，高温嗜热菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)，深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)，伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)，食甲基丁酸杆菌(Butyribacteriummethylotrophicum)，自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)，扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)，淤泥真杆菌(Eubacterium limosum)，普式产醋杆菌(Oxobacter pfennigii)，产生消化链球菌(Peptostreptococcus productus)，沼泽红假单孢菌(Rhodopseudomonas palustris)P4，胶状红长命菌(Rubrivivax gelatinosus)，柠檬酸菌(Citrobacter sp Y19)，乙酸甲烷八叠球菌C2A(Methanosarcina acetivorans C2A)，巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)，东方脱硫芽孢弯曲菌(Desulfosporosinusorientis)，脱硫杆菌(Desulfovibrio desulfuricans)，普通脱硫弧菌(Desulfovibriovulgaris)，热自养穆尔氏菌(Moorella thermoautotrophica)，Carboxydibrachiumpacificus，Carboxydocella thermosautotrophica，Thermincola carboxydiphila，Thermolithobacter carboxydivorans，Thermosinus carboxydivorans，热自养甲烷热杆菌(Methanothermobacter thermoautotrophicus)，食羰基化物脱硫肠状菌(Desulfotomaculum carboxydivorans)，库氏脱硫肠状菌(Desulfotomaculumkuznetsovii)，致黑脱硫肠状菌(Desulfotomaculum nigrificans)，热苯脱硫肠状菌热共养亚种(Desulfotomaculumthermobenzoicum subsp.Thermosyntrophicum)，弗氏互营杆菌(Syntrophobacter fumaroxidans)，尿酸梭菌(Clostridium acidurici)，非洲脱硫弧菌(Desulfovibrio africanus)，巴氏芽孢梭菌，巴氏芽孢梭菌DSM 525(C.pasteurianum DSM525)，多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)，刺菊石(Acanthoceras)，刺棘肿牙形石(Acanthococcus)，Acaryochloris，弯杆藻(Achnanthes)，曲壳藻属(Achnanthidium)，星形藻(Actinastrum)，Actinochloris，辐射环藻属(Actinocyclus)，辐射鼓藻属(Actinotaenium)，双金藻属(Amphichrysis)，前沟藻属(Amphidinium)，尖粒藻属(Amphikrikos)，双肋藻属(Amphipleura)，茧形藻属(Amphiprora)，分须藻属(Amphithrix)，双眉藻属(Amphora)，项圈藻属(Anabaena)，拟项圈藻属(Anabaenopsis)，暗额藻属(Aneumastus)，纤维藻属(Ankistrodesmus)，锚藻属(Ankyra)，异菱藻属(Anomoeoneis)，虚幻球藻属(Apatococcus)，丝囊藻属(Aphanizomenon)，隐球藻属(Aphanocapsa)，隐毛藻属(Aphanochaete)，隐杆藻属(Aphanothece)，梨囊藻属(Apiocystis)，顶丝藻属(Apistonema)，四棘鼓藻属(Arthrodesmus)，节方定藻属(Artherospira)，Ascochloris，硅藻属(Asterionella)，星球藻属(Asterococcus)，奥杜藻属(Audouinella)，直链藻属(Aulacoseira)，链状硅藻属(Bacillaria)，巴尔比亚藻属(Balbiania)，似竹鼓藻属(Bambusina)，红毛菜属(Bangia)，鞭毛虫属(Basichlamys)，串珠藻属(Batrachospermum)，骈胞藻属(Binuclearia)，双棘藻属(Bitrichia)，盘苔属(Blidingia)，Botrdiopsis，气球藻(Botrydium)，葡萄藻(Botryococcus)，球葡萄藻属(Botryosphaerella)，咸胞藻属(Brachiomonas)，短螺旋体属(Brachysira)，海雹菜(Brachytrichia)，Brebissonia，毛鞘藻(Bulbochaete)，柱杆藻属(Bumilleria)，拟杆藻属(Bumilleriopsis)，美壁藻(Caloneis)，眉藻(Calothrix)，马鞍藻(Campylodiscus)，盒管藻属(Capsosiphon)，四鞭藻属(Carteria)，链条杆菌属(Catena)，Cavinula，刺藻属(Centritractus)，Centronella，角藻属(Ceratium)，角毛藻属(Chaetoceros)，Chaetochloris，硬毛藻属(Chaetomorpha)，卡盾藻属(Chaetonella)，毛丝藻属(Chaetonema)，盾毛藻属(Chaetopeltis)，胶毛藻属(Chaetophora)，毛球藻属(Chaetosphaeridium)，管孢藻属(Chamaesiphon)，轮藻属(Chara)，Characiochloris，拟小椿藻属(Characiopsis)，小椿藻属(Characium)，轮藻属(Charales)，缘胞藻属(Chilomonas)，叶绿衣藻属(Chlainomonas)，盖毛藻属(Chlamydoblepharis)，Chlamydocapsa，衣藻属(Chlamydomonas)，Chlamydomonopsis，衣粘藻属(Chlamydomyxa)，Chlamydonephris，Chlorangiella，拟绿囊藻属(Chlorangiopsis)，小球藻，绿囊藻属(Chlorobotrys)，绿辐藻属(Chlorobrachis)，绿点藻属(Chlorochytrium)，绿球藻属(Chlorococcum)，绿胶藻属(Chlorogloea)，拟绿胶蓝细菌属(Chlorogloeopsis)，绿梭藻属(Chlorogonium)，绿带藻属(Chlorolobion)，翼膜藻属(Chloromonas)，吊兰属(Chlorophysema)，绿藻门(Chlorophyta)，绿胶囊藻属(Chlorosaccus)，背包藻属(Chlorosarcina)，绿囊藻属(Choricystis)，色植藻属(Chromophyton)，单鞭金藻(Chromulina)，拟甲色球藻属(Chroococcidiopsis)，色球藻属(Chroococcus)，色指藻属(Chroodactylon)，蓝隐藻属(Chroomonas)，色盒藻属(Chroothece)，金变形藻属(Chrysamoeba)，金网藻属(Chrysapsis)，金星藻属(Chrysidiastrum)，金囊藻属(Chrysocapsa)，金囊藻属(Chrysocapsella)，Chrysochaete，金色藻属(Chrysochromulina)，金颗藻属(Chrysococcus)，Chrysocrinus，Chrysolepidomonas，Chrysolykos，Chrysonebula，金藻门(Chrysophyta)，金钟藻属(Chrysopyxis)，Chrysosaccus，Chrysophaerella，金环藻属(Chrysostephanosphaera)，刚毛藻属(Clodophora)，链孢藻属(Clastidium)，拟新月藻属(Closteriopsis)，新月藻(Closterium)，胶球藻(Coccomyxa)，卵形藻(Cocconeis)，Coelastrella，空星藻属(Coelastrum)，腔球藻(Coelosphaerium)，幅球藻(Coenochloris)，无胶集球藻属(Coenococcus)，聚囊藻属(Coenocystis)，柄裸藻(Colacium)，鞘毛藻(Coleochaete)，Collodictyon，Compsogonopsis，大石藻(Compsopogon)，Conjugatophyta，Conochaete，冠星藻属(Coronastrum)，鼓藻(Cosmarium)，Cosmioneis，胶球鼓藻属(Cosmocladium)，Crateriportula，杯状藻属(Craticula)，毛发针藻(Crinalium)，十字藻(Crucigenia)，卵胞藻属(Crucigeniella)，Cryptoaulax，隐蓝细菌(Cryptomonas)，隐藻(Cryptophyta)，栉水母(Ctenophora)，蓝网藻属(Cyanodictyon)，Cyanonephron，蓝载藻(Cyanophora)，蓝藻门(Cyanophyta)，蓝丝菌(Cyanothece)，Cyanothomonas，圆游藻属(Cyclonexis)，环冠藻属(Cyclostephanos)，小环藻(Cyclotella)，筒藻(Cylindrocapsa)，柱孢鼓藻(Cylindrocystis)，筒孢藻(Cylindrospermum)，细柱藻属(Cylindrotheca)，波缘藻(Cymatopleura)，桥弯藻属(Cymbella)，Cymbellonitzschia，胞甲藻属(Cystodinium)蓝纤维藻属(Dactylococcopsis)，单板藻属(Debarya)，细齿藻(Denticula)，Dermatochrysis，皮果藻(Dermocarpa)，小皮果蓝细菌属(Dermocarpella)，缢带藻(Desmatractum)，角丝鼓藻属(Desmidium)，鼓球藻属(Desmococcus)，带线藻(Desmonema)，Desmosiphon，长刺藻属(Diacanthos)，Diacronema，等列藻属(Diadesmis)，等片藻(Diatoma)，Diatomella，双细胞藻属(Dicellula)，双须藻(Dichothrix)，叉球藻属(Dichotomococcus)，Dicranochaete，网绿藻属(Dictyochloris)，球网藻属(Dictyococcus)，胶网藻(Dictyosphaerium)，泡双吸虫属(Didymocystis)，对囊藻属(Didymogenes)，双楔藻(Didymosphenia)，丝藻属(Dilabifilum)，双形藻属(Dimorphococcus)，锥囊藻(Dinobryon)，异常球菌属(Dinococcus)，双绿藻属(Diplochloris)，双壁藻(Diploneis)，双十藻属(Diplostauron)，Distrionella，基纹鼓藻属(Docidium)，竹枝藻(Draparnaldia)，杜氏藻(Dunaliella)，异形藻属(Dysmorphococcus)，延胞藻属(Ecballocystis)，纺锤藻属(Elakatothrix)，Ellerbeckia，内丝藻(Encyonema)，浒苔(Enteromorpha)，内枝藻(Entocladia)，Entomoneis，石囊藻(Entophysalis)，附金藻属(Epichrysis)，附钟藻属(Epipyxis)，窗纹藻(Epithemia)，独球藻(Eremosphaera)，拟凹顶藻属(Euastropsis)，裂鼓藻属(Euastrum)，立方藻(Eucapsis)，真卵形藻属(Eucocconeis)，空球藻属(Eudorina)，裸藻(Euglena)，裸藻门植物(Euglenophyta)，短缝藻(Eunotia)，真眼点藻门(Eustigmatophyta)，双鞭藻(Eutreptia)，Fallacia，费希尔氏菌(Fischerella)，脆杆藻(Fragilaria)，Fragilariforma，披刺藻(Franceia)，肋缝藻(Frustulia)，Curcilla，双胞藻属(Geminella)，短水绵属(Genicularia)，灰胞藻(Glaucocystis)，灰色藻(Glaucophyta)，拟薄甲藻属(Glenodiniopsis)，薄甲藻(Glenodinium)，蓝绿藻(Gloeocapsa)，粘毛藻属(Gloeochaete)，Gloeochrysis，圆球藻属(Gloeococcus)，胶囊藻属(Gloeocystis)，胶树藻属(Gloeodendron)，胶胞藻属(Gloeomonas)，Gloeoplax，粘杆藻(Gloeothece)，胶丝藻属(Gloeotila)，胶刺藻(Gloeotrichia)，Gloiodictyon，多芒藻(Golenkinia)，拟多芒藻属(Golenkiniopsis)，孢根藻属(Gomontia)，楔桥弯藻(Gomphocymbella)，异极藻(Gomphonema)，束球藻(Gomphosphaeria)，棒形鼓藻属(Gonatozygon)，Gongrosia，链瘤藻属(Gongrosira)，角绿藻(Goniochloris)，盘藻属(Gonium)，膝口藻属(Gonyostomum)，粒绿藻属(Granulochloris)，拟粒囊藻属(Granulocystopsis)，Groenbladia，裸甲藻(Gymnodinium)，缢丝鼓藻属(Gymnozyga)，布纹藻(Gyrosigma)，红球藻(Haematococcus)，哥胞藻属(Hafniomonas)，Hallassia，双尖藻(Hammatoidea)，Hannaea，菱板藻(Hantzschia)，软管藻(Hapalosiphon)，Haplotaenium，定鞭藻(Haptophyta)，海氏藻属(Haslea)，半沟甲藻属(Hemidinium)，Hemitoma，茸壳藻属(Heribaudiella)，异毛藻属(Heteromastix)，异线藻属(Heterothrix)，蟄居金藻目(Hibberdia)，胭脂藻属(Hildenbrandia)，隐鞭藻属(Hillea)，Holopedium，须藻属(Homoeothrix)，管鞘藻属(Hormanthonema)，皮襟藻属(Hormotila)，Hyalobrachion，Hyalocardium，明盘藻属(Hyalodiscus)，透明梭藻属(Hyalogonium)，圆丝鼓藻属(Hyalotheca)，Hydrianum，水胞藻(Hydrococcus)，水鞘藻(Hydrocoleum)，水条藻(Hydrocoryne)，水网藻(Hydrodictyon)，水链藻属(Hydrosera)，水树藻(Hydrurus)，蓝枝藻(Hyella)，膜胞藻(Hymenomonas)，细绿藻属(Isthmochloron)，拟丝藻属(Johannesbaptistia)，肾粒藻属(Juranyiella)，Karayevia，尖目艮藻属(Kathablepharis)，甲藻属(Katodinium)，金藻(Kephyrion)，角球藻属(Keratococcus)，蹄形藻属(Kirchneriella)，克里藻(Klebsormidium)，Kolbesia，Koliella，Komarekia，Korshikoviella，Kraskella，拉氏藻属(Lagerheimia)，烧瓶藻(Lagynion)，枝藻(Lamprothamnium)，鱼子菜属(Lemanea)，鳞孔藻(Lepocinclis)，细链藻(Leptosira)，Lobococcus，Lobocystis，叶衣藻属(Lobomonas)，泥生藻属(Luticola)，鞘丝藻(Lyngbya)，Malleochloris，鱼鳞藻(Mallomonas)，Mantoniella，射星藻属(Marssoniella)，Martyana，鞭鞘藻属(Mastigocoleus)，胸隔藻属(Gastogloia)，直链藻(Melosira)，平列藻属(Merismopedia)，Mesostigma，中带鼓藻(Mesotaenium)，微星藻(Micractinium)，小星藻属(Micrasterias)，微毛藻(Microchaete)，微鞘藻(Microcoleus)，微胞藻(Microcystis)，软壳藻属(Microglena)，微单胞菌属(Micromonas)，微孢子(Microspora)，小丛藻属(Microthamnion)，柄球藻(Mischococcus)，单鞭金藻属(Monochrysis)，蒜头藻属(Monodus)，Monomastix，单针藻属(Monoraphidium)，礁膜属(Monostroma)，转板藻(Mougeotia)，拟转板藻(Mougeotiopsis)，喙藻属(Myochloris)，Myromecia，粘囊藻(Myxosarcina)，瓶丝藻属(Naegeliella)，微球藻(Nannochloris)，类球藻属(Nautococcus)，舟形藻(Navicula)，Neglectella，长蓖藻(Neidium)，Nephroclamys，肾形藻(Nephrocytium)，Nephrodiella，肾藻属(Nephroselmis)，梭形鼓藻(Netrium)，丽藻属(Nitella)，拟丽藻(Nitellopsis)，菱形藻(Nitzschia)，节球藻(Nodularia)，念珠藻(Nostoc)，棕鞭藻(Ochromonas)，鞘藻属(Oedogonium)，Oligochaetophora，棘接鼓藻属(Onychonema)，Oocardium，卵囊藻属(Oocystis)，具隙藻属(Opephora)，黄管藻(Ophiocytium)，Orthoseira，颤藻(Oscillatoria)，Oxyneis，厚枝藻属(Pachycladella)，胶群藻(Palmella)，掌网藻属(Palmodictyon)，实球藻属(Pnadorina)，Pannus，Paralia，巴喧氏藻属(Pascherina)，Paulschulzia，盘星藻(Pediastrum)，柄钟藻属(Pedinella)，平藻属(Pedinomonas)，才旨藻属(Pedinopera)，Pelagodictyon，柱形鼓藻(Penium)，袋鞭藻属(Peranema)，拟多甲藻属(Peridiniopsis)，多甲藻(Peridinium)，Peronia，石藻属(Petroneis)，壳衣藻属(Phacotus)，扁裸藻(Phacus)，Phaeaster，褐皮藻属(Phaeodermatium)，褐藻门(Phaeophyta)，Phaeosphaera，金枝藻(Phaeothamnion)，席藻(Phormidium)，叶楯藻(Phycopeltis)，Phyllariochloris，Phyllocardium，Phyllomitas，习习纹藻属(Pinnularia)，Pitophora，Placoneis，游丝藻属(Planctonema)，浮球藻属(Planktosphaeria)，Planothidium，织线藻(Plectonema)，杂球藻属(Pleodorina)，Pleurastrum，厚皮藻(Pleurocapsa)，侧枝藻属(Pleurocladia)，双盘藻(Pleurodiscus)，斜纹藻(Pleurosigma)，侧链藻属(Pleurosira)，宽带鼓藻属(Pleurotaenium)，Pocillomonas，Podohedra，多鞭藻属(Polyblepharides)，Polychaetophora，多角藻属(Polyedriella)，多突藻属(Polyedriopsis)，Polygoniochloris，Polyepidomonas，Polytaenia，素衣藻(Polytoma)，Polytomella，紫球藻(Porphyridium)，Posteriochromonas，Prasinochloris，绿枝藻属(Prasinocladus)，绿枝藻门(Prasinophyta)，溪菜(Prasiola)，Prochlorphyta，原绿发藻(Prochlorothrix)，原皮藻属(Protoderma)，原生管属(Protosiphon)，拟衣藻(Provasoliella)，定鞭金藻(Prymnesium)，斜纹藻属(Psammodictyon)，斜纹藻属(Psammothidium)，假鱼腥藻(Pseudanabaena)，Pseudenoclonium，拟四鞭藻属(Psuedocarteria)，Pseudochate，Pseudocharacium，Pseudococcomyxa，伪网球藻属(Pseudodictyosphaerium)，假金杯藻属(Pseudokephyrion)，伪瘤皮藻属(Pseudoncobyrsa)，伪并联藻(Pseudoquadrigula)，伪球囊藻(Pseudosphaerocystis)，假十字趾藻属(Pseudostaurastrum)，伪十字脆杆藻亚属(Pseudostaurosira)，伪四星藻(Pseudotetrastrum)，翼膜藻属(Pteromonas)，Punctastruata，塔衣藻属(Pyramichlamys)，塔胞藻(Pyramimonas)，甲藻门(Pyrrophyta)，四毛藻属(Quadrichloris)，Quadricoccus，并联藻属(Quadrigula)，芒球藻属(Radiococcus)，辐丝藻属(Radiofilum)，尖头藻(Raphidiopsis)，Raphidocelis，针丝藻(Raphidonema)，针胞藻门(Raphidophyta)，Peimeria，棒条藻(Rhabdoderma)，杆胞藻(Rhabdomonas)，根枝藻(Rhizoclonium)，红胞藻(Rhodomonas)，红胞藻(Rhodophyta)，弯楔藻(Rhoicosphenia)，棒杆藻(Rhopalodia)，胶须藻(Rivularia)，Rosenvingiella，Rossithidium，Roya，栅藻(Scenedesmus)，Scherffelia，Schizochlamydella，裂壁藻属(Schizochlamys)，裂线藻属(Schizomeris)，裂须藻(Schizothrix)，弓形藻(Schroederia)，Scolioneis，电累翼藻属(Scotiella)，Scotiellopsis，Scourfieldia，双歧藻属(Scytonema)，月牙藻属(Selenastrum)，月绿藻属(Selenochloris)，Sellaphora，Semiorbis，褐胞藻属(Siderocelis)，拟铁囊藻属(Diderocystopsis)，Dimonsenia，管线藻属(Siphononema)，Sirocladium，链膝藻(Sirogonium)，骨条藻(Skeletonema)，群星藻属(Sorastrum)，Spermatozopsis，Sphaerellocystis，拟球藻属(Sphaerellopsis)，Sphaerodinium，环藻属(Sphaeroplea)，瘤接鼓藻属(Sphaerozosma)，刺胞藻属(Spiniferomonas)，水绵属(Spirogyra)，螺带鼓藻(Spirotaenia)，螺旋藻(Spirulina)，椎葚属(Spondylomorum)，顶接鼓藻属(Spondylosium)，Sporotetras，Spumella，角星鼓藻(Staurastrum)，叉链藻属(Stauerodesmus)，幅节藻属(Stauroneis)，十字脆杆藻亚属(Staurosira)，Staurosirella，长习习藻属(Stenopterobia)，Stephanocostis，冠盘藻(Stephanodiscus)，冠孔藻属(Stephanoporos)，Stephanosphaera，裂丝藻(Stichococcus)，粘胶藻属(Stichogloea)，毛枝藻(Stigeoclonium)，类似真枝藻(Stigonema)，柄球藻属(Stipitococcus)，斯鞭虫属(Stokesiella)，陀螺藻属(Strombomonas)，柄胞藻属(Stylochrysalis)，Stylodinium，柱钟藻属(Styloyxis)，绿柄球藻属(Stylosphaeridium)，双菱藻(Surirella)，Sykidion，束藻(Symploca)，聚球藻(Synechococcus)，集胞藻(Synechocystis)，针杆藻(Synedra)，聚赭胞藻属(Synochromonas)，黄群藻(Synura)，平板藻(Tabellaria)，Tabularia，泰林鼓藻属(Teilingia)，切孢藻属(Temnogametum)，裂顶鼓藻属(Tetmemorus)，四球藻属(Tetrachlorella)，四环藻属(Tetracyclus)，四链藻属(Tetradesmus)，Tetraedriella，四角藻属(Tetraedron)，Tetraselmis，四孢藻属(Tetraspora)，四星藻属(Tetrastrum)，海链藻属(Thalassiosira)，丛毛藻属(Thamniochaete)，Thorakochloris，红索藻(Thorea)，鸟巢藻属(Tolypella)，单歧藻属(Tolypothrix)，囊裸藻属(Trachelomonas)，Trachydiscus，共球藻属(Trebouxia)，橘色藻属(Trentepholia)，四棘藻属(Treubaria)，黄丝藻属(Tribonema)，束毛藻属(Trichodesmium)，Trichodiscus，小箍藻属(Trochiscia)，盘杆藻属(Tryblionella)，丝藻属(Ulothrix)，辐尾藻属(Uroglena)，尾丝藻属(Uronema)，尾管藻属(Urosolenia)，尾孢藻属(Urospora)，Uva，周泡藻属(Vacuolaria)，无节藻属(Vaucheria)，团藻(Volvox)，Volvulina，韦斯藻属(Westella)，网甲藻属(Woloszynskia)，多棘鼓藻属(Xanthidium)，黄藻门(Xanthophyta)，异球藻属(Xenococcus)，双星藻属(Zygnema)，拟双星藻属(Zygnemopsis)，Zygonium，绿曲挠菌属(Chloroflexus)，绿丝菌属(Chloronema)，颤绿菌属(Oscillochloris)，螺丝菌属(Heliothrix)，滑柱菌属(Herpetosiphon)，玫瑰弯菌属(Roseiflexus)，热微菌属(Thermomicrobium)，绿菌属(Chlorobium)，格状绿菌属(Clathrochloris)，突柄绿菌属(Prosthecochloris)，Allochromatium，着色菌属(Chromatium)，盐着色菌属(Halochromatium)，Isochromatium，Marichromatium，小红卵菌属(Rhodovulum)，热着色菌属(Thermochromatium)，荚硫菌属(Thiocapsa)，硫红球菌属(Thiorhodococcus)，囊硫菌属(Thiocystis)，褐螺菌属(Phaeospirillum)，Rhodobaca，红细菌(Rhodobacter)，红微菌属(Rhodomicrobium)，红球形菌属(Rhodopila)，红假单胞菌(Rhodopseudomonas)，红海菌属(Rhodothalassium)，红螺菌(Rhodospirillum)，Rodovibrio，玫瑰螺旋菌属(Roseospira)，硝化杆菌(Nitrobacteraceae sp.)，硝化杆菌(Nitrobacter sp.)，硝化刺菌(Nitrospina sp.)，硝化球菌(Nitrococcus sp.)，硝化螺菌(Nitrospira sp.)，亚硝化单胞菌(Nitrosomonassp.)，亚硝化菌(Nitrosococcus sp.)，亚硝化螺菌属(Nitrosospira sp.)，亚硝化叶菌属(Nitrosolobus sp.)，亚硝化弧菌属(Nitrosovibrio sp.)，卵硫细菌属(Thiovulum sp.)，硫杆菌(Thiobacillus sp.)，硫微螺菌(Thiomicrospira sp.)，硫球形菌属(Thiosphaerasp.)，高温毛发菌属(Thermothrix sp.)，氢杆菌属(Hydrogenobacter sp.)，铁球菌属(Siderococcus sp.)，水螺菌属(Aquaspirillum sp.)，甲烷杆菌(Methanobacteriumsp.)，甲烷短杆菌(Methanobrevibacter sp.)，甲烷嗜热菌(Methanothermus sp.)，甲烷球菌(Methanococcus sp.)，甲烷微菌(Methanomicrobium sp.)，甲烷螺菌(Methanospirillum sp.)，产甲烷菌(Methanogenium sp.)，甲烷八叠球菌(Methanosarcina sp.)，甲烷叶菌(Methanolobus sp.)，甲烷丝状菌(Methanothrix sp.)，拟甲烷球菌(Methanococcoides sp.)，甲烷盘菌(Methanoplanus sp.)，热变形菌(Thermoproteus sp.)，热网菌(Pyrodictium sp.)，硫化裂片菌(Sulfolobus sp.)，Acidianus sp.，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)，酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)，链霉菌(Streptomyces sp.)，罗尔斯通菌(Ralstonia sp.)，红球菌属(Rhodococcus sp.)，棒杆菌(Corynebacteria sp.)，Brevibacteria sp.，分枝杆菌(Mycobacteria sp.)，产油酵母(oleaginous yeast)，拟南芥(Arabidopsis thaliana)，Panicum virgatum，巨芒(Miscanthus giganteus)，玉蜀黍(Zea mays)(植物)，布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)，莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和Dunaliela salina(藻类)，聚球藻(Synechococcus sp)PCC 7002，聚球藻(Synechococcus sp.)PCC 7942，集胞藻(Synechocystis sp.)PCC 6803，蓝细菌(Thermosynechococcus elongatus)BP-1(蓝细菌)，绿色硫细菌(Chlorobium tepidum)，Chloroflexus auranticusI，微温着色菌(Chromatium tepidum)和酒色着色菌(Chromatium vinosum)(紫色硫细菌)，深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)，荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)，和沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palusris)(紫色非硫细菌)。

Claims (94)

1.一种生物催化剂，其包含：
水合的亲水性聚合物的固体结构，其定义了具有最小尺寸在5微米和100微米之间并且HEV至少1000的多个互连的主腔体的内部结构，和
在所述内部结构中的微生物的种群，基于当完全水合时由所述固体结构的外部定义的体积，所述微生物的种群的浓度为至少60克/升，
其中微生物经受表型改变，使得微生物代谢性不可逆地保留在所述内部结构中，并且维持它们的种群稳定，使得所述微生物的种群未降低超过50％也未提高超过400％。
2.根据权利要求1所述的生物催化剂，其中所述HEV为至少5000。
3.根据权利要求2所述的生物催化剂，其中所述固体结构包含外部皮肤。
4.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述外部皮肤具有平均直径在1微米和10微米之间的孔，并且所述孔占所述外部皮肤的表面积的1％至30％。
5.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂的体积的40％至70％形成主腔体并且所述生物催化剂含有较小腔体。
6.根据权利要求5所述的生物催化剂，其中所述主腔体为静态的。
7.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中，所述HEV为至少20,000并且基于由所述固体结构的外部定义的体积，微生物在所述固体结构的内部中的浓度为至少100克/升。
8.根据权利要求3所述的生物催化剂，其含有所述微生物的外网。
9.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述微生物的种群为单菌株类型。
10.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述微生物的种群包含细菌或藻类。
11.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂还包含多糖。
12.根据权利要求11所述的生物催化剂，其中所述多糖具有小于20微米的主尺寸。
13.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂还包含固体吸着剂。
14.根据权利要求13所述的生物催化剂，其中所述固体吸着剂为主尺寸小于5微米的微粒。
15.根据权利要求13所述的生物催化剂，其中所述固体吸着剂包含碳、二氧化硅、硅酸盐、粘土和分子筛中的至少一种。
16.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述微生物为光合微生物。
17.根据权利要求16所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂还包含磷光材料。
18.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂还包含至少一种分离的酶。
19.根据权利要求1所述的生物催化剂，其中所述生物催化剂包含至少两种微生物。
20.根据权利要求19所述的生物催化剂，其中所述固体结构包含至少两个层，其中至少一个层含有与另一个层不同的微生物。
21.根据权利要求3所述的生物催化剂，其中所述微生物的种群显示至少一种表型改变。
22.根据权利要求21所述的生物催化剂，其中显示的表型改变为代谢转变。
23.根据权利要求21所述的生物催化剂，其中显示的表型改变是双峰生长的阻遏。
24.一种用于制备权利要求1的生物催化剂的方法，所述方法包括：
a.形成用于亲水性聚合物的溶解前体和用于所述生物催化剂的微生物的液体分散体，其中微生物在所述液体分散体中的浓度为至少60克/升；
b.使所述液体分散体经受固体化条件以形成所述亲水性聚合物的固体结构，其中所述固体结构具有内部结构，所述内部结构具有含有所述微生物的多个互连主腔体，所述主腔体具有在5微米和100微米之间的最小尺寸并且其中所述固体结构具有至少1000的HEV，所述固体化条件未严重不利影响所述微生物的种群；和
c.将含有微生物的所述固体结构在未不利影响所述固体结构内部中的所述微生物的种群的条件下维持足够时间，以能够使所述微生物经历表型改变，以维持它们的种群稳定，使得所述微生物的种群未降低超过50％也未提高超过400％，并且变成代谢性不可逆地保留在所述固体结构的内部。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述液体分散体为水性分散体，并且所述微生物在所述水性分散体中的密度为至少100克/升。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述固体化条件包括存在交联剂，并且所述前体为溶解的预聚物。
27.根据权利要求24所述的方法，其中未包含在步骤(b)中形成的所述固体结构内的液体分散体在步骤(c)期间或之前被分离。
28.一种代谢方法，其包括使权利要求1的所述生物催化剂经受包括存在底物的代谢条件以使所述底物生物转化成生物产物。
29.根据权利要求28所述的代谢方法，其中所述微生物显示代谢转变。
30.根据权利要求28所述的代谢方法，其中所述代谢方法为合成代谢方法。
31.根据权利要求30所述的代谢方法，其中所述生物产物包含至少含氧有机化合物和至多100个碳的烃中的至少一者。
32.根据权利要求31所述的代谢方法，其中所述含氧有机化合物包括甲醇、乙醇、乙酸、正丙醇、异丙醇、丙酸、正丁醇、异丁醇、丁酸、丙酮和甲基乙基酮中的至少一种。
33.根据权利要求32所述的代谢方法，其中所述底物包括甲烷。
34.根据权利要求30所述的代谢方法，其中所述生物产物包括氢。
35.根据权利要求30所述的代谢方法，其中所述生物产物包括乙烯。
36.根据权利要求28所述的代谢方法，其中所述代谢方法为光合方法。
37.根据权利要求28所述的代谢方法，其中所述代谢方法为分解代谢方法。
38.根据权利要求37所述的代谢方法，其中所述分解代谢方法包含还原方法。
39.根据权利要求37所述的代谢方法，其中所述底物包括以下至少一种：硝酸盐，高氯酸盐，嗅味化合物，氯化烃，1,4-二噁烷，和氧离子，氢氧根或硫、磷、硒、钨、钼、铋、锶、镉、铬、钛、镍、铁、锌、铜、砷、钒、铀、镭、锰、锗、铟、锑、汞和稀土金属的可溶盐。
40.根据权利要求38所述的代谢方法，其为厌氧消化。
41.根据权利要求37所述的代谢方法，其中所述分解代谢方法包括氧化代谢方法。
42.根据权利要求41所述的代谢方法，其中所述底物包括氨和有机化合物中的至少一者。
43.根据权利要求28所述的代谢方法，其中存在毒素并且所述生物催化剂对所述毒素显示增加的耐受性。
44.根据权利要求43所述的代谢方法，其中所述毒素为含有所述底物的给料中的污染物、所述底物、生物产物、联产物、副产物和噬菌体中的一种或多种。
45.一种用于降低水流中超低污染物的浓度的方法，其包括：
a.使所述水流连续传到生物反应器，所述生物反应器维持在代谢条件下，所述代谢条件包括存在权利要求1的生物催化剂，所述生物催化剂包含用于生物转化所述超低污染物的微生物；
b.使所述水流与所述生物催化剂接触足以降低所述超低污染物的浓度的时间；和
c.从所述生物反应器中收回所述超低污染物的浓度降低的处理水流。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述超低污染物包含2-甲基异冰片、土臭味素、三卤甲烷和卤代乙酸中的一种或多种。
47.一种用于使在废水流中的溶解有机碳和铵阳离子分解代谢的方法，其包括：
a.使所述废水流连续传到含有权利要求1的生物催化剂的生物反应器，所述生物催化剂包含用于使溶解的有机碳分解代谢成二氧化碳和使铵阳离子分解代谢成硝酸盐阴离子的氨氧化微生物；
b.在所述生物反应器中在存在氧的情况下使所述废水流与所述生物催化剂接触足够时间，以产生氧化流出物，所述氧化流出物含有小于5毫克铵阳离子并且具有小于10毫克/升的生化需氧量(BOD)，
其中无固体从所述生物催化剂传到所述氧化流出物。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述方法还包括使所述氧化流出物脱氮以产生含有小于10毫克/升硝酸盐阴离子的脱氮流出物。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述脱氮包括：
a.使所述氧化流出物连续传到含有权利要求1的生物催化剂的生物反应器，所述生物催化剂包含用于使硝酸盐阴离子脱氮的微生物；和
b.在所述生物反应器中使所述氧化流出物与所述生物催化剂接触足够时间，以产生含有小于5毫克/升硝酸盐的脱氮流出物，
其中无固体从所述生物催化剂传到所述脱氮流出物。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述废水中含有的固体被水解。
51.根据权利要求49所述的方法，其中所述废水为市政废水。
52.一种用于生物还原水中的可溶磷酸盐的方法，其包括：
a.使所述水在生物反应器中在磷酸盐聚积条件下与包含磷酸盐聚积微生物的权利要求1的生物催化剂接触足够时间，以降低磷酸盐在所述水中的浓度并且提供包含磷酸盐装载微生物的生物催化剂，其中所述磷酸盐聚积条件包括在所述微生物内存在聚羟基链烷酸盐并且在所述水中存在需氧或缺氧条件；
b.使包含磷酸盐装载微生物的所述生物催化剂在水性介质中经受厌氧条件，使其足以从所述微生物中释放磷酸盐进入所述水性介质以产生富磷酸盐水性介质；和
c.从所述富磷酸盐水性介质中分离所述生物催化剂用于步骤(a)。
53.一种使用N/D微生物在含有铵和氧的进料水中将铵生物降解成氮的方法，其包括：在代谢条件下使所述水与具有不可逆地保留在其中的所述微生物的权利要求1的生物催化剂接触足够时间，以产生铵浓度小于50％的处理水，其中所述进料水的硝酸盐浓度和硝酸盐离子的浓度小于1毫克/升。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述生物催化剂含有由活性油泥获得的微生物。
55.一种生物转化多种底物的方法，所述方法使用包含微生物单菌株的如权利要求1所述的生物催化剂在代谢条件下历时足以将所述底物生物转化成生物产物的时间。
56.一种用于降低存在于水中时的硝酸盐阴离子或高氯酸盐阴离子或这两者的浓度的方法，其包括使水与其中具有用于在代谢条件下减少所述阴离子的微生物的菌株的权利要求1的生物催化剂接触并且历时足以生物转化这种阴离子的时间。
57.一种用于处理含有金属或半金属的至少一种可溶化合物的水的方法，其包括：
a.将所述水连续引入反应区，所述反应区含有包含用于减少所述可溶化合物的微生物的权利要求1的生物催化剂；
b.使所述水与所述生物催化剂接触足够时间，以降低所述至少一种可溶化合物在所述水中的浓度；
c.所述生物催化剂维持在足以代谢性还原所述金属或半金属的氧化状态的代谢条件下，以形成元素金属或半金属或其沉淀化合物；和
d.从所述生物反应区收回所述至少一种可溶化合物的浓度降低的水。
58.根据权利要求57所述的方法，其中形成元素金属或半金属或其沉淀化合物的所述金属或半金属的至少一部分保持在所述生物催化剂中。
59.根据权利要求57所述的方法，其中形成元素金属或半金属或其沉淀化合物的所述金属或半金属的至少一部分可从所述生物催化剂上移除。
60.一种减小1,4-二噁烷在水流中的浓度的方法，其包括：
a.使所述水流连续传到生物反应器，所述生物反应器维持在代谢条件下，所述条件包括需氧条件和存在权利要求1的生物催化剂，所述生物催化剂包含用于代谢性降解1,4-二噁烷的微生物；
b.使所述水流与所述生物催化剂接触足够时间，以降低所述1,4-二噁烷在所述水流中的浓度；和
c.从所述生物反应器中收回1,4-二噁烷的浓度降低的处理水流。
61.根据权利要求60所述的方法，其中所述微生物包含红球菌(Rhodococcus)并且所述处理水流具有小于10微克/升的1,4-二噁烷的浓度。
62.一种用于将糖和任选地将二氧化碳生物转化成琥珀酸的方法，其包括：
a.使水性介质与包含产生琥珀酸的微生物的权利要求1的生物催化剂在包括温度和存在用于所述微生物的糖和其他营养物质的代谢条件下接触足够时间，以产生琥珀酸盐阴离子并且产生含有琥珀酸盐阴离子的水性介质；
b.移除至少一部分所述含有琥珀酸盐阴离子的水性介质和所述生物催化剂；
c.再使用步骤(a)中的所述生物催化剂，从所述生物催化剂中已经移除了至少一部分所述含有琥珀酸盐阴离子的水性介质；和
d.从所述含有琥珀酸盐阴离子的水性介质中回收琥珀酸盐阴离子。
63.根据权利要求62所述的方法，其中所述水性介质与所述生物催化剂的所述接触在具有不同代谢条件的至少2个反应区中进行。
64.根据权利要求63所述的方法，其中来自含有所述生物催化剂的第一反应区的水性介质被传到后续反应区用于与生物催化剂进一步接触并且在所述水性介质中的所述糖浓度在所述后续反应区中耗尽。
65.根据权利要求63所述的方法，其中第一水性介质在不有利于磷酸烯醇丙酮酸盐向琥珀酸盐阴离子转化的条件下在所述第一反应区中接触所述生物催化剂，所述条件包括微氧或需氧条件，并且随后使所述生物催化剂经受厌氧条件，所述厌氧条件包括存在足以将磷酸烯醇丙酮酸盐生物转化成琥珀酸盐阴离子的二氧化碳。
66.根据权利要求65所述的方法，其中所述厌氧条件为气相条件。
67.一种用于将二氧化碳生物转化成生物产物的方法，其包括：
a.将包含葡萄藻(Botryococcus)的菌种的权利要求1的所述生物催化剂维持在水性介质中，所述水性介质处于包括温度和存在用于微藻的营养物质的代谢条件下；
b.使所述水性介质与用于所述生物转化的二氧化碳接触，其中所述微藻分泌生物产物；
c.在足以所述微藻将二氧化碳光合成生物产物的频率和强度下用光辐照所述水性介质；和
d.从所述水性介质中移除生物产物。
68.根据权利要求67所述的方法，其中所述生物产物包含支链或环状烃，任选用含氧部分取代。
69.一种用于将气相中所含底物生物转化成生物产物的方法，其包括：
a.将所述气相与权利要求1的生物催化剂连续接触，所述接触处于适用于代谢性生物转化的温度下并且历时足以实现所述底物的至少一部分向生物产物生物转化的时间；
b.将步骤(a)的所述生物催化剂的至少一部分循环到水性介质中的至少一个浸渍步骤，历时足以完全水合所述生物催化剂的时间，并且所述浸渍历时足以在所述生物催化剂中提供营养物质的时间；
c.分离所述至少一个浸渍步骤的所述生物催化剂和水性介质；和
d.将所分离的生物催化剂的至少一部分用于步骤(a)。
70.根据权利要求69所述的方法，其中所述底物包含氢、一氧化碳、二氧化碳、氧化氮、铵、硫化氢、氧化硫、膦、羰基化合物、卤代烃、挥发性有机化合物和挥发性金属化合物中至少一种。
71.根据权利要求70所述的方法，其中所述挥发性有机化合物是挥发性有机硫化合物。
72.根据权利要求71所述的方法，其中所述挥发性有机硫化合物是二硫化碳。
73.根据权利要求69所述的方法，其中接触所述气相的所述生物催化剂的至少一部分具有不含水性层的外表面。
74.根据权利要求69所述的方法，其中步骤(a)期间的所述气相为连续相。
75.根据权利要求69所述的方法，其中步骤(a)期间的所述生物催化剂在流化床中。
76.根据权利要求69所述的方法，其中步骤(a)期间的所述生物催化剂在上升床中。
77.根据权利要求69所述的方法，其中步骤(a)期间的所述生物催化剂在移动床中。
78.一种用于通过水生巨生物减少积垢的方法，其包括使接触所述水生巨生物的水与包含能够分解代谢转化所述水中的溶解的、可代谢的有机碳的微生物的权利要求1的生物催化剂接触足够时间，以提供可代谢的有机碳的浓度处于使巨生物的存活受到抑制的水平的处理水。
79.根据权利要求76所述的方法，其中所述巨生物包括藤壶；海洋蚌；淡水蚌；斑马贝；苔藓虫；管虫；多毛动物、海鞘、海绵和海葵中的至少一种。
80.一种用于使水脱盐的方法，其包含(a)从水源收回盐水，所述盐水包含悬浮软体动物，以提供收回水流，和(b)使所述收回水流经受脱盐条件以提供脱盐水流和含盐废流，其中所述方法包含使所述收回水流与包含能够分解代谢转化所述水中有机碳的微生物的权利要求1的生物催化剂接触足够时间，以将有机碳的浓度降低到软体动物的存活受抑制的水平。
81.一种用于使盐水脱盐的设备，其包括：
a.至少一种原水进口导管，适于引导盐水进入所述设备；
b.至少一种生物反应器，其与至少一个原水进口导管流动连通并且适于接收所述盐水，所述生物反应器包含含有能够分解代谢转化所述盐水中有机碳的微生物的权利要求1的生物催化剂；
c.至少一个脱盐单元；和
d.至少一个流出物导管，适于将水从所述生物反应器引导至所述脱盐单元。
82.一种用于在包括存在用于生物转化的微生物的生物转化条件下将水性介质中含有的底物生物转化成生物产物的方法，其中按足以控制污染微生物的量向所述水性介质提供抗微生物剂，其中所述方法通过使用包含用于所述生物转化的所述微生物的权利要求1的生物催化剂，减弱了所述抗微生物剂对用于所述生物转化的所述微生物的影响。
83.一种生物检测装置，其包括权利要求1的生物催化剂。
84.一种防污涂层，其包含权利要求1的生物催化剂。
85.一种生物燃料电池，其包含权利要求1的生物催化剂。
86.一种过滤器，其包含权利要求1的生物催化剂。
87.一种用于处理含有有机化合物的废水的方法，其包括：
a.在嗜热条件下使所述废水与包含适用于将有机化合物生物转化成甲烷的嗜热微生物的权利要求1的生物催化剂接触足够时间，以降低有机化合物的浓度，提供处理水和沼气，
b.从所述废水中分离所述沼气，和
c.从所述生物催化剂中分离所述处理水。
88.根据权利要求87所述的方法，其中所述微生物包含产甲烷菌。
89.根据权利要求88所述的方法，其中微生物在被处理的所述水中的浓度至少为100克/升。
90.一种用于使用能够进行生物转化的微生物将底物生物转化成生物产物的连续方法，其中所述生物产物对所述微生物是毒性的，所述方法包括：
a.向含有水性介质的至少一个第一生物反应器连续供应底物和水性介质，其中具有权利要求1的生物催化剂的所述至少一个第一生物反应器包含所述微生物；
b.将所述至少一个第一生物反应器维持在代谢条件下，并且以足以维持稳态条件和提供足以生物转化所述底物的一部分的水力停留时间的速率从所述至少一个第一生物反应器连续收回第一生物反应器流出物，所述第一生物反应器流出物含有未消耗底物和生物产物，其中对所述至少一个第一生物反应器中的所述生物产物的所述生物转化活性处于第一速率；
c.向含有水性介质的至少一个后续生物反应器连续供应所收回的第一生物反应器流出物，所述至少一个后续生物反应器其中具有包含所述微生物的权利要求1的生物催化剂；
d.将所述至少一个后续生物反应器维持在代谢条件下，并且以足以维持稳态条件和提供足以生物转化所述底物的至少一部分的水力停留时间的速率从所述至少一个后续生物反应器中连续收回后续生物反应器流出物，所述后续生物反应器流出物含有生物产物，其中对所述至少一个后续生物反应器中的所述生物产物的所述生物转化活性处于低于所述第一速率的第二速率；
e.从所收回的后续生物反应器流出物中连续分离富生物产物流用于产物回收并且提供残余水性流；和
f.将所述残余水性流的至少一部分连续再循环到至少一个后续生物反应器。
91.根据权利要求90所述的方法，其中所述生物产物能够在所述水性介质中形成单独的液相，并且至少在所述至少一个后续生物反应器中，其中所述生物产物形成单独的液相并且所述后续生物反应器流出物经受相分离以提供含生物产物相和残余水相。
92.一种用于将底物生物转化成丁醇的方法，其包括：
a.使水性介质与权利要求1的生物催化剂接触，所述生物催化剂包含能够将所述底物生物转化成丁醇的微生物，其中所述水性介质维持在包括存在用于所述微生物的营养物质的代谢条件下，并且含有所述底物；
b.将所述水性介质和生物催化剂之间的接触维持足够时间，以将所述底物的至少一部分生物转化成丁醇；和
c.从所述水性介质中回收丁醇。
93.根据权利要求92所述的方法，其中所述丁醇在所述水性介质中形成单独液相。
94.根据权利要求93所述的方法，其中所述丁醇为异丁醇或正丁醇。
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