专利名称：用在沼气装置、发酵和分离工艺中的磁性玻璃微粒的制作方法
用在沼气装置、发酵和分离工艺中的磁性玻璃微粒本发明涉及一种处理有机和/或无机底物的方法、用在该处理有机底物的方法中的可磁化聚集体以及这种可磁化聚集体的制备方法。发酵已经相当长时间地用于例如保存食品。为此，或者例如在葡萄酒和啤酒的生产中或在酸奶和酸乳酒的生产中使用微生物，或者例如在使用凝乳酶酸化牛奶时引入酶。发酵可以在好氧和厌氧条件下进行。厌氧条件下的发酵也称作厌氧发酵。发酵还用在化学品的工业级生产中，例如用在柠檬酸的生产中或用在药品如抗生素或胰岛素的制备中。已经为这些工业方法开发出大量反应器和工艺。因此这些方法可以连续或间歇进行。关于反应器，已经开发出其中微生物或酶固定设置于反应器中的类型，例如底物之后以液体形式通过它的填充床。但是，其中微生物或酶均匀分布在底物中的方法也是已知的。微生物或酶可以固定在分布于底物中的固态载体上。但是，载体在许多反应中不是必须的。用在这种发酵中的有机底物可以大幅变化。例如，葡萄糖水溶液可以用作作为在目标物质的生产中充当微生物的能量源或底物的基础。有机底物可以均匀并例如作为溶液存在。对于其它技术发酵，使用非常非均匀的有机底物。例如在沼气生产中，使用还可以包含固体成分的底物，其中这些固体成分也可以以相对大的块的形式存在。用在沼气生产中的典型有机底物例如是还可以与垃圾、植物谷壳或污水污泥混合的动物肥料。各种微生物，例如细菌、真菌或还有细胞培养物用于发酵。如果发酵在微生物的帮助下进行，在该工艺的一种变化方案中，首先微生物可以使有机底物集群化。为此，在生物反应器的启动阶段，首先给底物接种相关微生物，该微生物接着随着有机底物反应而增殖并使有机底物集群化。但是，还已知其中底物没有被微生物集群化的微生物以及由其催化的反应。关于该发酵方法的变化方案，微生物浮在营养物溶液中并经由表面吸收溶解的营养物。为了例如使固体底物分解成更小的水溶性组分，微生物可以具有先前分泌的酶。如果该工艺连续进行，发 酵过程中将新鲜的有机底物经通道送入反应器的反应室内，同时将相应量的用过的底物排出反应器。微生物也随着排出的用过的底物一起移出反应室。微生物的这种损失必须通过相应生长来弥补。特别对于慢速生长的有机体，生长速率可以是反应器处理能力的限制因素。在临界值以下总是存在足量的可用于维系发酵的微生物，在所述临界值处可更新的微生物的量大于随用过的底物一起排出的微生物的量。于是，例如，送入的有机底物的量可以构成限制因素。如果该送入的有机底物的量进一步增加，达到此时可更新的微生物的量对应于随用过的底物一起排出的微生物的量的临界值。反应室中的发酵于是稳态进行。随着送入底物的量进一步增加，微生物的可更新量不再能够弥补随用过的底物一起排出的微生物的损失。反应器的微生物含量于是不断下降，结果是发酵不再以稳态方式进行。反应器的性能以及因此产物产率随着送入底物的量进一步增加而下降，直至发酵最终停止。微生物生长非常慢的发酵例子是沼气生产。在沼气生产过程中，在产甲烷细菌帮助下的最后步骤中，由氏和0)2或由乙酸乙酯或由其它低分子量化合物如甲胺产生甲烷。该反应在苛刻的厌氧和还原条件下进行。由于热力学原因，对于每个反应的底物分子，产甲烷细菌仅可以实现极其小的能量增益。因此长的世代时间是必定和不可避免的结果。由此，新进料的沼气反应器的启动阶段也持续长的时间。一旦沼气反应器最终已达到其操作态，最慢生长微生物的生长速率决定有机底物的最大可能的处理量。为了使给定的反应器增加处理速率并因此增加反应器的处理能力，必须提高反应器中微生物的静态浓度。这可以通过优化工艺参数在非常有限的框架内进行。提高生物反应器的反应室中的微生物的静态量的另外可能性是从排出的消化物中回收微生物并再使其返回反应室中。但是，由于消化物组成非常不均匀，因此仅能相当困难地从消化物中分离微生物。DE 10 2005 024 886 B3中描述了其中向有机底物中加入可磁化微粒的方法。微生物以细菌絮凝物的形式存在于反应室中或有机底物中。细菌被黏泥层包围，这使得单个细菌与更大聚集体组合之间的粘着成为可能。可磁化微粒可以嵌在与微生物隔开的黏泥中，由此施加在可磁化微粒上的力可以转移到微生物上。这能够表明通过使消化物穿过固定磁体可以使微生物与消化物分离。可以为此设置其外部附着有永磁体的分离管。如果使消化物通过分离管，该固定磁体吸引包封在细菌黏泥中的可磁化微粒，由此消化物中的细菌絮凝物移向磁体，并沉积在分离管的壁上。如果从分离管的外壁上移走该永磁体，沉积在分离管内壁上的微生物层可以从管中冲出。所收集的微生物然后可以再返回反应器。通过DE 10 2005 024 886 B3所述的方法，能够表明可以在可磁化微粒的帮助下分离微生物。但是，该方法仍没有使得该方法可以有利地用在工业装置中的高程度的分离成为可能。该方法中所用的铁素体以非常细的微粒形式使用，结果是其沉降速率低，并且微粒可以被包封在细菌的黏泥层中。这些非常小的可磁化微粒因水的粘性和弱的磁力而在所施加的磁场中仅非常慢地移动。如果试图通过增加磁体所施加的力来提高可磁化微粒的分离速率，危险是可磁化微粒将被拉出微生物絮凝物的黏泥层。于是不再能够从消化物中分离细菌絮凝物。如果试图通过使用较大的可磁化微粒来提高分离速率，这些较大的微粒可以被微生物集群化，由此微生物对可磁化微 粒的结合性提高。但是，于是出现可磁化微粒的沉降速率非常高的问题。于是在发酵过程中微粒不再均匀地分布在有机底物中，即发酵仅在相当大的花费下才能在整个反应室中均一进行。 在可磁化微粒的帮助下从物质混合物中累积物质或微生物的可能性已经各种实例表明。但是，这些应用大多数仅涉及分离非常少量的物质，例如用在测试盒中。可磁化微粒的使用于是使得通过离心避免费力分离成为可能。 因此WO 01/71732中描述包含铁氧化物或含铁颜料的高度多孔的铁磁性或亚铁磁性玻璃微粒。该玻璃微粒的直径优选5至25 μ m，特别优选7至10 μ m。为制备该玻璃微粒，首先制备可磁化微粒在例如甘油或乙二醇中的悬浮液。接着向该悬浮液中加入可水解的硅化合物如四烷氧基硅烷。该硅化合物然后在碱性或酸性缓冲液的作用下水解，结果SiO2沉积在可磁化微粒上并且形成开孔结构。分离出微粒并将在低于居里(Curie)温度下，优选在100至500°C下干燥。该玻璃微粒可以用于从样品混合物中累积特定物质如蛋白质。为此，将该多孔玻璃微粒与样品混合物混合，该多孔玻璃微粒的表面已任选通过提供合适基团而改性，以提高物质与玻璃微粒表面之间的亲和性。包含在混合物中的物质被吸附在可磁化玻璃微粒的表面上。通过施加外部磁场，多孔玻璃微粒可以与吸附在其上的感兴趣的分子一起沉积在例如样品容器的壁上。然后可以非常容易地分离出液相，结果是仅物质吸附在其上的可磁化玻璃微粒保留在样品容器中。M.-H.Liao, B.-H.Chen, Biotechnology Letters24,1913-1917, 2002 描述例如可用于从溶液中累积蛋白质的可磁化吸附剂。为此，超顺磁性Fe3O4纳米微粒涂覆有共价结合的聚丙烯酸层。聚丙烯酸盐具有可与感兴趣的蛋白质相互作用的大量离子基团，由此该蛋白质结合到纳米微粒的表面上。通过用碳二亚胺活化，聚丙烯酸盐链结合到Fe3O4纳米微粒上。平均每个磁性纳米微粒结合2个聚丙烯酸盐分子。X.-D.Tong, B.Xue, Y.Sun, Biotechnol.Prog.2001，17，134-139 描述了可用于吸附蛋白质以及它们累积体的可磁化载体。可磁化微粒具有可磁化材料的芯如Fe3O4,并涂覆有交联聚乙烯醇的壳。为了提高微粒对蛋白质的亲和性，可以通过将相应基团结合到微粒表面上来使表面改性。除了上述可磁化微粒之外，已知用于进行发酵或累积蛋白质的整个系列的其它载体。因此 A.Suarez, B.Guieysse, B.Mattiasson, Biotechnology Letters25,927-933, 2003描述了壬基苯酚在连续操作的固定床生物反应器中的生物降解。该床由泡沫玻璃的粒状材料构成，其中微生物的生物膜固定在该粒状材料的颗粒表面上。与壬基苯酚一起送入的底物通过床，其中可以在移出反应器的洗出物中检测到壬基苯酚的明显降解。H.Zilouei, B.Guieysse, B.Matthiasson, Process Biochemistry 41(2006),1083-1089描述了在作为生物膜固定于泡沫玻璃粒状材料的填充床上的细菌的帮助下氯酚的生物降解。而且该文还能够表明如果与氯酚一起送入的底物通过填充床，氯酚可以实现明显的降解。
泡沫玻璃粒状材料可以以各种形式从市场上可得。泡沫玻璃粒状材料可以具有开孔或闭孔结构。而且，粒状材料可以由各种类型的玻璃制成。例如玻璃粒状材料的强度和耐温性可以通过加入Al2O3来提高。开孔泡沫玻璃粒状材料的制备描述于DE 195 31 801 Al中。为此，将玻璃粉末与硅有机化合物和蜡微球混合。将该混合物首先在低温下预硬化而加工成粒状材料。通过使硅有机化合物部分分解由此在玻璃粉末微粒之间产生粘合性。然后通过进一步升高温度使蜡熔化，结果开孔保留在粒状材料中。在蜡已经熔化后，将玻璃粒状材料在较高温度，优选在600至800°C下硬化。该开孔玻璃粒状材料适用于例如用在好氧废水处理中固定微生物。类似地，DE 197 34 791 Al中使用由具有低熔和高熔组分的玻璃粉末混合物制成的开孔泡沫玻璃粒状材料。将玻璃粉末混合物与发泡剂混合，然后在高于低熔玻璃组分的发泡温度下加热。由低熔组分构成的孔的壁在发泡过程中打开，结果获得开孔结构。如DE 198 17 268 Al中所述，该开孔泡沫玻璃粒状材料也可以作为用于废水好氧处理的微生物用的载体使用。对此，首先通过将该开孔泡沫玻璃粒状材料浸入铁盐溶液中，然后使其回火而使该粒状材料涂覆大约5质量％的Fe203。然后可以将粒状材料送入活化污泥反应器。通过该氧化铁，降解性差的化合物通过加入过氧化氢而预氧化，同时进行微生物的进一步矿化。还已描述了可磁化泡沫玻璃粒状材料。由此从EP I 900 698 Al和EP I 900697Al中已知泡沫玻璃，其中铁磁性物质如铁、镍或钴均匀分布在玻璃泡沫中。泡沫玻璃表示包括气密性闭合孔的固化玻璃泡沫。但是，没有描述可磁化玻璃泡沫的制备和结构。该可磁化泡沫玻璃用于制备过滤器。这些包括其内具有泡沫玻璃成型体的液体密封的壳体。该成型体可以例如是经预定或大体任意粒化的粒状材料。US5, 734，020描述另一种开孔可磁化无机材料。使多孔玻璃浸有金属微粒的悬浮液以制备该材料。除去过量的悬浮液，然后干燥经浸溃的微粒。随着可磁化微粒沉积在玻璃泡沫的孔中，玻璃的孔体积因浸溃而减小。粒状材料的粒径大约为I至200 μ m。它可用作载体，用于例如低聚核苷酸的合成、免疫测定、层析工艺以及其它分离和纯化工艺。WO 2004/113245描述由其中嵌有铁微粒的磨碎吹塑玻璃烧结得到的烧结体碎片制成的粒状材料。将烧结体破碎成粒状材料，结果获得大的表面积，其中铁微粒从表面突起。根据特定实施方案，首先将玻璃粉末与发泡剂和细微粒的铁混合，然后使该混合物发泡，其中获得例如片状的本体，从而制备粒状材料。然后将片状体破碎成粒状材料。该粒状材料因具有6wt%以上的铁含量而可以磁性受影响。这可以用于例如从污染物的悬浮液中分离出泡沫玻璃的细微粒。粒状材料可以特别用作水净化的原料。DE 10 2004 012 598 Al描述制备泡沫玻璃粒状材料的方法，该材料适合例如用作建筑材料的添加剂以增加例如壁的隔离效果。为制备该泡沫玻璃粒状材料，首先将预先磨碎的玻璃与水玻璃和发泡剂混合，同时加入水以形成粗制混合物。然后将粗制混合物湿磨若干小时以形成造型涂料。将该造型涂料粒化以形成粒状材料生坯，并使这些在通常800至900°C的温度下在旋转窑中发泡。EP 2 022 768 A2描述具有6(^1:%至85wt%的娃氧化物、6 1:%至20wt%的氧化铝和Owt %至15wt%的碱金属和/或碱土金属氧化物和/或碱金属和/或碱土金属氢氧化物的多孔材料。多孔材料的表面被优选不透水的外壳包围。根据DIN EN1609的吸水率为Owt %至5wt %,优选0.2wt %至3wt %,特别优选0.5wt %至Iwt %。泡沫玻璃通过将粘土、硅氧化物以及任选的碱金属和/或碱土金属氧化物或碱金属和/或碱土金属氢氧化物与水混合形成悬浮液来制备。将该悬浮液粒化，并任选干燥粒状材料。然后加热粒状材料，其中获得具有闭合孔的多孔材料。为了支持发泡，任选可以向悬浮液中加入发泡剂。对于该泡沫玻璃粒状材料已提出各种应用领 域，例如作为增稠剂、绝热材料、吸声材料、填料、建筑材料、防火材料、耐高温材料、层析材料和/或载体材料。WO 2006/092153A1描述另一种制备泡沫玻璃粒状材料的方法。首先在室温下由水、推进剂和玻璃粘合剂制备玻璃粘合剂浆料。然后向玻璃粘合剂浆料中加入玻璃粉末，结果获得更湿、更可搅拌的玻璃混合物。将玻璃混合物均质化，然后搅拌2至6小时以使玻璃成分至少部分分解。然后再加入玻璃粉末，并使混合物粒化。首先干燥粒状材料，然后使其在约790°C的温度下发泡。如已解释的，发酵可用于生产许多化合物。这些可以是相对简单的化合物如甲烷，但也可以是例如药品生产中具有非常复杂结构的化合物。发酵中所用的生物催化剂如酶或微生物可以是非常具有价值的，无论它们仅可以高成本获得或仅可以以有限量在反应器中提供，这例如取决于微生物的慢生长速率。其中如果仅可困难得到的生物活性分子可以反复使用，可以预期更大益处的另一领域是分离工艺。捕集分子可以用于从溶液中累积特定组分。例如抗体、DNA捕集探针、RNA捕集探针、蛋白质A、抗生物素蛋白、抗生蛋白链菌素或具有组氨酸长链的蛋白质可以用作捕集分子。迄今工艺是使包含感兴趣分子的溶液通过其中固定有合适捕集分子的柱。但是，如果溶液包含例如微生物，则必须预先将其从溶液中分离出。因此，本发明的目的是获得处理有机底物的方法，其使得从经处理的有机底物中回收有用组分成为可能。有用组分可以然后再利用或例如也循环，以例如提高生物反应器中生物活性组分的浓度。该目的利用具有权利要求1特征的方法来实现。根据本发明的方法的有利实施方案是从属权利要求的主题。利用根据本发明的方法，使用特殊的可磁化颗粒载体，该载体由固体泡沫构成，并且其上固定有活性组分。可磁化微粒分布在泡沫的固相中，其中它们被包封在固体泡沫的连续相中。由于可磁化微粒被包封在连续相中，因此防止可磁化微粒腐蚀并由此损失它们的磁性或防止它们例如通过微粒溶解而从可磁化颗粒载体移走。可磁化微粒优选均匀分布在固相中。可以通过载体中所含可磁化材料的量来设定给定磁场施加给载体微粒的力，由此可以影响载体微粒在给定磁场和给定介质中移动的速度。因此可以通过增加载体中可磁化微粒的量来提高可磁化载体的分离速率。通过增加可磁化微粒的量，未发泡的粒状材料的密度增大，因为一般而言由其构成可磁化微粒的可磁化材料的比重高于例如形成载体的连续固相的玻璃或网络形成体的主体相的固体材料的密度。载体在提供于生物反应器内的有机底物中的沉降速度由此增大。但是，该沉降可以被固体泡沫的孔结构抵销。由其构成可磁化载体的固体泡沫至少在载体芯中具有闭合孔结构。没有水或溶剂渗入该闭合孔，结果是它们充当磁性载体在水或其它溶剂中的提升体。载体的密度可以通过孔的孔尺寸或比例以及闭合孔芯的尺寸来设定。因此发泡程度可以控制例如载体沉降、漂浮，或者如果载体具有与水相当的密度，则几乎保持悬浮在水中。活性组分固定在可磁化载体上。活性组分表示可以与有机和/或无机底物相互作用的组分。`相互作用可以由使用固定活性组分与有机和/或无机底物反应构成。在该实施方案中，活性组分可以充当例如底物转化为产物用的催化剂。在转化之后，可以从产物混合物中移出可磁化聚集体，并且在连续操作的工艺中例如将其加入新鲜的底物混合物中。但是，在转化之后，也可以清洗可磁化聚集体并进行调节，以在之后再利用。或者也可以将其储存直至再利用。根据优选的实施方案，生物催化活性体系用作活性组分。生物催化活性体系表示可以影响有机和/或无机底物转化为产物的生物源体系。如果体系是天然形成的或例如在基因工程方法的帮助下由其衍生得到，则体系是生物源的。生物活性体系尤其指活细胞、细胞部分如泡囊以及酶。根据实施方案，活细胞可以是来自细胞培养物的细胞以及微生物。微生物一般指可以优选作为单个细胞或也可以作为多细胞存在的显微意义上小的有机体。根据优选的实施方案，微生物选自古细菌、真细菌、酵母和其它真菌。微生物可以作为纯的培养物、给定的混合培养物或甚至复杂的生物群落使用。微生物可以是天然存在的微生物或是利用已知方法基因处理的微生物或细胞。但是，可磁化聚集体与有机和/或无机底物之间的相互作用也可以例如是在底物与固定于可磁化载体上的活性组分之间优选形成非共价键。在该实施方案中，可磁化聚集体由此可以吸附底物。这使得其中根据本发明的方法用于例如从优选含水混合物中累积底物的实施方案成为可能。根据一个这样的实施方案，活性组分由捕集分子形成。捕集分子表示可以通过至少一个非共价键与优选有机底物结合的分子。非共价键可以通过离子键、偶极相互作用或范德华键形成。小分子如DNA探针，以及更大的生物活性聚集体如抗体可以用作捕集分子。但是，也可以使用包含可以与有机底物形成非共价键的基团的聚合物，如聚乙烯亚胺。由可磁化载体形成的可磁化聚集体和固定于其上的活性组分可以非常充分地分布在液体介质中。因此，它可以非常适合地用在连续工艺中，其中从产物混合物中分离出可磁化聚集体，并任选在中间处理之后将其再返回工艺中。如果活性组分设计为例如作为捕集分子，则可以例如将载体加入其中感兴趣的化合物在生物催化反应中生成的培养介质中。该化合物然后经由捕集分子结合到可磁化聚集体上。可以然后使用磁性分离设备将其上结合有感兴趣的化合物的可磁化聚集体与培养介质分离，并然后再从可磁化聚集体或捕集分子移下化合物，并由此分离。然后可以将贫含感兴趣的化合物的可磁化聚集体放回培养介质中。该方法使得从生物催化反应如发酵中连续分离特定化合物成为可能，而不需要中断工艺或必须预先分离出生物催化剂如微生物。根据以上已进一步说明的实施方案，活性组分形成为生物催化活性体系。在本发明的意义中，生物催化活性体系尤其表示使有机和/或无机底物转化为产物的活细胞、细胞的部分或酶。底物和产物因此在该实施方案中具有不同的结构。例如在使用酶时，底物的转化可以要求存在辅助因子。在使用细胞，尤其是微生物时，可以要求存在例如营养品、痕量元素等。这类体系的状态本身对于本领域技术人员而言是已知的。如果通过活细胞，尤其是通过至少一种微生物形成活性组分或生物催化活性体系，实现特别有利的结果。该至少一种微生物可以属于单种的微生物。但是，若干种的微生物也可以同时作为活性组分。由于载体相比生物工艺中先前使用的可磁化载体相对大，因此它不会仅一体化在微生物黏泥的层中，而是可以被细胞或微生物集群化。在细胞外聚合物质的帮助下，微生物或细胞主动将它们自己附着在载体表面上。微生物可以首先在载体表面上集群化，并且在进一步生长后，集落可以合并成生物膜。由此底物中微生物的密度相对高，结果可以实现高的底物转化率。该情况适用于使用细胞时，例如来自细胞培养物的细胞。在根据本发明的方法中，载体以颗粒形式使用，即以可灌注的粒状材料的形式使用。其上固定有活性组分的颗粒可磁化载体可以均匀分布在底物中，这分别有利地影响转化率和分离率，因为不会发生局部失衡，并且可以避免例如局部酸过多。如果底物包含例如固体成分，不像刚性固体床，在使用颗粒载体时也不存在堵塞的危险。由于固体泡沫结构是至少在载体芯中的闭合孔，该载体是机械稳定的。由于在使用可磁化聚集体的过程中的机械作用，因此载体几乎不会遭受任何磨损，结果是由可磁化载体和固定于其上的活性组分形成的可磁化聚集体可以反复从底物或产物混合物中分离并再使用，而不必接受活性的明显损失。根据一个实施方案，载体的芯占载体总体积的至少50%。关于载体的细节下文进一步解释。因此， 根据本发明，可以获得处理有机和/或无机底物的方法，其中:-在反应室中提供包含有机和/或无机底物的底物混合物；
-向底物混合物中加入可磁化聚集体，其中可磁化聚集体包含可磁化载体和固定于可磁化载体上的活性组分；-利用可磁化聚集体使底物混合物转化为产物混合物；和-利用磁性分离设备将可磁化聚集体与产物混合物分离；其中根据本发明，可磁化载体以颗粒可磁化载体的形式存在，其中颗粒可磁化载体由具有连续相的固体泡沫构成，并且所述连续相包围固体泡沫的孔，其中构成非连续相的可磁化区域布置在连续相中，其中固体泡沫至少在颗粒可磁化载体芯中是闭合的孔。根据本发明的方法原则上可以使用具有反应室的常规反应器进行。反应器可以间歇或可以连续操作。间歇操作表示反应室充满特定量的底物，底物混合物转化为产物混合物，任选从反应室中移出产物混合物，并且处理产物混合物。底物可以在转化开始时全部引入。但是也可以在转化开始时仅引入部分量的底物，并且在一定时间间隔向反应器内再进料部分量的底物(“间歇进料”)。随着发酵进行，底物和产物的浓度随时间变化。如果使用微生物或细胞作为活性组分，它们的浓度也因它们在反应过程中的增殖而变化。关于连续工艺，底物、产物和可磁化聚集体在反应室中建立起接近恒定的浓度。任选在反应器的启动阶段之后将有机底物连续即以连续进料，或半连续即以若干小部分进料到反应室，并且相应量的产物从反应室中排出。因此构成静态平衡，此时底物、产物和可磁化聚集体的浓度仅在窄范围内波动。根据本发明的方法优选连续或半连续的操作模式。操作反应器的方法原则上没有任何限制。例如可以使用釜型反应器，例如搅拌釜反应器，其中反应器的内容物连续或分阶段运动，以使反应器内容物均质化。反应器内容物的运动强度取决于根据本发明方法进行的特定转化形式。如果微生物或活细胞用作可磁化聚集体的活性组分，反应器内容物优选尽可能温和地运动，以防止固定在可磁化载体上的生物膜因剪切力而脱离。反应器的内容物例如一天仅一次运动可以是足够的。但是，也可以使用管 式反应器类型，例如其中底物以柱塞流或湍流通过反应室的管式反应器。反应器可以设置有常规设备。例如可以设置为反应器可以是恒温的，由此提供冷却或加热。可以在反应器上设置可以进料底物或移出产物的入口和出口。可以设置可以使反应器内容物运动并混合的搅拌器。此外，可以设置测量温度、压力或各种其它工艺参数如PH的设备。生物反应器或布置在其内的反应室的设计本身没有限制。特别对于在厌氧条件下发生的反应，例如在沼气生产中，反应室优选设计为封闭的。向反应室提供包含底物的底物混合物。底物混合物可以是溶液。但是，底物混合物也可以设计为悬浮液，其中还有较大的固体成分如植物残体包含在底物混合物中。底物混合物优选包含水作为液相。底物混合物可以包含常规组分，例如缓冲体系、痕量元素、辅助因子或盐。底物混合物的各成分的浓度根据在常规范围内进行的反应来选择。如果底物混合物包含固体，根据实施方案的固体比例按固体干重量并相对于底物混合物重量来计算，设定为小于50wt %，根据又一实施方案小于30wt %，根据又一实施方案小于5wt %。根据一个实施方案，悬浮液的固体含量选择为使得悬浮液的粘度优选如此低以致于可磁化聚集体可以进行有效分离。如果例如酒糟用作底物，由于高粘度，固体含量优选选择为小于3wt%。根据一个实施方案，悬浮液的固体含量大于0.1wt 根据又一实施方案大于Iwt%,根据又一实施方案大于1.5wt%。底物混合物的pH可以根据所进行的反应来设定。如果根据一个实施方案，微生物用于发酵，PH优选选择在中性范围，优选I至10，根据又一实施方案为4至9，根据特别优选的实施方案为6至8。如果选择酶作为生物催化剂，底物混合物的pH根据它们的活度曲线来设定。盐、痕量元素或缓冲剂的浓度同样在通常范围内选择。这同样适用于其中捕集分子用作活性组分的实施方案。底物混合物包含利用可磁化聚集体转化为产物混合物的至少一种有机和/或无机底物。作为底物，根据一个实施方案可以使用通过发酵被可磁化聚集体转化为产物的底物。在该实施方案中，活性组分优选由细胞或微生物构成。在该实施方案中，有机和/或无机底物和产物因此具有不同的结构。原则上，可以选择可发酵的任何底物。合适的有机底物是例如糖，如葡萄糖，或碳水化合物如淀粉或纤维素，脂肪，脂肪酸，甘油，含氮底物如蛋白质、蛋白质水解物、肽、氨基酸或氨基酸混合物。但是，根据所进行的发酵，也可以使用复杂混合物例如有机废料如厩液、浆料、肥料、植物谷壳、青贮饲料、过期的种子或甚至废水或污泥，以及消化物、酒厂残料、乳清、藻类悬浮体、工业有机残料、烹饪残料、过期食品、浮选油脂等作为有机底物。但是，有机和/或无机底物也可以是在根据本发明方法的帮助下从底物混合物如培养介质中分离出的分子，优选生物活性分子。底物分子经由捕集分子结合到可磁化颗粒载体上，而没有化学反应发生。在本方法的该实施方案中，有机底物的结构在转化为产物混合物的过程中保持不变。pH、盐浓度和其它参数适当选择为使得有机底物与可磁化聚集体或捕集分子之间实现强结合。活性组分固定在特定可磁化载体上。固定可以利用常规方法来实现。例如酶或酶复合体或捕集分子可以吸附到载体表面上，或在间隔基团帮助下共价结合到载体表面上。在微生物用作活性组分的情况下，根据 优选实施方案，它们定殖在可磁化载体表面上并在此形成集落或生物膜。根据另一实施方案，微生物也可以在或大或小程度上可生物降解的聚合物如聚己内酯或聚-3-羟基丁酸酯或如藻酸盐/酯等的帮助下通过将它们包封在聚合物基体中而人工固定在可磁化载体的表面上。可磁化载体的表面也可以预先已经化学改性和/或涂覆，以促进酶、微生物或捕集分子的附着。如果微生物或细胞用作可磁化聚集体的活性组分，则可磁化载体可以例如涂覆有营养溶液、痕量元素或还有促进微生物或细胞在可磁化载体上生长的化合物。涂料中也可以包含多种组分。涂料例子是具有与痕量元素组合或与营养品组合的黄原胶涂料。如微生物学已知的常规化合物用作痕量元素或营养品。在非连续、因此间歇的模式中，优选在转化开始时已经将可磁化聚集体加入底物混合物中。如果负载的酶用作生物催化活性体系，则整个量的酶适合以负载形式提供。如果捕集分子用作活性组分，这同样适用。当使用微生物作为活性组分时，也可以将仅部分的所需微生物以负载形式加入底物混合物中。在该实施方案中，底物混合物因此被微生物接种，其中微生物也可以已经以负载形式存在。在发酵过程中，微生物可以增殖并任选还使加入底物混合物中的新鲜可磁化载体集群化。然后以常规方式进行向产物混合物的转化，然后产物混合物任选从反应室中在先移出之后进行处理。关于尤其在使用微生物时优选的连续模式，必须首先达到反应器的操作状态，由此在反应室内建立静态平衡。
根据第一实施方案，利用根据本发明的方法，从底物或产物混合物中连续移出有机和/或无机底物。该移出可以以连续流或逐部分的方式进行。连续移出使得反应器的反应室中的连续工艺成为可能，即在反应室中可以建立其中底物进料到反应室与产物移出反应室的动态平衡，其中反应室的条件保持基本不变。底物混合物可以例如是其中在微生物的帮助下利用生物技术产生特定活性成分的培养介质。根据本发明的方法，活性成分可以是从培养介质移出的有机底物本身。但是，有机底物也可以属于另一组物质，例如对生物技术工艺具有抑制作用的物质(抑制剂)。根据该实施方案，由于例如对培养介质中发生的反应具有抑制作用的组分对细胞生长具有抑制作用，因此可以将其从培养介质中连续移出。在该实施方案中，捕集分子会用作负载的活性组分。捕集分子于是能够结合有机和/或无机底物，结果是 有机和/或无机底物能够在可磁化聚集体的帮助下经由磁性分离设备从底物混合物中移出。在该实施方案中，微生物可以包含在培养介质中，但是基本没有结合到可磁化载体上。微生物和可磁化聚集体可以一起包含在培养物中。但是，其中在可磁化聚集体的帮助下在第一步中将微生物从培养介质中分离出，并在又一步骤中将有机底物从残余介质中分离出的实施方案也是可以的。参照从培养介质中分离有机底物描述从底物混合物中移出有机和/或无机底物，其中在微生物的帮助下在生物技术工艺中产生有机底物。但是，底物也可以已经以其它方式产生。原则上，此处没有限制。有机和/或无机底物原则上也可以已经在化学反应中产生。底物经由捕集分子通过共价键结合到可磁化聚集体上，然后通过磁性分离器将其从底物或产物混合物中分离出。根据另一优选实施方案，可磁化聚集体由可磁化载体和固定于其上的微生物形成。底物转化通过微生物进行。在该实施方案中，可磁化聚集体优选与产物混合物一起从生物反应器中排出，并送入磁性分离设备中。在磁性分离设备中，可磁化聚集体然后从产物混合物中分离出，并可以任选返回到反应器。一般而言，在根据本发明的方法中，反应室充满底物混合物，有机和/或无机底物被可磁化聚集体转化为产物混合物，直至已建立反应平衡。该平衡可以是静态的，或者也可以是动态平衡。其它反应组分如营养品可以任选在转化过程中加入。在反应开始时，因此在第一次或再一次向反应器中进料有机和/或无机底物时，可磁化聚集体可以已经加入底物混合物中。这例如在酶发酵中优选，其中在发酵开始时负载的酶已经加入底物混合物中。如果利用根据本发明的方法要将有机底物从产物混合物中分离出，该实施方案也是优选的，因此可磁化聚集体包括可磁化载体和固定在其上的捕集分子。如果微生物用作生物催化剂，它们可以以其中相关微生物已经使载体集群化或已经人工固定在载体上的形式加入。这可以例如通过包封式固定微生物来进行。微生物被包封在沉积于磁性载体表面上的聚合物层中。根据一个实施方案，聚合物用于固定微生物。根据另一实施方案，至少两种聚合物的混合物用于固定微生物。一种聚合物可以容易地被微生物分解。在集群化阶段，该聚合物还充当微生物的营养品。相对于聚合物混合物的总重量，其在聚合物混合物中的比例优选在10至4(^丨％的范围内选择。合适的聚合物例如是聚-3-羟基-丁酸酯。第二聚合物几乎不可生物降解。它首要作为框架物质。其比例优选选择为相对于聚合物混合物总重量的60至90wt%。合适的几乎不可生物降解的聚合物例如是聚己内酯。但是，根据另一实施方案，工艺是将可磁化载体加入底物混合物中而没有预先被微生物集群化，并且底物混合物被相关微生物或相关微生物的混合物接种。为此，微生物可以在启动阶段例如以来自其它发酵单元的液体或固体接种材料的形式加入。在启动阶段期间，微生物增殖，其中加入底物混合物中的可磁化载体被微生物集群化，结果根据本发明形成可磁化聚集体。任选在启动阶段期间，可以加入新鲜的有机底物，并且将用过的底物或任选的已经形成的产物混合物从反应室中移出。在启动阶段期间，定期监测合适的工艺参数如pH、温度、底物浓度、中间物浓度、终产物浓度或可磁化载体被微生物集群化的程度，以监测发酵稳定性。如果可获得足量的微生物并且在反应室内已经建立静态平衡，则生物反应器已经达到操作态。在连续操作模式中，连续或按时间间隔加入新鲜的有机底物并从反应室中排出用过的底物，即产物混合物。一旦在反应器的连续操作模式中已经建立操作态，经负载的生物催化活性体系，尤其是至少一种微生物上的底物混合物连续转化为产物混合物。为此，将新鲜的底物混合物连续进料到反应室中，并从反应室中移出相应量的产物混合物。产物混合物可以然后进一步处理产物混合物可以包含固体、液体或也包含气体组分。产物混合物可以例如是其中已累积产物的溶液或悬浮液。但是，根据一个实施方案，产物混合物也可以由溶液或悬浮液以及气体组分组成。收集气体组分，并将其定期排出反应室。液体和固体组分可以任选单独经由单独的出口从反应室排出。在该实施方案中，液体或固体组分可以例如在沼气生产过程中形成消化物，同时得到气体组分如含甲烷气体作为另外的产物组分。在产物混合物的处理过程中，通过磁性分离设备从产物混合物中分离根据本发明的可磁化聚集体。所有本身已知的磁性分离设备都可以用作磁性分离设备。例如可以固定或可移动地布置在分离设备中或分离设备处的永磁体是适合的。但是，类似地，例如也可以使用电磁体。固定磁体在分离设备的特定位置收集可磁化聚集体，而可移动布置的磁性分离设备可以将分离后的可磁化聚集体输送到例如特定位置，并在此收集它。为此，例如永磁体可以沿分离管的外壁移动。一旦可磁化聚集体在磁性分离设备的帮助下已经与产物混合物分离，可以例如通过关闭磁性分离设备来收集它，结果可磁化聚集体例如又从磁性分离设备的壁上脱离，并例如可以对其进行清洗和收集。磁性分离设备可以例如作为封闭的棒状磁体布置在反应室本身内。但是，也可以在反应室外部设置分离设备，并将产物混合物如消化物从反应室转移到磁性分离设备内。磁性分离设备优选位于反应器的出口。经验表明在通过磁性分离器时并非所有的可磁化聚集体都从产物混合物中移出，结果必须接受损失。特别在起动工艺时，仅可弱磁化的可磁化聚集体没有被磁性分离器从产物混合物中分离。这可以是例 如因为可磁化载体的颗粒太小，结果在产物混合物的给定粘度下并且给定产物流过磁性分离器时，它们没有被磁性分离器检测到。因此在转化启动过程中，可以在可磁化载体或聚集体内进行选择，结果载体的尺寸分布相比初始态有变化。在根据本发明的方法中，使用活性组分固定在其上的特殊载体，以根据本发明形成可磁化聚集体。通过使用颗粒载体，可磁化聚集体可以均匀分布在底物混合物中。这使得能够高效执行本方法，因为例如有机底物的发酵可以在整个反应室内均一发生。微粒载体由固体泡沫制成。固体泡沫使得载体具有高的机械稳定性，结果它还可以耐受例如如果根据本发明的方法用于生产沼气时出现的更高机械载荷。至少在载体芯中，固体泡沫具有闭合孔结构。如果将可磁化载体引入液体，特别是含水介质内，该填充有气体的闭合孔为可磁化载体提供浮力。由于由闭合孔泡沫制成的芯，颗粒载体可以设计得相对大，但可磁化载体并不具有高比重，因此也不具有高的沉降速率。根据一个实施方案可磁化载体的直径高达10mm，根据另一实施方案直径高达5mm,根据另一实施方案直径高达2_。可磁化载体的尺寸可以根据常规方法设定，例如筛选或空气分离。为了能够充分操控可磁化载体，特别是使其在技术上可用的处理时间内再从工艺混合物中分离，已证实如果载体直径选择为大于50 μ m，根据另一实施方案大于ΙΟΟμπι是有利的。特别地，如果微生物用作生物活性组分，可磁化载体的直径优选选择为至少如此大使得微生物可以在载体上生长。根据一个实施方案，可磁化载体的直径至少150 μ m，根据另一实施方案至少200 μ m。可磁化载体的尺寸可以例如通过筛选来确定。如果根据本发明的方法用于利用可磁化聚集体通过吸附从底物混合物中分离有机和/或无机底物，则优选可磁化载体具有相对小的直径，因为由此产生高的表面积，活性组分以捕集分子的形式提供在其上，而捕集分子进而可以与底物形成非共价键，以使底物结合到可磁化聚集体上。在该实施方案中，可磁化载体的平均直径D5tl优选选择为小于500 μ m，根据另一实施方案小于300 μ m。为了有效地将可磁化聚集体与底物或产物混合物分离，可磁化载体的直径优选选择为大于0.5 μ m，根据一个实施方案大于I μ m。根据一个实施方案，载体直径小于2mm,根据另一实施方案小于1_。微粒载体可以具有球形形状。但是，也可以使载体具有不同的几何形状，例如不规则形状的三维体。`载体在至少在其芯内的固体泡沫中具有闭合孔。载体密度可以通过可磁化载体总体积中闭合孔的比例来设定，尤其是降低。因此不必如现有技术已知的方法那样选择小尺寸的可磁化微粒，以终止或至少放缓载体沉降。由于闭合孔，载体密度在其用在发酵过程中可以因水进入而至多略微增加。可磁化载体的密度优选选择为0.8至1.2g/ml。可磁化载体的微粒堆密度可以根据DIN V18004,5.3(EN1097-6:2000)来确定。孔尺寸原则上可以根据需要选择。优选孔尺寸选择为使得其上固定有生物催化剂的载体不会在底物混合物中表现出明显的沉降或漂浮的趋势，并且确保载体的机械稳定性。载体可以在其整个体积内具有闭合孔泡沫结构。在该情况下，可磁化载体的外表面上具有带有基本连续的外壳的相对光滑的结构。但是，根据另一实施方案，可磁化载体仅在其芯内或仅在其体积的一部分内具有闭合孔结构。因此，在可磁化载体内部，芯形成其中固体泡沫具有闭合孔结构的部分。由于泡沫结构，尽管可磁化载体的重量低，但它具有高的机械稳定性。载体还耐受例如当底物混合物移动时或在磁力分离过程中通过剪切力作用到载体上的机械应力。因此载体可以在工艺中长时间使用而基本没有出现磨损。为了保持可磁化聚集体返回到反应室的连续过程，仅补充底物混合物中因不完全的磁性分离而不可避免损失的部分载体或可磁化聚集体是足够的。载体的固体泡沫包括连续相。连续相优选由网络形成体形成。所有可以形成连续结构的化合物都可以用作网络形成体。这种分子是例如有机或无机聚合物。有机聚合物的例子是聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯和聚甲醛。该列举仅作为例子给出，而非排他性的。无机网络形成体的例子是玻璃。网络形成体在进行发酵的条件下稳定。优选地，它在底物混合物中所包括的液相中，尤其在水中表现出不可溶性。根据一个实施方案，形成非连续相的可磁化区域布置在连续相中。该可磁化区域可以例如由布置在连续相中的可磁化微粒形成。该可磁化区域优选被连续相包围，结果可磁化区域布置在连续相内。由此可以防止可磁化区域受腐蚀工艺的影响并例如溶出。载体优选不会与底物混合物或活性组分相互作用，例如如果本方法用于发酵并且通过微生物或酶形成活性组分，这对本方法具有负面影响。可磁化区域或可磁化微粒优选均匀分布在网络形成体的连续相中。可磁化区域的范围优选选择为是小的。根据一个实施方案，可磁化区域的直径小于500 Pm。根据一个实施方案，可磁化区域的直径处于IOOnm至400 u m,根据另一实施方案处于200nm至100 u m。在实际应用中，已证实如果磁性微粒的尺寸选择为0.3至25 ii m是有利的。可磁化区域也可以由优选具有超顺磁性的纳米微粒形成。根据一个实施方案，可磁化区域的直径处于Inm至500 u m,优选Inm至100 y m的范围内。为了具有超顺磁性,可磁化微粒的尺寸优选选择为I至10nm。可磁化区域的粒径可以在碾磨起始原料后适当确定。在熔合进网络形成体特别是玻璃内之后，可磁化微粒的直径仅能非常困难地确定。大量可磁化微粒可以通过将可磁化区域均匀分布在颗粒载体中而提供在载体中。因此，在预定磁场强度下，可以在磁性分离器中将较大的力施加给颗粒载体，结果所负载的生物催化剂或一般而言可磁化聚集体可以更快速分离出，因此更完全地与产物混合物分离。
可以通过其在固体泡沫的连续相中形成可磁化区域的可磁化微粒的比例相对于载体重量优选选择为8至40wt %，根据另一实施方案为15至30wt %，根据另一实施方案为18至25wt%。连续相,优选网络形成体,特别是玻璃相的比例优选选择为92至60wt%,根据另一实施方案为85至70wt%，根据另一实施方案为82至75wt%。该百分比比例涉及颗粒载体的重量，并且基本对应于可磁化微粒的比例和载体制备中所用的连续相的材料。提供在底物混合物中的可磁化聚集体的量根据进行本发明方法的条件选择。相对于干有机底物的重量，根据一个实施方案可磁化聚集体的量选择为I至70wt%，根据另一实施方案为I至20Wt%，根据另一实施方案为2至5wt%。如已解释的，从产物混合物中分离可磁化聚集体可以已经在反应室中进行。该方法可以用在例如非连续方法中，例如间歇发酵中。关于此，例如可以将磁性分离设备，例如封闭的棒状磁体浸入产物混合物内。一旦可磁化聚集体已经收集在磁性分离设备上，再从产物混合物中移出粘附有可磁化聚集体的分离设备。但是，根据优选实施方案，将产物混合物从反应室转移到磁性分离设备内，然后在磁性分离设备中将可磁化聚集体从产物混合物中分离出。如果该方法以连续操作模式进行，这种实施方案特别有利。将特定量的产物混合物从反应室排出，并送入磁性分离设备。排出可以部分或以恒定产物流进行。例如产物混合物通过其的管可以提供为磁性分离设备。例如可磁化聚集体累积在其上的棒状磁体可以提供在管内。但是，也可以将磁体布置在管的外壁上，结果可磁化聚集体沉淀在磁性分离设备的内壁上。磁性分离设备的形状和所用磁体的强度选择为使得实现尽可能高的可磁化聚集体的分离速率。在磁性分离设备中分离出产物混合物中所含的可磁化聚集体的根据一个实施方案大于60wt%,根据另一实施方案大于80wt%,根据另一实施方案大于90wt%,根据另一实施方案大于98wt%。该百分比对应于单程通过磁性分离设备的底物。当工业级进行该方法时，难以实现可磁化聚集体或负载的生物催化剂的完全分离。在通过磁性分离设备后，产物混合物中初始所含的可磁化聚集体的优选小于Iwt%，根据另一实施方案小于0.5wt%，根据另一实施方案小于0.lwt%在排出后保留在产物混合物中。从产物混合物中分离出的可磁化聚集体可以回收，并任选用在另一方法中，例如其它发酵中。根据优选的实施方案，从产物混合物中分离出的可磁化聚集体返回到反应室。以此方式，特别对于连续发酵，反应器的反应室中可以增加固定量的生物催化活性体系，特别是微生物。反应器载荷，即有机底物的处理量，以及因此产物产率都可以由此增加。如果非常缓慢生长的微生物用作可磁化聚集体的活性组分，这特别有利。根据一个实施方案，用作生物活性组分的微生物的世代时间长于8小时，根据另一实施方案长于24小时。世代时间表示细胞在最佳生长条件下分裂一次，即细胞数量翻倍的时间段。世代时间主要取决于反应条件，并且在不利条件下可以增大。快速生长的微生物如埃希氏大肠杆菌(E.coli)的世代时间在最佳生长条件下仅为20分钟。缓慢生长的微生物如某些硝化菌的世代时间在最佳生长条件下为8至24小时。在非最佳条件下，例如在废水净化厂冬天的温度下，它们的世代时间可以增加到长于18天。非常缓慢生长的微生物如大多数甲烷气细菌或所谓的厌氧氨氧化细菌可以具有甚至更长的世代时间。因此例如甲烧气细菌甲烧袋状菌属(Methan osaetasp.)的世代时间即使在最佳生长条件下仍为I至3天。在亚最佳条件下，该世代时间可以增加至20天或甚至更长。所有可得的方法都可以用于将分离出的可磁化聚集体返回到反应室。该返回可以通过例如首先收集特定量的可磁化聚集体，然后使其返回反应室来连续或分部分地进行。返回可以自动化。但是也可以人工进行返回。根据本发明方法的优点在利用缓慢生长微生物的发酵中尤其明显。根据优选的实施方案，微生物用作可磁化聚集体的活性组分。微生物优选以可磁化载体上的生物膜形式提供。在反应器的启动阶段，生物膜形成在载体上。在起动反应器时，首先可磁化载体的集群化通过微生物发生，而微生物然后通过进一步生长形成各个集落，这些集落然后随着工艺持续可以合并并可以在载体上形成连续的生物膜。由于微生物的高密度，尤其如果生物膜布置在颗粒载体上，它们是非常有效的发酵用生物催化剂。在根据本发明的方法中，使用特殊的可磁化载体，至少它的芯部由闭合孔固体泡沫构成。如已解释的，原则上所有能够形成连续、优选玻璃型网络结构的材料都可以用作固体泡沫的连续相。由于它们高的机械稳定性和原料通常容易获得，优选颗粒载体的连续相由无机材料形成。在此，进而特别优选无机材料是玻璃，尤其是硅酸盐玻璃。玻璃可以以不同组成和品质得到。但是，由于例如发酵中通常不存在激烈的反应条件，因此可以使用例如具有高含量的碱金属，尤其是钠的合适玻璃。这种玻璃也称作苏打玻璃，并且例如用于制造玻璃容器和平板玻璃。根据一个实施方案，特别地，载体可以包含由回收玻璃形成的连续玻璃相。除了常规成分如SiO2、Na2O、K2OXaO以外，例如经由回收玻璃引入的其它成分也可以因此包含在玻璃中。组分例子有B203、Al2O3或铁和镁的氧化物。相对于玻璃相，这些其它成分优选以小于10wt%的比例，根据另一实施方案以小于8wt%的比例包含在连续相中。在根据本发明的方法中，通过磁性分离设备将可磁化聚集体从产物混合物中分离出。为了使得工艺适合商用方法，该分离应该能够在适当的短时间段内进行。为此，磁性分离设备应该能够对载体施加足够高的力，而载体能够在产物混合物中以足够高的速度输送到所需位置。根据一个实施方案，颗粒载体的质量磁化率为5X 10_9至3.7X 10_7m3/kg。为了在不影响外磁场下的条件下避免可磁化聚集体结块，优选在关闭外磁场之后仅表现出低残余磁性的材料用于可磁化区域。残余磁性可以从所谓的磁化曲线上读取。材料暴露于外磁场中，并且本身被或大或小程度地磁化。通过降低磁场强度，从饱和磁场强度开始直至0值，残余磁化保持。这测量为毫特斯拉(mT)。如果将与原磁场呈相反极性的磁力以磁场强度He (矫顽磁场强度)施加给材料，残余磁性于是完全消失。根据第一实施方案，颗粒可磁化载体中的可磁化区域由超顺磁性物质形成。在关闭外磁场之后，超顺磁性物质不再表现出任何残余磁性。合适的超顺磁性物质例如是纳米微粒形式的磁铁矿。根据另一实施方案，可磁化区域由亚铁磁性材料形成。在关闭外磁场之后，亚铁磁性材料仅表现出低的残余磁性。合 适的亚铁磁性材料例如是铁素体、铁氧体和磁赤铁矿。如果缓慢生长的微生物用作可磁化聚集体的活性组分，根据本发明的方法尤其表现出其优点。由于热力学原因，厌氧微生物仅表现出相对慢的生长。根据一个实施方案，可磁化聚集体的活性组分因此由一种微生物的纯培养物形成，由若干种微生物的给定混合培养物形成，或由厌氧生长微生物的混合生物群落形成。根据一个实施方案，包含厌氧生长微生物作为活性组分的可磁化聚集体上的底物混合物于是在厌氧条件下转化为产物混合物。如果分离出的可磁化聚集体(其中活性组分由至少一种厌氧生长的微生物形成)返回反应室，则能实现特别好的结果，即高的产物产率和高的底物处理量，因为以此方式可以显著增加厌氧微生物的静态浓度。根据优选的实施方案，微生物是产甲烷细菌。产甲烷细菌的例子有甲烷鬓毛菌属(Methanosaeta concilii)、巴氏甲烧八叠球菌(Methanosarcina barkeri)、Methanosphaera stadtmanae、反会兽甲烧短杆菌(Methanobrevibacterruminantium)、甲酸甲烧杆菌(Methanobacterium formicicum)、Methanococcusvoltae 以及Methanoculleuspalmoleio该列举不应认为是排他性的。产甲烷细菌用于例如生产沼气。根据特别优选的实施方案，根据本发明的方法因此形成为作为生产沼气的方法。如果根据本发明的方法用于生产沼气，本身已知的反应器可以用于生产沼气，其中这些反应器设置有磁性分离设备，通过它固定在可磁化载体上的微生物可以从消化物中移出。合适发酵罐在例如DE 10 2005 024 886 B3或WO 2007/093138A2中有描述。
常规材料如生物废料、园林废料、工业废料、食品废料、农业废料、厨房废料、有机废料或可再生原料以及类似材料可以用作有机底物。底物混合物可以具有高的水含量。根据一个实施方案，底物混合物的水含量选择为50至99wt %，根据另一实施方案选择为60至95wt%。有机底物在反应室中的停留时间取决于所用有机底物的类型和发酵罐中的反应条件，并且可以为几个小时如2小时至若干天如长达40天，在某些情况下还长达若干个月如长达3个月。如果本方法开发用作例如生产沼气的方法，根据一个实施方案，有机底物在反应室中的停留时间可以选择为3至28天。反应室中有机底物的处理量根据一个实施方案设定为I至IOkg干有机物质/m3天。有机底物的处理量原则上仅受装置的特定条件限制，结果更高的处理量也是可以的。本方法可以在单个反应器中进行。但是，也可以将若干个反应器串联连接，并以若干阶段操作本方法。于是本方法的不同阶段可以 优化至特定参数。由此，在沼气生产中，其中在第一反应阶段分解有机底物，然后在第二阶段使分解的有机底物发酵(其中产生沼气)的实施方案是可能的。沼气生产过程中产生的发酵气体主要包含二氧化碳、甲烷、氢和硫化氢。氧气如果进入反应室则被快速消耗。如果根据本发明的方法设计为生产沼气的发酵方法，反应室中的工艺温度根据一个实施方案选择为30至70°C，根据另一实施方案选择为35至42°C或50至65°C。嗜温或嗜热产甲烷细菌在这些范围内具有它们优选的范围。反应室中的pH局部可以为3.5至8.5。为了实现高的甲烷形成速率，有利的是在沼气生产过程中在反应室内设定中性pH。反应室中底物混合物的pH优选设定为6.5至8.0。沼气生产中所用有机底物的C/N比根据一个实施方案选择为大于20: 1，根据一个实施方案选择为大于30:1,根据另一实施方案选择为大于40:1。可以利用常规设备将有机底物引入反应室内。例如，可以利用液体不透过的输送机将有机底物引入反应室内。例如，可以利用液体不透过的螺旋输送机将有机底物从底物储器经通道弓丨入反应室内。但是，也可以利用非液体不透过的输送装置进料有机底物。为了能够在沼气生产情况下尽可能完全地从消化物形成的产物混合物中分离可磁化聚集体，优选产物混合物具有高的水含量。这使得可磁化聚集体在产物混合物中能够具有足够的迁移性并因此快速分离。产物混合物的水含量优选大于50wt%，根据一个实施方案水含量为70至99wt%。从反应室排出的产物混合物可以任选被水稀释。可以利用常规方法和设备从反应室排出产物混合物。合适设备为例如液体不透过的螺旋输送机。在分离可磁化聚集体之后，可以压制剩余的产物混合物，并且可以将液相完全或部分再返回反应室。由此可以进一步增加微生物的静态浓度。在沼气生产过程中形成的发酵气体可以在反应室顶部排出。然后可以按常规方式处理沼气，例如分离出硫化合物。为了促进有机底物分解，例如可以向底物混合物中加入酶。酶的例子是纤维素酶、半纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶和/或淀粉酶。在沼气生产过程中，优选使用低成本的材料。例如可以使用白垩类或铵基缓冲剂作为氧缓冲剂。可以向底物混合物中加入镍、钴、钥、硒和/或钨作为痕量元素。甲烷细菌尤其高
度需要痕量元素。根据本发明方法中所用的可磁化聚集体可以用在各种应用中。如上述，它可以用于固定生物催化活性体系例如酶或微生物，例如细菌种、真菌种或细胞培养物细胞的单培养物、限定的混合培养物或混合生物群落。但是，也可以使用可磁化聚集体，例如从其中所涉化合物被活性组分吸附在可磁化聚集体上的混合物中分离出特定物质。这可以是直接吸附或间接结合。可磁化颗粒载体可以已预先涂覆有例如下面物质作为活性组分:抗生物素蛋白、抗生蛋白链菌素、蛋白质A、免疫球蛋白(IgG)，或微粒表面可以先前已被-NH2或-COOH基团改性。同样，基因探针或其它捕集分子可以附着到微粒表面上。因此本发明的主题还是可磁化聚集体，其包含由具有连续相的固体泡沫制成的颗粒可磁化载体，该连续相优选由网络形成体构成并且包围固体泡沫的孔，其中可磁化区域布置在连续相中，其中泡沫是至少在可磁化载体芯中的闭合孔，其中还有至少一种活性组分固定在颗粒可磁化载体的表面上。颗粒可磁化载体的性质和结构如上已经部分在本方法描述的部分描述过。颗粒可磁化载体由固体泡沫构成，其中固体泡沫的孔被连续相包围。连续相优选由网络形成体形成。网络形成体优选由玻璃，尤其是硅酸盐玻璃提供。例如，石英玻璃、硼玻璃或含氧化铝的玻璃可以用作玻璃。但是，尤其对于用在生物技术体系中，例如上述发酵，可以使用相对低成本的玻璃如苏打玻璃或碎回收玻璃。玻璃优选包含二氧化硅作为其主要成分。玻璃例子的组成是68.5至75wt.-%的Si02、10至14wt.-%的Na20、6至Ilwt.-%的CaO0作为其它成分，它可以包含例如1.5至3wt.的Al2O3、至多2.5wt.的K20、0.5至4wt.的MgO以及至多3wt.的BaO。可以例如通过回收玻璃作为杂质引入的其它成分根据一个实施方案包含的比例 小于2wt._%，根据另一实施方案包含的比例小于Iwt.-%。这种杂质例如是铁氧化物或钛氧化物。玻璃或连续相在颗粒可磁化载体上的比例优选选择为70至85wt.-%。由其形成颗粒载体的可磁化区域的可磁化微粒的比例优选选择为15至30wt.-% o可磁化载体具有由闭合孔泡沫制成的芯。该芯优选占可磁化载体总体积的至少一半，根据另一实施方案至少2/3。该芯可以中心布置在可磁化载体的中心。但是，芯的中心相对于可磁化载体的中心有偏移也是可以的。根据一个实施方案，颗粒载体在其表面上具有连续外壳，结果布置在颗粒载体内部的孔被密封。颗粒载体优选具有低的吸水能力。颗粒载体的吸水能力根据DIN EN13055/DINV180045.3和EN1097-6:2000确定为优选0至50wt.-%，根据一个实施方案小于35wt.根据另一实施方案小于IOwt.-%。根据一个实施方案，根据本发明的颗粒载体以大致的球形微粒形式存在。可磁化载体的直径细节上文已经给出。根据另一实施方案，作为平均粒径测量的载体直径为0.5 ii m至5mm,根据一个实施方案为100 y m至2mm。平均粒径表示体积相关的粒径D5tl,其中50%微粒具有大于D5tl的直径，而50%微粒具有小于D5tl的直径。平均粒径D5tl可以例如通过筛选分析来确定。例如DIN 66165-1和-2中给出了合适的方法。或者平均粒径可以通过激光衍射来测量。ISO 13320:2009中描述了合适的方法。颗粒载体的至少部分优选具有不规则成型的表面。这使得微生物更容易生长在颗粒可磁化载体的表面上。这种不规则的表面可以例如通过在发泡后仔细碾磨颗粒载体来产生，结果发泡的可磁化载体被破碎。于是在破碎表面上获得破碎的开孔。在这种实施方案中，颗粒可磁化载体表面的至少部分具有尖锐边缘的脊以及由破碎开孔造成的凹陷。这种结构可以例如在反射光显微镜或扫描电子显微镜的帮助下确定。根据本发明可磁化聚集体中所含的颗粒可磁化载体的堆密度优选100至IOOOkg/m3，根据一个实施方案堆密度为200至800kg/m3，根据另一实施方案堆密度为300至600kg/m3。堆密度可以根据DIN EN 13055-1来确定。根据另一优选的实施方案，颗粒载体的微粒堆密度小于2000kg/m3，优选微粒堆密度为300至1500kg/m3，根据另一实施方案微粒堆密度为600至1000kg/m3。微粒堆密度是干的颗粒可磁化载体的质量与被水饱和的颗粒载体的体积的商。它根据DIN EN13055-1和DIN V18004,5.2 来确定。如果微粒堆密度设定在该范围，其上任选提供有固定于其上的生物膜的颗粒可磁化载体的沉降或漂浮可以有利地进行有效抑制。根据一个实施方案，根据本发明的载体的转变温度低于800°C，特别为500至7500C。转变温度是玻璃在冷却过程中从塑性转变为刚性态的温度。小的优选主要是结晶的可磁化材料微粒包封在颗粒可磁化载体的优选由网络形成体形成的连续相中，特别是玻璃相 中。可磁化微粒的直径优选小于500 μ m,根据一个实施方案直径为Inm至400 μ m,根据另一实施方案直径为IOnm至100 μ m。可磁化微粒优选均匀分布在固体泡沫的连续相中。根据另一实施方案，使用非常小的可磁化材料的微粒。使用直径小于500nm，根据一个实施方案小于IOOnm,根据另一实施方案小于IOnm的非常小的微粒还使得可以制备例如超顺磁性微粒。根据一个实施方案，纳米微粒用于提供可磁化范围。在该实施方案中，用于可磁化范围的微粒的粒径优选Inm至10nm。粒径的细节涉及平均粒径D5(i。原则上，粒径分布的宽度对可磁化载体或可磁化聚集体的性质没有明显影响。粒径分布优选设定为使得可磁化微粒完全被可磁化载体的连续相包围。在较大微粒(> 100 μ m)的情况下，可以例如通过筛选分析确定粒径分布。在较小微粒的情况下，可以通过激光衍射测量平均粒径。为了确定粒径，假定可磁化微粒的粒径在粒状材料的发泡过程中不再变化。可磁化材料的微粒优选完全被包封在连续相中，结果可磁化微粒的腐蚀以及可磁化微粒与周围介质如生物膜之间的相互作用得到抑制。根据一个实施方案，超顺磁性金属氧化物或亚铁磁性金属氧化物用作可磁化材料。用于可磁化微粒的合适材料例如是磁铁矿、磁赤铁矿和铁氧体。在外磁场关闭后保持其磁化的亚铁磁性材料是硬磁性材料。在原子水平上，亚铁磁性的特征在于2个不同尺寸的相反磁矢量，它们源自这些氧化物材料的尖晶石结构。磁铁矿(Fe3O4)和Y-Fe2O3都是亚铁磁性材料。可以通过尖晶石结构和氧化物化学将它们与铁磁性材料区别开。
软的亚铁磁性材料特别优选用于制备颗粒可磁化载体，这是因为它们在磁场关闭之后大幅损失其磁化，因此不会形成结块。根据另一实施方案，使用磨至纳米级的超顺磁性材料如Y-Fe2O315超顺磁性材料没有表现出进一步的磁滞。根据本发明，活性组分固定在颗粒可磁化载体上。活性组分的意义上文已经解释过。根据优选的实施方案，活性组分是生物催化活性体系。这种生物催化活性体系可以例如是酶、微生物或细胞培养物细胞，或可以由细胞成分如泡囊形成。合适微生物可以是例如真细菌、古细菌或真菌。每种情况下微生物都可以作为单培养物、限定的混合培养物或混合生物群落提供。它们也可以是细胞培养物细胞。根据特别优选的实施方案，微生物处于固定在颗粒可磁化载体材料上的生物膜的形式。生物膜特别优选包含若干微生物种。根据另一实施方案，捕集分子可以布置在可磁化载体的表面上作为可磁化聚集体的活性组分。捕集分子表示可以选择性吸附其它化合物的化合物，其例如具有特定结构的基团。捕集分子可以是具有相对低分子量的化合物，优选分子量小于lOOOOOg/mol，根据另一实施方案小于10000g/mol,根据另一实施方案小于5000g/mol,根据另一实施方案小于lOOOg/mol。具有相对低分子量的捕集分子的例子例如是DNA探针或RNA探针。但是，具有较高分子量的化合物或聚集体也可以用作捕集分子。例如合适的有具有可形成离子键或偶极键的基团的聚合物分子。聚乙烯亚胺是该聚合物的例子。但是，有较高分子量的肽或蛋白质也可以用作捕集分子，例如已通过常规方法制备对抗特定抗原的抗体。捕集分子与所吸附的有机和/或无机底物之间的结合可以例如由离子或偶极相互作用得到。为此，可以形成离子键或偶极键的合适亲和基团可以提供在捕集分子上。氨基、羟基、羧基、脲基或杂芳基是亲和基团的例子。下面例如是适合作为捕集分子的:DNA捕集探针、RNA捕集探针、抗体(IgG)、蛋白质A、抗生物素蛋白、抗生蛋白链菌素或具有组氨酸长链的蛋白质。使捕集分子适合吸附例如DNA、RNA、氨基酸、肽、蛋白质、碳水化合物、脂肪或具有复杂结构的物质如脂蛋白。这类化合物根据本发明于是可以被可磁化聚集体例如从生物液体中累积。同样，表面经合适捕集分子改性的可磁化载体可以用于从生物技术产生的产物混合物中选择性分离特定化合物，如蛋白质、肽、抗体、药学活性物质、特异性靶DNA分子、特异性靶RNA分子、信令物质、荷尔蒙、生长因子等。根据另一方面，本发明涉及制备这种可磁化聚集体的方法，其中将网络形成体、可磁化材料和发泡剂加工以形成粒状材料，使该粒状材料发泡以形成颗粒可磁化载体，并将活性组分固定在颗粒可磁化载体上。颗粒可磁化载体根据如已知用于制备泡沫玻璃粒状材料的方法来制备。基本上制备颗粒可磁化载体遵循如公开的文献DE 10 2004 012 598 AU EP 2022 768 A2和WO2006/092153 Al中所述的方法，其中另外引入可磁化微粒。
出乎意料地，已表明不管粒状材料发泡过程中主要的温度以及工艺步骤如起始产物的碾磨，可磁化材料的磁性保持，结果即使在发泡后，颗粒载体仍具有磁性并且例如在磁场中被吸引。网络形成体，尤其是玻璃粉末，以及可磁化材料如磁性颜料以粉末形式存在，并且优选用作起始材料。当例如玻璃粉末用作网络形成体时，玻璃粉末或可磁化材料可以相应细磨。这些组分可以单独或一起碾磨。在碾磨之后，玻璃粉末和任选的可磁化材料的平均粒径D5tl优选小于500 μ m,根据一个实施方案直径为Inm至400 μ m,根据另一实施方案直径为 IOnm 至 100 μ m。优选地，至少部分的玻璃粉末是湿磨的。可磁化材料可以干磨或湿磨。这使得可以获得非常小的粒径。在碾磨之后，玻璃粉末和可磁化材料的微粒的平均直径D5tl优选Inm至200 μ m,根据一个实施方 案为IOnm至100 μ m。玻璃粉末和可磁化材料可以一起或单独碾磨。优选将任选添加有可磁化材料的玻璃湿磨几个小时。全部量的玻璃或仅一定比例的玻璃可以细磨。如果仅部分玻璃细磨，则在粒化之前将经细磨的玻璃粉末与更粗磨的玻璃粉末混合。通过湿磨破碎玻璃表面，这使得发泡的粒状材料的更好机械附着成为可能。湿磨优选进行至少3小时，优选4至8小时。在湿磨之前可以已经将可磁化材料加入玻璃粉末中。但是，也可以首先预先将玻璃粉末磨至特定粒径，然后加入任选同样经预先碾磨的可磁化材料，然后将该混合物进一步碾磨至所需细度。根据本方法的实施方案，可以在湿磨过程中向玻璃粉末中加入水玻璃。玻璃粉末的表面由此进一步部分溶解，结果玻璃微粒能更好地粘合，由此粒状材料的机械稳定性得到增加。相对于玻璃粉末和可磁化材料的混合物的重量，玻璃粉末和可磁化材料优选以60至90wt%玻璃粉末和10至40被％可磁化材料的比例使用，根据另一实施方案以70至85wt%玻璃粉末和15至30被％可磁化材料的比例使用，根据另一实施方案以75至82wt%玻璃粉末和18至25wt %可磁化材料的比例使用。优选将发泡剂以及任选的粘结剂加入玻璃粉末和可磁化材料的混合物中。合适的发泡剂例如为糖、二氧化锰、苏打、硝酸钠或氮化硅。发泡剂的量根据所需发泡程度来选择。无机粘结剂如水玻璃和/或有机粘结剂如糖或树脂可以用作粘结剂。未经发泡的粒状材料的机械稳定性可以通过粘结剂提高。然后，任选在加入粗磨玻璃粉末之后，利用常规方法将该混合物加工成粒状材料。关于此，例如可以在搅拌器或盘式造粒机中使混合物粒化。但是，也可以在喷雾干燥器中加工该混合物以形成细的粒状材料，然后例如在加入水玻璃下加工粒状材料，以形成更粗的粒状材料。任选进一步干燥粒状材料，然后进行发泡。发泡优选在低于1000°C的温度下，根据一个实施方案在低于900°C的温度下，根据另一实施方案在550°C至800°C的温度下进行。可以利用常规方法使粒状材料发泡。优选在旋转窑中使粒状材料发泡。为了防止粒状材料在发泡过程中结块，可以任选预先用合适的隔离剂如滑石层将未发泡的粒状材料粉末化。根据一个实施方案，发泡持续时间选择为5分钟至45分钟。粒状材料的发泡优选以使得颗粒可磁化载体的密度小于1.2，优选0.8至1.1kg/I的方式进行。所获得的可磁化颗粒载体的密度可以通过反应条件或例如还通过未经发泡的粒状材料中发泡剂或水的比例来设定。超顺磁性或亚铁磁性材料可以用作可磁化材料，例如磁铁矿(Fe3O4)或Y -Fe2O30纳米-Y -Fe2O3是超顺磁性微粒的一个例子。根据一个实施方案，颗粒可磁化载体的制备在惰性气体中进行，其中发泡特别优选在惰性气体中进行。这保护可磁化材料如磁铁矿以免氧化，而氧化将导致它失去其磁性。如果Y-Fe2O3用作可磁化材料，出乎意料地发现为仍实现颗粒载体的显著可磁化性，保护性气氛不是必须的。这更加出乎意料，因为纯的Y-Fe2O3在高于300°C的温度下转化为a -Fe2O3,由此丧失铁磁性。根据本发明方法的一个实施方案，步骤如下:-混合玻璃粉末和可磁化材料，该可磁化材料优选包括一种或更多种亚铁磁性材料；
-分散该混合物以形成第一均匀的预混合物；-将该第一预混合物的至少部分与发泡剂、任选的粘结剂和水混合，以形成均匀造型涂料；-使用任选剩余的第一预混合物使得该造型涂料粒化，以形成磁性泡沫玻璃-粒状材料生坯；以及-在750°C至1000°C的温度下使该泡沫玻璃-粒状材料生坯发泡，以形成磁性泡沫玻璃-粒状材料微粒。根据优选的实施方案，将玻璃粉末和可磁化材料的混合物湿分散，以获得第一均匀的预混合物。特别优选将玻璃粉末和可磁化材料的混合物湿磨，结果获得非常小的粒径，并且玻璃表面被破碎。关于湿磨，可以使用常规的磨如球磨。根据优选的实施方案，在第一预混合物的制备中，相对于玻璃粉末和可磁化材料的总量，玻璃粉末以65至92wt %的比例使用，可磁化材料以8至35wt %的比例使用。特别优选的预混合物包含约80wt%的玻璃粉末和2(^1:%的可磁化材料。第二预混合物的组分比例优选为30至99wt%的水玻璃、O至70wt%的水和I至10界1:%的发泡剂(优选硝酸钠的形式)。特别优选的范围是54至56wt%的水玻璃、43至44wt%的水和2至2.5wt%的发泡剂。Si02/Na20之比为1.1至4的水玻璃优选用作水玻璃。该水玻璃优选具有40至IOOwt %的固含量。第一与第二预混合物的质量比优选选择为2:1至4: 1，进一步优选2.7: I至
3.0: I。优选地，在否则至少主要的无定形玻璃结构内，颗粒可磁化载体的结晶可磁化区域具有如下的基础相组成:-总共25 至 100 质量％ 的 Y -Fe2O3 和 Fe3O4 ;和-O 至 75 质量％的 a-Fe203。结晶成分总体特别优选如下的比例范围:-O至100质量％，优选44质量％的Y -Fe2O3 (磁赤铁矿)；-O至100质量％，优选34质量％的Fe3O4 (磁铁矿)；-O至50质量％，优选21质量％的a -Fe2O3 (赤铁矿)。
在发泡之前，可以按本身已知的方式干燥粒状材料并通过筛选分类。根据一个实施方案，颗粒可磁化载体还可以进一步提供有例如促进微生物生长的涂层。这种涂层可以例如由黄原胶形成。关于涂层，优选使用例如促进细胞或微生物对颗粒可磁化载体粘附或作为营养品或生长物质的化合物。例如合适的有痕量元素。下面利用实施例并参照附图来更详细地解释本发明。附图所示如下:
图1是多种实施方案的可磁化载体的截面图示；图2是生物膜在可磁化载体上形成的过程中经历的多个阶段的图示；图3是根据本发明多种实施方案的可磁化聚集体的图示；图4是用于研究可磁化载体微粒从模型液体分离的测试装置的图示；图5是其中多种模型液体的表观粘度V作为剪切速率Y S的函数绘制的图；图6是表示可磁化载体微粒的分离程度A作为通过磁性分离设备的频率N的函数的图，其中水用作模型液体；图7是表示可磁化载体微粒的分离程度A作为通过磁性分离设备的频率N的函数的图，其中黄原胶的0.25%水溶液用作模型液体；图8是表示可磁化载体微粒在单程通过磁性分离设备情况下的分离程度A的图，其中变化样品中可磁化载体微粒的比例和模型液体的粘度。图9是表示可磁化载体微粒的相对磁化率`X r的图，其中仅测量沉积在磁性分离设备中的载体微粒；图10是表示分离程度A作为以通过分离器的次数n给出的磁性分离设备的体积流量的函数的图；图11是表示磁性分离设备中分离的可磁化载体微粒的磁化率X r作为以通过分离器的次数n给出的体积流量的函数的图；图12是表示粒径和测试液体的粘度对分离程度的影响的图；图13是表示粒径对磁化率X的影响的图；图14是发酵甜菜青贮饲料的测试装置的图示；图15是其中甲烷产生速率r (CH4)和反应器MF和MFC的有机物质体积载荷OS作为测试进行时间的函数绘制的图。在对比反应器MFC的情况下，第二测试阶段开始之后大约3个月开始底物进料； 图16是其中甲烷产率y (CH4)和反应器MF和MFC的有机物质体积载荷OS作为测试进行时间的函数绘制的图。在对比反应器MFC的情况下，第二测试阶段开始之后大约3个月开始底物进料；图17是其中反应器中底物的pH和反应器MF和MFC的有机物质体积载荷OS作为测试进行时间的函数绘制的图。在对比反应器MFC的情况下，第二测试阶段开始之后大约3个月开始底物进料；图18是被生物膜覆盖的可磁化颗粒载体微粒的光学显微图像；所示为(a)相差图像，(b)利用UV激发并在整个可见光谱发射的反射光荧光，(C)利用蓝光激发并在绿光区发射的反射光荧光，以及⑷图像(a)至(C)的混合图像。图1a图示如根据本发明的可磁化聚集体中所包括的可磁化载体I的截面。可磁化载体包括包围闭合孔3的连续玻璃相2。闭合孔充满气体。可磁化载体I的密度可以通过闭合孔3的尺寸和数目来设定。形成可磁化区域的可磁化微粒4分布在连续玻璃相2中。可磁化微粒4嵌在并均匀分布在连续玻璃相中。在图1a所示的实施方案中，可磁化载体I的外部由连续外壳构成，结果基本封闭所有的孔3。图1b图示从图1a所示的可磁化载体获得的并且例如在磨机中破碎的可磁化载体I的截面。破碎得到其上布置有凹陷7和脊8的经破碎的表面6。在图1b所选的图示区域中，经破碎的表面6垂直于截面平面，结果仅示出经破碎的表面6与截面平面之间的边缘。当通过可磁化载体I破裂打开闭合孔3时，得到凹陷7和脊8。也如图1a所示的可磁化载体的情况，图1b中所示的可磁化载体在其芯9中具有闭合孔泡沫结构，该结构包括被连续玻璃相2包围的闭合孔3。可磁化微粒4如铁素体微粒布置在连续玻璃相2中。图2示出由微生物形成的生物膜在可磁化载体上形成的过程中经历的多个阶段。每种情况下可磁化载体I都以截面表示。图2a示出生长非常早的阶段。微生物10已经开始在可磁化载体I的表面上的各个位置存在，其中凹陷7优选作为保护区域集群化。图2b中集群化进一步发展。微生物的较大集落11已经特别形成在凹陷7中。图2c示出生物膜12形成后的状态。图2b所示的集落11已经生长在一起并形成连续的生物膜12。生物膜12包括几种的微生物种。图3图示根据本发明多种实施方案的可磁化聚集体。每种情况下可磁化聚集体都作为截面表示，其中为清楚起见，每种情况都仅示出截面的一部分。每种情况下可磁化聚集体都包括至少其芯由闭合孔固体泡沫形成的可磁化载体I。多种活性组分布置在可磁化载体的表面上。
因此图3a示出其中酶13结合到可磁化载体I表面上的实施方案。酶具有活性中心13a。如图3b所示，酶13也可以经由间隔基团14结合到可磁化载体I的表面上。如图3b所示，间隔基团14可以是线性的或也可以是支化的，以如图3c所示增加结合位点的数量。在图3d所示的实施方案中，泡囊15作为细胞成分结合到可磁化载体I的表面上。于是例如膜结合的酶13可以被包在泡囊15的膜中。图3e示出其中聚合物膜16设置在可磁化载体I表面上的实施方案。聚合物膜16由具有亲和基团17如NH3+基团的聚合物形成，靶分子18可以与该基团结合。因此通过图3e所示的实施方案可以将靶分子18从液相结合到可磁化聚集体上并由此累积它们。图3f示出其中抗体19作为捕集分子固定在可磁化载体I的表面上的实施方案。抗体19结合抗原18，由此抗原18可以从溶液中累积。图3g示出其中抗原18作为活性组分固定在可磁化载体的表面上的实施方案。抗原18作为捕集分子以将抗体19从溶液结合到可磁化聚集体上。最后图3h示出其中DNA探针21经由间隔基团14结合到可磁化载体I的表面上的实施方案。具有与DNA探针互补序列的靶DNA分子20可以被DNA探针结合，由此从溶液累积在可磁化载体的表面上。以下方法用于表征可磁化载体。水含量:利用DIN/IS0-787/2方法确定105°C下产物的水含量。
测定堆密度称重终止于IOOOml刻度处的测量筒。然后将待测样品通过漏粉斗一次倒进测量筒，使得在高于测量筒顶部处形成多余体积。借助于横过测量筒开口的直尺除去刮掉多余体积，再次称重经填充的测量筒。差对应于堆密度。测定微粒堆密度根据DIN V180045.2 或根据 EN1097-6:2000 基于 DIN EN13055-1 测定微粒的堆密度。测定磁化率体积磁化率Cv描述定义为磁化强度M与磁场强度H之比的比例常数:M= Xv H作为比例变量，磁化率是没有单位的比例变量。利用 Forgenta(Forgenta Forschungstechnik-und Gerate -EntwicklungAdlershof GmbH, 6, Rudower Chaussee, 12489Berlin)的 FMA5000 分析仪测定 cv。该装置包括带铁芯的线圈。400Hz的交变电流流过它。如果因引入测试材料导致磁化率发生变化，则电感会变化，由此线圈的AC电阻也变化。桥电路使得能够测量频率变化A f。根据Klose等人(2003) [Klose, S ；Tolle, R ；Baiicker, E ；Makeschin, F Stratigraphic distributionof lignite-derived atmosphericdeposits in forest soils of the upper LusatianRegion, East Germany’’Water，Airand Soil Pollutionl42:3-25 (2003)]，利用下面方程式换算Cv:
Xv = 0.70 1(T5 A f由于要比较不同密度的可磁化载体微粒，测定质量磁化率Cmass而不是Cv。利用下面方程式，使用样品密度P (kg m_3)将cv换算为SI单位lAg—1的Cmass:
权利要求
1.种处理有机和/或无机底物的方法，其中: -在反应室中提供包含所述有机和/或无机底物的底物混合物； -向所述底物混合物中加入可磁化聚集体，其中所述可磁化聚集体包含可磁化载体和固定于所述可磁化载体上的活性组分； -利用所述可磁化聚集体使所述底物混合物转化为产物混合物；和 -利用磁性分离设备将所述可磁化聚集体与所述产物混合物分离； 所述方法的特征在于，所述可磁化载体以颗粒可磁化载体的形式存在，其中所述颗粒可磁化载体由具有连续相的固体泡沫构成，所述连续相围绕所述固体泡沫的孔，其中可磁化区域布置在所述连续相中，和其中所述固体泡沫至少在所述可磁化载体的芯中是闭合孔的。
2.据权利要求1所述的方法，其特征在于将所述产物混合物转移到磁性分离设备内，在所述磁性分离设备中所述可磁化聚集体从所述产物混合物中分离出。
3.据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于将从所述产物混合物中分离出的可磁化聚集体返回到所述反应室。
4.据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述活性组分是生物催化活性体系。
5.据权利要求4所述的方法，其特征在于所述生物催化活性体系由至少一种微生物形成。
6.据权利要求5所述的方法，其特征在于所述至少一种微生物以生物膜的形式提供。
7.据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述颗粒可磁化载体在其表面上具有脊和凹陷。
8.据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述颗粒可磁化载体的连续相由无机材料形成。
9.据权利要求8所述的方法，其特征在于所述无机材料是玻璃。
10.据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述颗粒可磁化载体的质量磁化率为 5 X Kr9 至 3.7 X 10-7m3/kg。
11.据权利要求5所述的方法，其特征在于所述底物混合物通过所述至少一种微生物到产物混合物的转化在厌氧条件下进行。
12.种可磁化聚集体，包括由具有连续相的固体泡沫制成的颗粒可磁化载体，所述连续相优选由网络形成体构成并且围绕所述固体泡沫的孔，其中可磁化区域布置在所述连续相中，其中所述固体泡沫至少在所述可磁化载体的芯中的是闭合孔的，并且其中所述颗粒可磁化载体的表面上还固定有至少一种活性组分。
13.据权利要求12所述的可磁化聚集体，其特征在于所述颗粒可磁化载体的微粒堆密度小于2g/ml。
14.种制备根据权利要求12或13之一所述的可磁化聚集体的方法，其中将网络形成体、可磁化材料和发泡剂加工以形成粒状材料,将所述粒状材料发泡以形成可磁化载体,并且将活性组分固定于所述可磁化载体上。
15.据权利要求14所述的方法，其中破碎所述可磁化载体以使其表面粗糙化，结果获得其芯由闭合孔泡沫形成的可磁 化载体，并且在所述可磁化载体的表面的至少截面上提供脊和凹陷。
全文摘要
本发明涉及一种处理有机和/或无机底物的方法，其中使用由固体泡沫制成的粒状材料作为活性组分例如生物催化剂如微生物或酶的载体，在固体泡沫的连续相中嵌有可磁化微粒，结果其上固定有生物活性组分的载体可以通过磁性分离设备从混合物中分离。此外，本发明涉及可磁化聚集体及其制备方法。
文档编号C12N5/00GK103097515SQ201180039324
公开日2013年5月8日 申请日期2011年8月12日 优先权日2010年8月12日
发明者弗里德里克·鲁夫, 乌尔里希·佐尔茵, 伊丽莎白·奈特曼, 贝恩德·林克, 扬·穆默, 帕特里斯·拉姆, 奥利弗·梅恩霍恩, 卡尔·维茵贝格尔, 彼得·孔普夫 申请人:苏德化学专利两合有限公司