СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD OF EXCESS ENERGY ACCUMULATION

Область техники, к которой относится изобретение
2
Настоящее изобретение относится к способу утилизации газов, содержащих CO и/или CO, включающему стадии способа
2
A) обеспечения газового потока на основе газа, содержащего CO и/или CO,
B) преобразования по меньшей мере части газового потока в электрическую энергию,
C) преобразования по меньшей мере части газового потока по меньшей мере в одно органическое вещество в процессе биотехнологической ферментации и необязательно
D) повторения стадий B) и C) способа.
Уровень техники
Во время периодов низкого потребления электростанции вырабатывают избыточную электроэнергию. Ее необходимо накапливать соответствующим образом в другой форме.
Например, для накопления избыточной электроэнергии строят наливные водохранилища, наполняемые насосной станцией. Средства наливных водохранилищ имеют большую аккумулирующую емкость, но также высокие требования к пространству и площади и оказывают довольно значительное воздействие на экосистемы и ландшафт.
Другим подходом является накопление электрической энергии в больших аккумуляторных батареях, в частности, литий-ионных аккумуляторных батареях. Однако данная технология требует очень высокого капиталовложения для дополнительных аккумуляторных батарей, износ которых сводит к нулю преимущество применения дешевой избыточной электроэнергии.
2
Другими альтернативными решениями является преобразование электроэнергии в водород, с помощью которого затем химически превращают CO в метан. Затем газ служит накопителем энергии. В этом случае также требуется делать значительные капиталовложения в химическое превращение. Кроме того, метан имеет низкую плотность энергии и не является легко транспортируемым, поскольку он находится в виде газа, и для него требуются либо трубопровод, либо дорогостоящее сжижение. Более высокая энергоемкость может достигаться посредством химического превращения в жидкости. Однако эти процессы приводят либо к смесям веществ относительно низкой ценности, либо к метанолу, который также непригоден в качестве энергоносителя вследствие его высокого содержания кислорода.
Для электростанций, которые основаны на топливах, в дополнение к возможности преобразования их в электроэнергию существует вариант отвода энергии топлива до выработки электроэнергии и применения этой энергии для выработки тепла и последующего нагревания.
Такой способ применялся до настоящего времени, в частности, если топливо подается непрерывно и подачу невозможно ограничить, как, например, на электростанциях, на которых извлекают энергию из потоков отходящих газов промышленных производственных предприятий, таких как, например, металлургические заводы.
Данный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что тепло в качестве энергоносителя подвергается существенным потерям вследствие недостатка теплоизоляции и соответственно требует немедленного применения. Тепло аналогичным образом является плохо транспортируемым, поэтому потребитель тепла должен находиться в непосредственной близости к электростанции.
Целью настоящего изобретения является создание возможности накопления избыточной энергии для электростанций на основе топлива.
Описание изобретения
Неожиданно было обнаружено, что с помощью описанного далее в данном документе способа существует возможность решить проблему, поставленную в настоящем изобретении.
2
Таким образом, настоящее изобретение относится к способу утилизации газов, содержащих CO и/или CO, включающему стадии способа
2
A) обеспечения газового потока на основе газа, содержащего CO и/или CO,
B) преобразования по меньшей мере части газового потока в электрическую энергию,
C) преобразования по меньшей мере части газового потока по меньшей мере в одно органическое вещество в процессе биотехнологической ферментации и необязательно
D) повторения стадий B) и C) способа.
Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что накопление избыточной энергии происходит до преобразования в электроэнергию, и следовательно необходимо осуществлять на одну стадию преобразования меньше, и следовательно можно достигнуть более высокой эффективности.
Дополнительное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что накопление избыточной энергии можно приостанавливать по мере необходимости и, таким образом, можно выполнять с перерывами во времени.
Другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что накопление избыточной энергии не требует какого-либо значительного времени запуска, поэтому можно утилизировать большие количества избыточной энергии сразу после ее появления.
Дополнительное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что накопление избыточной энергии характеризуется низкими требованиями к пространству и площади.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что накопление избыточной энергии характеризуется высокой плотностью энергии, и, таким образом, транспортировка энергии значительно упрощается.
Дополнительное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что накопление энергии можно проводить с относительно низкими капиталовложениями, поскольку для ферментации не требуется стерильное техническое оснащение.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что накопление избыточной энергии осуществляют в форме жидкости и поэтому легко транспортируется.
Дополнительное преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что в отношении накопления энергии возможно свободное масштабирование относительно определения размеров.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что накопление энергии может применяться к сильно неустойчивому потоку энергии и поэтому представляет собой идеальный буфер.
Предпочтительный способ согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что стадию B) способа проводят при проведении стадии C) способа.
2
Это означает, что часть газового потока на основе газа, содержащего CO и/или CO, одновременно используют для выработки энергии, при этом другую часть используют для получения органического вещества.
Объем соответствующих газовых потоков можно непрерывно варьировать и регулировать, предпочтительно в той степени, в которой требуется в отношении количества избыточной энергии.
В крайних случаях, даже временно, для получения органического вещества можно использовать весь газовый поток, что соответствует предпочтительному способу согласно настоящему изобретению, который характеризуется тем, что стадию B) способа не проводят при проведении стадии C) способа.
С другой стороны, даже в случае высокого потребления энергии, весь газовый поток можно использовать для преобразования в электрическую энергию, что соответствует предпочтительному способу согласно настоящему изобретению, который характеризуется тем, что стадию C) способа не проводят при проведении стадии B) способа.
Стадии B) и C) способа можно повторять в способе согласно настоящему изобретению, предпочтительно повторять несколько раз, что соответствует предпочтительному способу согласно настоящему изобретению, который характеризуется тем, что проводят стадию D) способа.
2
В соответствии с настоящим изобретением выгодно, если газ, содержащий CO и/или CO, содержит восстановитель, предпочтительно водород.
Данное решение имеет технический эффект, заключающийся в том, что требуемые окислительно-восстановительные эквиваленты уже включены для биотехнологического процесса на стадии C) способа.
2
Газ, содержащий CO и/или CO, предпочтительно выбирают из группы синтез-газа, коксового газа, доменного газа из доменных печей, дымового газа после сгорания твердых топлив или отходов, газов из установки крекинга нефти и летучих веществ, высвобождаемых при газификации содержащих целлюлозу материалов или угля.
Особенно подходящим для биотехнологического преобразования, и поэтому предпочтительно применяемым в соответствии с настоящим изобретением, является доменный газ из доменной печи при производстве стали.
2
Данное решение имеет технический эффект, заключающийся в том, что стадию C) способа можно проводить с высоким выходом, поскольку данный газовый поток имеет идеальное соотношение CO, CO и водорода.
В предпочтительном альтернативном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению стадия A) способа характеризуется тем, что указанный способ включает применение не полностью сгоревшего топлива из угольной или газовой электростанции.
2
Для данной цели традиционные электростанции должны быть преобразованы таким образом, чтобы в них можно было сжигать топлива до их степени сгорания контролируемым образом, и в случае избыточного производства электроэнергии топливо не сжигалось полностью до CO, а было частично преобразовано в синтез-газ, который затем применяется для стадии C) способа.
В предпочтительном способе согласно настоящему изобретению стадия B) способа включает выработку электроэнергии посредством способа с применением газовой турбины и/или паровой турбины.
Предпочтительный способ согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что органическое вещество на стадии C) способа выбирают из органических веществ, содержащих по меньшей мере три, в частности, по меньшей мере четыре атома углерода, предпочтительно от 3 до 26, в частности, от 4 до 20 атомов углерода, которые являются жидкими, в частности, при 25°C и давлении 1 бар.
Данное решение имеет техническое преимущество, заключающееся в том, что плотность энергии в органическом веществе высока и, таким образом, большее количество избыточной энергии находится в легко транспортируемой форме.
В частности, предпочтительно органическое вещество на стадии C) способа выбирают из группы 1-бутанола, изобутанола, бутандиола, пропан-2-ола, ацетона, 1-пропена, бутена, изомасляной кислоты, 2-гидроксиизомасляной кислоты, метил-2-гидроксиизобутирата, алкановых кислот с прямой и разветвленной цепью, которые необязательно могут содержать по меньшей мере одну двойную связь, и их производных, таких как масляная кислота, гексановая кислота, и их сложных эфиров, а также соответствующих алканолов.
Под выражением "производные алкановых кислот", в частности, подразумевают восстановленные формы алкановой кислоты, альдегид и спирт, алкановые сложные эфиры, омега-гидроксилированные алкановые кислоты, омега-аминированные алкановые кислоты, амиды алкановых кислот, а также двухосновные кислоты и диамины.
Предпочтительный способ согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что на стадии C) способа применяют ацетогенные бактерии.
Применение ацетогенных бактерий имеет технический эффект, заключающийся в том, что газовый поток для стадии C) способа можно временно уменьшать до минимума и можно даже полностью прерывать. Этот тип бактерий, которые в природе обычно выживают в самых неблагоприятных условиях, может оставаться в ферментере в течение длительного времени без особого ухода и питания. Кроме того, применение ацетогенных бактерий обеспечивает технический эффект, заключающийся в том, что образующуюся избыточную энергию можно сразу использовать, поскольку бактерии при восстановлении газового потока сразу повторно запускают свой метаболизм и превращают газ в органическое вещество.
2
Под выражением "ацетогенная бактерия" понимают бактерию, способную осуществлять метаболический путь Вуда-Люнгдаля и, следовательно, способную преобразовывать CO и CO и водород в ацетат.
E. coli
Выражение "ацетогенная бактерия" также включает такие бактерии, которые изначально как представители дикого типа не имеют метаболического пути Вуда-Люнгдаля, а приобретают его лишь благодаря генетической модификации. Такими бактериями могут быть, например, клетки .
Ацетогенные бактерии, применяемые на стадии C) способа, предпочтительно обладают повышенной ферментативной активностью фермента метаболического пути Вуда-Люнгдаля, обусловленную генетической модификацией по сравнению с их диким типом. В данном контексте предпочтительные ферменты метаболического пути Вуда-Люнгдаля выбирают из CO-дегидрогеназ и ацетил-КоА-синтетаз.
2
Ацетогенные бактерии, преобразующие CO и/или CO, а также пригодные способы и условия способов, применяемые на стадии C) способа, известны на протяжении долгого времени. Такие процессы описаны, например,
в WO9800558, WO2000014052, WO2010115054,
Reaction engineering analysis of hydrogenotrophic production of acetic acid by Acetobacterium woodii.
в Demler et al. Biotechnol Bioeng. 2011 Feb; 108(2): 470-4,
Ethanol and acetate production from synthesis gas via fermentation processes using anaerobic bacterium, Clostridium ljungdahlii.
в Younesi et al. Biochemical Engineering Journal, Volume 27, Issue 2, pages 110-119,
The production of acetic acid from carbon dioxide and hydrogen by an anaerobic bacterium.
в Morinaga et al. Journal of Biotechnology, Volume 14, Issue 2, pages 187-194,
Production of acetic acid from synthesis gas with mixed acetogenic microorganisms
в Li , ISSN 0493644938,
. Production of acetic acid from hydrogen and carbon dioxide by clostridium species ATCC 2979
в Schmidt et al. Chemical Engineering Communications, 45:1-6, 61-73,
Optimization of acetic acid production from synthesis gas by chemolithotrophic bacterium - Clostridium aceticum using a statistical approach
в Sim et al. . Bioresour Technol. 2008 May; 99(8): 2724-35,
Study of gaseous substrate fermentations CO conversion to acetate 1 Batch culture
2 continuous culture
в Vega et al. and . Biotechnology and Bioengineering Volume 34, Issue 6, pages 774 and 785, September 1989,
Ethanol and acetate production by Clostridium ljungdahlii and Clostridium autoethanogenum using resting cells.
в Cotter et al. Bioprocess and Biosystems Engineering (2009), 32(3), 369-380, и
Fermentation of glucose, fructose, and xylose by Clostridium thermoaceticum. Effect of metals on growth yield, enzymes, and the synthesis of acetate from carbon dioxide
в Andreesen et al. . Journal of Bacteriology (1973), 114(2), 743-51.
Специалисту в данной области предлагается большое число выполнимых возможностей для разработки стадии C) способа, все из которых хорошо выполняют свою функцию.
Clostridium autothenogenum DSMZ 19630
Clostridium ragsdahlei № в ATCC BAA-622
Clostridium autoethanogenum
Moorella sp HUC22-1
Moorella thermoaceticum
Moorella thermoautotrophica
Rumicoccus productus
Acetoanaerobum
Oxobacter pfennigii
Methanosarcina barkeri
Methanosarcina acetivorans
Carboxydothermus
Desulphotomaculum kutznetsovii
Pyrococcus
Peptostreptococcus
Butyribacterium methylotrophicum ATCC 33266
Clostridium formicoaceticum
Clostridium butyricum
Laktobacillus delbrukii
Propionibacterium acidoprprionici
Proprionispera arboris
Anaerobierspirillum succiniproducens
Bacterioides amylophilus
Becterioides ruminicola, Thermoanaerobacter kivui
Acetobacterium woodii
Acetoanaerobium notera
Clostridium aceticum
Butyribacterium methylotrophicum
Moorella thermoacetica
Eubacterium limosum
Peptostreptococcus productus
Clostridium ljungdahlii
Clostridium ATCC 29797
Clostridium carboxidivorans
Clostridium carboxidivorans
Особенное предпочтение отдается применению ацетогенных бактерий в стадии C) способа, выбранных из группы, включающей , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,, ,,, ,,, ,  и, в частности, ATCC BAA-624. Особенно подходящей бактерией является , в частности, такие штаммы, как “P7” и “P11”. Такие клетки описаны, например, в US 2007/0275447 и US 2008/0057554.
Clostridium ljungdahlii
Clostridium ljungdahlii
Clostridium ljungdahlii
Clostridium ljungdahlii
Clostridium ljungdahlii
Дополнительной особенно подходящей бактерией является , в частности, штаммы, выбранные из группы, включающей  PETC,  ERI2,  C0l и  O-52: они описаны в WO 98/00558 и WO 00/68407, а также ATCC 49587, ATCC 55988 и ATCC 55989.
Alkalibaculum bacchi
Moorella sp.
Clostridium ljungdahlii
Clostridium ragsdahlei
Clostridium autoethanogenum
Effect of trace metals on ethanol production from synthesis gas by the ethanologenic acetogen Clostridium ragsdalei
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется этанол, а применяемым микроорганизмом является  ATCC BAA-1772,  HUC22-1, ,  или. Соответствующие указания для проведения стадии A) способа можно найти, например, в Saxena et al. . Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology Volume 38, Number 4 (2011), 513-521,
Ethanol and acetate production from synthesis gas via fermentation processes using anaerobic bacterium Clostridium ljungdahlii
Younesi et al. . Biochemical Engineering Journal Volume 27, Issue 2, 15 December 2005, pages 110-119,
Ethanol production from H2 and CO2 by a newly isolated thermophilic bacterium, Moorella sp. HUC22-1.
Sakai et al. Biotechnology Letters Volume 26, Number 20 (2004), 1607-1612, и
Clostridium autoethanogenum, sp. nov., an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide
Abrini et al. . Archives of Microbiology Volume 161, Number 4 (1994), 345-351.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется этилацетат, и применяется ацетогенная бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в WO2012162321.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется бутанол, и применяется ацетогенная бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в US20110236941.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется гексанол, и применяется ацетогенная бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в US20100151543.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется 2,3-бутандиол, и применяется ацетогенная бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в US20120252082 и WO2012131627.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется изопропанол, и применяется ацетогенная бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в US20120252083.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется 2-гидроксимасляная кислота, и применяется ацетогенная бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в EP12173010.
Стадию C) способа проводят с применением ацетогенных бактерий, предпочтительно в анаэробных условиях.
Однако также возможно и поэтому является предпочтительным альтернативным вариантом осуществления способа согласно настоящему изобретению, если стадию C) способа проводят в аэробных условиях.
2
Под этим следует понимать, что во время стадии C) способа присутствует O.
В контексте стадии C) способа кислород можно подавать в ферментер, например, путем введения воздуха.
В данном контексте на стадии C) способа предпочтение отдают применению окисляющей водород бактерии.
Применение окисляющих водород бактерий имеет технический эффект, заключающийся в том, что газовый поток для стадии C) способа можно временно уменьшать до минимума и можно даже полностью прерывать. Этот тип бактерий, которые в природе обычно выживают в самых неблагоприятных условиях, может оставаться в ферментере в течение длительного времени без особого ухода и питания. Кроме того, применение окисляющих водород бактерий обеспечивает технический эффект, заключающийся в том, что образующуюся избыточную энергию можно сразу использовать, поскольку бактерии при восстановлении газового потока сразу повторно запускают свой метаболизм и превращают газ в органическое вещество.
2
2
2
2
E. coli
Под выражением "окисляющая водород бактерия" понимают бактерию, которая способна к хемолитоавтотрофному росту и способна к построению углеродных скелетов, содержащих более одного атома углерода, из H и CO в присутствии кислорода, в котором водород окисляется, и при этом кислород используется как конечный акцептор электронов. Согласно настоящему изобретению, возможно применять либо бактерии, которые являются окисляющими водород бактериями, встречающимися в природе, либо в ином случае бактерии, которые стали окисляющими водород бактериями путем генетической модификации, такие как, например, клетка , которая в результате рекомбинантной вставки необходимых ферментов стала способной к построению углеродных скелетов, содержащих более одного атома углерода, из H и CO в присутствии кислорода, в котором водород окисляется, и при этом кислород используется как конечный акцептор электронов. Предпочтительно окисляющие водород бактерии, применяемые в способе согласно настоящему изобретению представляют собой таковые, которые уже являются окисляющими водород бактериями дикого типа.
Achromobacter, Acidithiobacillus
Acidovorax
Alcaligenes
Anabena
Aquifex
Arthrobacter
Azospirillum
Bacillus
Bradyrhizobium
Cupriavidus
Derxia
Helicobacter
Herbaspirillum
Hydrogenobacter
Hydrogenobaculum
Hydrogenophaga
Hydrogenophilus
Hydrogenothermus
Hydrogenovibrio
Ideonella sp. O1
Kyrpidia
Metallosphaera
Methanobrevibacter
Myobacterium
Nocardia
Oligotropha
Paracoccus
Pelomonas
Polaromonas
Pseudomonas
Pseudonocardia
Rhizobium
Rhodococcus
Rhodopseudomonas
Rhodospirillum
Streptomyces
Thiocapsa
Treponema
Variovorax
Xanthobacter
Wautersia,
Cupriavidus
Окисляющие водород бактерии, предпочтительно применяемые согласно настоящему изобретению, выбирают из родов , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,  причем является особенно предпочтительным.
Cupriavidus necator
Ralstonia eutropha
Wautersia eutropha
Alcaligenes eutrophus
Hydrogenomonas eutropha)
Achromobacter ruhlandii
Acidithiobacillus ferrooxidans
Acidovorax facilis
Alcaligenes hydrogenophilus
Alcaligenes latus
Anabena cylindrica
Anabena oscillaroides
Anabena sp.
Anabena spiroides
Aquifex aeolicus
Aquifex pyrophilus
Arthrobacter strain 11X
Bacillus schlegelii
Bradyrhizobium japonicum
Cupriavidus necator
Derxia gummosa
Escherichia coli
Heliobacter pylori
Herbaspirillum autotrophicum
Hydrogenobacter hydrogenophilus
Hydrogenobacter thermophilus
Hydrogenobaculum acidophilum
Hydrogenophaga flava
Hydrogenophaga palleronii
Hydrogenophaga pseudoflava
Hydrogenophaga taeniospiralis
Hydrogeneophilus thermoluteolus
Hydrogenothermus marinus
Hydrogenovibrio marinus
Ideonella sp. O-1
Kyrpidia tusciae
Metallosphaera sedula
Methanobrevibactercuticularis
Mycobacterium gordonae
Nocardia autotrophica, Oligotropha carboxidivorans, Paracoccus denitrificans
Pelomonas saccharophila
Polaromonas hydrogenivorans
Pseudomonas hydrogenovora
Pseudomonas thermophila
Rhizobium japonicum
Rhodococcus opacus
Rhodopseudomonas palustris
Seliberia carboxydohydrogena
Streptomyces thermoautotrophicus
Thiocapsa roseopersicina
Treponema primitia
Variovorax paradoxus
Xanthobacter autrophicus
Xanthobacter flavus
В частности, из видов  (иначе называемого , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
Cupriavidus necator
Cupriavidus necator
Cupriavidus necator
В частности, из штаммов  H16,  H1 или  Z-1.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется 2-гидроксимасляная кислота, и применяется окисляющая водород бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в EP12173010.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется 1-бутанол, и применяется окисляющая водород бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в EP13172030.2.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется пропан-2-ол, и применяется окисляющая водород бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в EP13172030.2.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется ацетон, и применяется окисляющая водород бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в EP13172030.2.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется 1-пропен, и применяется окисляющая водород бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в EP13172030.2.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению на стадии C) способа образуется бутен, и применяется окисляющая водород бактерия.
Руководство по проведению стадии C) способа данного альтернативного предпочтительного варианта осуществления описано в EP13172030.2.
Настоящее изобретение дополнительно относится к аппарату для осуществления способа согласно настоящему изобретению, содержащему:
2
a) источник газа для непрерывного обеспечения газового потока, содержащего CO и/или CO;
b) устройство для выработки энергии, предназначенное для преобразования газов, поступающих из источника газа, в электрическую энергию;
c) ферментер для преобразования газов, поступающих из источника газа, по меньшей мере в одно органическое вещество
d) и средства для селективной подачи газового потока из источника газа в установку для выработки энергии и/или в ферментер.
Аппарат согласно настоящему изобретению предпочтительно характеризуется тем, что источник газа представляет собой доменную печь, применяемую в производстве стали, с помощью которой непрерывно обеспечивают доменный газ в качестве газового потока.
Устройство для выработки энергии аппарата согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит один генератор, приводимый в движение по меньшей мере одной турбиной.
В данном контексте турбина предпочтительно представляет собой газовую турбину, которая может приводиться в действие исключительно газовым потоком или смесью с другими топливами.
В соответствии с настоящим изобретением устройство для выработки энергии предпочтительно содержит котел для образования пара, обогреваемый газовым потоком самим по себе или в смеси с другими топливами, и турбина представляет собой паровую турбину, которая может приводиться в действие паром из котла.
Аппарат согласно настоящему изобретению предпочтительно характеризуется тем, что ферментер выполнен с возможностью вмещения ацетогенных бактерий и/или окисляющих водород бактерий.
Аппарат согласно настоящему изобретению предпочтительно характеризуется тем, что средства для селективной подачи газового потока в устройство для выработки энергии и/или в ферментер содержат линии и элементы управления, соединяющие эти аппараты.
В данном контексте предпочтительно, чтобы элементы управления и линии были выполнены с возможностью повышения давления в ферментере и устройстве для выработки энергии посредством газового потока параллельно, и/или последовательно, и/или по отдельности.
С особым предпочтением, аппарат согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что все компоненты аппарата объединены на одной производственной площадке.
Настоящее изобретение дополнительно относится к применению аппарата согласно настоящему изобретению для осуществления способа согласно настоящему изобретению.
Применение согласно настоящему изобретению предпочтительно осуществляется для выработки электрической энергии и/или для получения по меньшей мере одного органического вещества.
Примеры
Настоящее изобретение далее будет пояснено более подробно на основе демонстрационного примера. В данном случае показано следующее.
Фигура 1. Аппарат по настоящему изобретению для осуществления способа (схематическое изображение)
На фигуре 1 показана схематическая конструкция аппарата согласно настоящему изобретению для осуществления способа.
2
2
Из источника 1 газа, в виде традиционной доменной печи для производства стали, из головной части непрерывно подают доменный газ, который отводят через соответствующую газовую линию 2. Доменный газ, полученный при производстве стали, представляет собой горючий побочный газ с содержанием азота около 45-60% и долей CO в диапазоне 20-30%. Кроме того, доменный газ содержит приблизительно 20-25% CO и 2-4% H.
Доменный газ пропускают через элемент 3 управления. Он представляет собой клапан, известный сам по себе, который позволяет направлять входящий газ от источника 1 газа или через газовую линию 4 в направлении устройство 5 для выработки энергии, и/или через газовую линию 6 в направлении ферментера 7. В данном случае элемент 3 управления позволяет направлять газовый поток либо целиком и полностью в устройство 5 для выработки энергии, либо целиком и полностью в ферментер 7. Кроме того, элемент 3 управления можно устанавливать в промежуточные положения, с помощью которых обеспечивают одновременную подачу газового потока в устройство 5 для выработки энергии и ферментер 7 в равных или различных долях.
Газ, пропускаемый в устройство 5 для выработки энергии, преобразуют в нем в электрическую энергию посредством традиционного способа с применением газовой турбины или паровой турбины, известного самого по себе, которую отводят в виде электрического тока 8 из устройства 5 для выработки энергии. Если применяют паровую турбину, она может приводиться в действие исключительно газом из источника 1 газа или добавлением внешних топлив. Если используется способ с применением паровой турбины, котел для образования пара также нагревают либо газом из источника 1 газа, либо в дополнение с помощью внешних топлив. В устройстве 5 для выработки энергии также возможно сочетание способа с применением газовой турбины со способом с применением паровой турбины. Описанные в данном документе технологии для выработки энергии из газа хорошо известны из предшествующего уровня техники и не нуждаются в дополнительном описании в данном документе.
Доли газа, поступающего из источника 1 газа, которые пропускают через газовую линию 6 в направлении ферментера 7, преобразуют в нем бактериями 9 в органическое вещество 10, которое отводят из ферментера 7.
2
Бактерии 9 предпочтительно имеют форму ацетогенных бактерий или окисляющих водород бактерий. Подходящие бактерии и способы ферментации для преобразования газов, содержащих CO и/или CO, в органические вещества хорошо известны из предшествующего уровня техники, приведенного выше, и поэтому не требуют подробного описания.
Cupriavidus necator
2
2
Пример получения 1. 3-Гидроксимасляная кислота (3HB) с применением клеток  с газовым потоком, содержащим H и CO, с прерывистой подачей газа
Cupriavidus necator
2
2
Для биологического преобразования гремучего газа в 3-гидроксимасляную кислоту (3HB) применяли фазу получения с применением  PHB-4. В данном подходе бактерия поглощает H и CO из проходящей газовой фазы и образует 3HB. Для культивирования применяли устойчивые к давлению стеклянные колбы, которые можно герметично закрывать с помощью пробки из бутилкаучука.
C. necator
Для исследования образования 3-гидроксимасляной кислоты сначала штамм  наносили на агаровую пластинку LB-R, содержащую антибиотик, и инкубировали при 30°C в течение 3 дней.
2
4
2
2
4
4
4
2
3
2
2
2
Для целей предварительного культивирования штамм культивировали в 200 мл минеральной среды H16 (модифицированной согласно Schlegel et al.,1961) в устойчивых к давлению 500-мл стеклянных колбах. Среда состояла из NaHPO x 12 HO (9,0 г/л); KHPO (1,5 г/л); NHCl (1,0 г/л); MgSO × 7 HO (0,2 г/л); FeCl × 6 HO (10 мг/л); CaCl x 2 HO (0,02 г/л); раствора микроэлементов SL-6 (Pfennig, 1974) (1 мл/л).
4
2
2
2
3
3
2
2
2
2
2
2
2
4
2
Раствор микроэлементов состоял из ZnSO x 7 HO (100 мг/л), MnCl x 4 HO (30 мг/л), HBO (300 мг/л), CoCl x 6 HO (200 мг/л), CuCl x 2 HO (10 мг/л), NiCl x 6 HO (20 мг/л), NaMoO x 2 HO (30 мг/л). Регулировали pH среды до 6,8 путем добавления 1 M NaOH.
2
2
2
2
2
Колбу инокулировали одной колонией из выдержанных агаровых пластинок и проводили культивирование хемолитоавтотрофно на смеси N/H/O/CO (соотношение 80%/10%/4%/6%). Культуру инкубировали в открытом встряхивателе с водяной баней при 28°C, 150 об./мин. и расходом газа 1 л/ч. в течение 137 ч. до OD >1,0. В среду вводили газ через фритту для подачи газа, которая имела размер пор 10 мкм и которую присоединяли к трубе подачи газа в центре реактора. Затем клетки центрифугировали, промывали 10 мл промывочного буфера (0,769 г/л NaOH, насыщаемого в течение по меньшей мере 1 ч. при 28°C и 150 об./мин. газом, содержащим 6% CO) и снова центрифугировали.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Для фазы получения достаточно промытые клетки переносили из культуры роста в 200 мл буфера для получения (NaOH (0,769 г/л), насыщаемого в течение по меньшей мере 1 ч. при 28°C и 150 об./мин. газом, содержащим 6% CO, с установленным pH при приблизительно 7,4) для установки OD при 600 нм 1,0. Основное культивирование проводили хемолитоавтотрофно в устойчивых к давлению 500 мл стеклянных колбах при 28°C и 150 об./мин. в открытом встряхивателе с водяной баней при расходе газа 1 л/ч. с применением смеси N/H/O/CO (соотношение 80%/10%/4%/6%) в течение 188 ч. В среду вводили газ через фритту для подачи газа, которая имела размер пор 10 мкм и которую присоединяли к трубе подачи газа в центре реакторов. После периода культивирования 116 ч. подачу газа переключили на 100% N в течение 24 ч. и затем снова пропускали в течение следующих 44 ч. исходную газовую смесь (N/H/O/CO, соотношение 80%/10%/4%/6%).
Отбор образцов включал отбор образцов по 5 мл в каждом случае для определения OD при 600 нм, pH и спектра продукта. Концентрацию продукта определяли с помощью полуколичественного анализа с применением 1H-ЯМР-спектроскопии. Применяемый внутренний стандарт для количественного анализа представлял собой триметилсилилпропионат натрия (T(M)SP).
C. necator
В течение периода культивирования на фазе получения через 116 ч. в штамме  образовывалось 270 мг/л 3HB, при этом в течение последующих 48 ч. периода культивирования после прерывания подачи газа дополнительно образовывалось 140 мг/л 3HB.
C. ljungdahlii
2
2
Пример получения 2. Этанол и ацетат с применением клеток  с газовым потоком, содержащим H и CO, с изменяемыми периодами прерывистой подачи газа
Clostridium ljungdahlii
В следующем примере штамм  дикого типа культивировали автотрофно.
4
4
2
2
4
2
2
4
2
4
2
4
2
2
2
2
4
2
2
2
2
4
2
2
2
2
4
2
4
2
2
Применяли комплексную среду, состоящую из 1 г/л NHCl, 0,1 г/л KCl, 0,2 г/л MgSO x 7 HO, 0,8 г/л NaCl, 0,1 г/л KHPO, 20 мг/л CaCl x 2 HO, 20 г/л MES, 1 г/л дрожжевого экстракта, 0,4 г/л L-цистеина HCl, 20 мг/л нитрилотриуксусной кислоты, 10 мг/л MnSO x HO, 8 мг/л (NH)Fe(SO) x 6 HO, 2 мг/л CoCl x 6 HO, 2 мг/л ZnSO x 7 HO, 0,2 мг/л CuCl x 2 HO, 0,2 мг/л NaMoO x 2 HO, 0,2 мг/л NiCl x 6 HO, 0,2 мг/л NaSeO, 0,2 мг/л NaWO x 2 HO, 20 мкг/л D-биотина, 20 мкг/л фолиевой кислоты, 100 мкг/л пиридоксина HCl, 50 мкг/л тиамина HCl x HO, 50 мкг/л рибофлавина, 50 мкг/л никотиновой кислоты, 50 мкг/л пантотената Ca, 1 мкг/л витамина B12, 50 мкг/л п-аминобензоата, 50 мкг/л липоевой кислоты.
Идентичные автотрофные культивирования проводили в 500 мл колбах с септами со
-1
2
2
2
2
100 мл среды при частоте встряхивателя 150 мин. в открытом встряхивателе с водяной баней Innova 3100 от New Brunswick Scientific. Культивирования проводили при 37°C без регуляции pH. В реакторах создавали повышенное давление смесью синтез-газа из 67% H и 33% CO при избыточном давлении 0,8 бар. Для компенсации израсходованного газа газовую атмосферу в свободном пространстве внутри реакторов полностью заменяли раз в день и снова создавали давление до 0,8 бар. Вначале в реактор 1 нагнетали синтез-газ, а в реакторы 2, 3 и 4 - через 24 ч., 48 ч. и 72 ч., соответственно. В период без синтез-газа в реакторы вместо него нагнетали газовую смесь из 67% N, 33% CO, также при 0,8 бар избыточного давления.
2
2
В начале эксперимента реактор с исходной OD 0,1 инокулировали автотрофно выращенными клетками. Предварительное культивирование проводили непрерывно в колбе емкостью 1 л с 500 мл вышеупомянутой среды. В культуру непрерывно осуществляли подачу газ с применением синтез-газа (67% H, 33% CO) при объемном расходе 3 л/ч. через фритту для подачи газа с размером пор 10 мкм. Клетки центрифугировали в анаэробным условиях в фазе позднего логарифмического роста при OD 0,64 (4500 об./мин., 4300 г, 20°C, 10 мин). Удаляли надосадочную жидкость, а сгусток клеток снова суспендировали в 10 мл вышеупомянутой среды. Полученные клетки затем использовали для инокуляции в данных экспериментах.
600
1
Отбор образцов включал отбор образцов по 5 мл в каждом случае для определения OD, pH и спектра продукта. Концентрацию продукта определяли с помощью количественного анализа с применением H-ЯМР-спектроскопии. Применяемый внутренний стандарт для количественного анализа представлял собой триметилсилилпропионат натрия (T(M)SP).
В базисном эксперименте 1 с самого начала наблюдали поглощение газа (выраженное в падении давления ∆p), непрерывное снижение pH, увеличение OD и увеличение содержания продуктов ацетата и этанола.
2
2
2
2
В реакторах 2, 3 и 4 в период без синтез-газа наблюдалось отсутствие снижения pH, отсутствие увеличения OD и лишь минимальное увеличение содержания на основе ацетата в каждом случае. При замене газовой атмосферы в свободном пространстве внутри реакторов 2, 3 и 4 на N/CO на H/CO в моменты времени 24 ч., 48 ч. и 72 ч., и, таким образом, обеспечении клеток синтез-газом, при дальнейшем ходе эксперимента в каждом случае снова неожиданно наблюдали поглощение газа, снижение pH, увеличение OD и увеличение содержания продуктов на основе ацетата и этанола.
<b>ЯМР</b>
<b>Эксперимент</b>
<b>Время, ч.</b>
<b>∆p, бар</b>
<b>pH</b>
<b>OD600</b>
<b>Этанол,</b><b>мг/л</b>
<b>Ацетат,</b><b>мг/л</b>
<b>1</b>
0,0
-
5,84
0,11
0
10
MD-14-COx-034-K1
27,7
1,2
5,11
0,56
180
2275
Подачу газа начинали в момент времениt = 0 ч.(Базисный эксперимент)
50,7
1,4
4,52
0,78
-
-
78,2
1,4
4,56
0,95
450
7636
144,2
0,4
4,49
0,87
528
10172
<b>2</b>
0,0
-
5,82
0,12
0
9
MD-14-COx-034-K2
27,7
0
5,79
0,11
0
89
Подачу газа начинали в момент времениt = 24 ч.
50,7
0,4
5,50
0,23
-
-
78,2
1,3
4,81
0,69
229
4291
144,2
1,6
4,35
0,85
237
5455
<b>3</b>
0,0
-
5,82
0,11
0
10
MD-14-COx-034-K3
27,7
0
5,79
0,11
-
-
Подачу газа начали в момент времениt = 48 ч.
50,7
0
5,77
0,10
-
-
78,2
0,2
5,68
0,13
6
504
144,2
1,6
4,77
0,52
219
2732
<b>4</b>
0,0
-
5,83
0,12
0
10
MD-14-COx-034-K4
27,7
0
5,79
0,12
-
-
Подачу газа начали в момент времениt = 72 ч.
50,7
0
5,73
0,10
-
-
78,2
0,0
5,82
0,09
0
102
144,2
1,2
5,00
0,51
183
3120
Morella thermoautotrophica
2
2
Пример получения 3. Этанол и ацетат с применением клеток  с газовым потоком, содержащим H и CO, с прерывистой подачей газа
Morella thermoautotrophica
Morella thermoautotrophica,
2
2
Для биологического преобразования синтез-газа в ацетат и этанол проводили культивирование с применением бактерией . В данном подходе бактерия поглощает H и CO из газовой фазы и использует их для клеточного роста, а также для образования ацетата и этанола. Для культивирования применяли устойчивые к давлению стеклянные колбы, которые можно герметично закрывать с помощью пробки из бутилкаучука. Все стадии культивирования, в которых использовали клетки проводили в анаэробных условиях.
M. thermoautotrophica
4
2
4
4
2
2
2
4
2
4
2
4
2
2
2
2
4
2
2
2
2
4
2
2
2
2
4
2
4
2
2
12
2
2
Для культуры клеток  каждые 2 мл замороженной культуры анаэробно повторно активировали в 2 x 200 мл среды (среда ATCC1754: pH 6,0; 20 г/л MES; 1 г/л дрожжевого экстракта, 0,8 г/л NaCl; 1 г/л NHCl; 0,1 г/л KCl; 0,1 г/л KHPO; 0,2 г/л MgSO x 7 HO; 0,02 г/л CaCl x 2 HO; 20 мг/л нитрилотриуксусной кислоты; 10 мг/л MnSO x HO; 8 мг/л (NH)Fe(SO) x 6 HO; 2 мг/л CoCl x 6 HO; 2 мг/л ZnSOx 7 HO; 0,2 мг/л CuCl x 2 HO; 0,2 мг/л NaMoO x 2 HO; 0,2 мг/л NiCl x 6 HO; 0,2 мг/л NaSeO; 0,2 мг/л NaWO x 2 HO; 20 мкг/л D-биотина; 20 мкг/л фолиевой кислоты; 100 мкг/л пиридоксина HCl; 50 мкг/л тиамина HCl x HO; 50 мкг/л рибофлавина; 50 мкг/л никотиновой кислоты, 50 мкг/л Ca пантотената; 1 мкг/л витамина B; 50 мкг/л п-аминобензоата; 50 мкг/л липоевой кислоты, приблизительно 67,5 мг/л NaOH; 100 мг/л L-цистеина гидрохлорида). Культивирование проводили в устойчивой к давлению стеклянной колбе емкостью 1000 мл, которую заполняли предварительно смешанной газовой смесью, состоящей из 67% H, 33% CO, до избыточного давления 1 бар, при 58°C и 150 об./мин. в течение 39 ч. в открытом встряхивателе с водяной баней. Клетки культивировали до OD>0,2, центрифугировали и повторно суспендировали в свежей среде ATCC1754.
600 нм
2
2
2
2
2
2
2
Для фазы культивирования достаточное количество клеток из культуры роста перенесли в 4 x 100 мл среды ATCC1754 для установления OD 0,1 в каждом случае. Культивирование проводили в устойчивой к давлению стеклянной колбе емкостью 500 мл, которую заполняли газом до избыточного давления 1 бар при 58°C и 150 об./мин. в течение 91 ч. в открытом встряхивателе с водяной баней. Одну культуру в этом случае покрывали в начале предварительно смешанной газовой смесью, состоящей из 67% H, 33% CO, при этом другие три культуры покрывали 100% N. В одной из культур, покрытых 100% N, газовую фазу заменяли каждые 24 ч. предварительно смешанной газовой смесью, состоящей из 67% H, 33% CO, в другой - через 48 ч. Газовую фазу третьей культуры, покрытой 100% N, не подвергали замене газовой фазы.
600 нм
1
Отбор образцов включал отбор образцов по 5 мл в каждом случае для определения OD, pH и спектра продукта. Концентрацию продукта определяли с помощью полуколичественного анализа с применением H-ЯМР-спектроскопии. Применяемый внутренний стандарт для количественного анализа представлял собой триметилсилилпропионат натрия (T(M)SP).
2
2
2
В период культивирования все культуры, покрытые 67% H, 33% CO, проявили увеличение содержания ацетата от менее 17 мг/л до более 2000 мг/л и этанола от менее 8 мг/л до более 14 мг/л в течение 24 ч. под данной газовой атмосферой, даже если эти культуры предварительно культивировали в течение 24. или 48 ч. под атмосферой 100% N.
Список номеров позиций:
1 источник газа/доменная печь;
2 газовая линия для доменного газа;
3 элемент управления;
4 газовая линия в направлении устройства для выработки энергии;
5 устройство для выработки энергии;
6 газовая линия в направлении ферментера;
7 ферментер;
8 электрический ток;
9 бактерии;
10 органическое вещество.