用于储存多余能量的方法

摘要

本发明涉及利用含有CO和/或CO2的气体的方法，该方法包括以下步骤：A)提供含有CO和/或CO2的气体的气体流，B)将所述气体流的至少一部分转化为电能，C)使用生物技术发酵工艺将所述气体流的至少一部分转化为至少一种有机物，并可能地D)重复方法步骤B)和C)。

权利要求

1.利用含有CO和/或CO2的气体的方法，其包括以下方法步骤：A)提供含有CO和/或CO2的气体的气体流，B)将所述气体流的至少一部分转化为电能，

C)以生物技术发酵工艺将所述气体流的至少一部分转化为至少一种有机物，并任选地D)重复方法步骤B)和C)，其特征在于在方法步骤C)中使用产乙酸菌。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在进行方法步骤C)时不进行方法步骤B)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进行方法步骤D)。

4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于方法步骤A)包括使用来自炼钢中高炉的高炉煤气。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于方法步骤B)包括借助于燃气轮机和/或蒸汽轮机工艺发电。

6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于方法步骤C)中的有机物选自包含至少3个碳原子的有机物。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于方法步骤C)中的有机物选自包含至少4个碳原子的有机物。

8.用于进行根据前述权利要求任一项所述方法的设备，其包括：a)持续提供含有CO和/或CO2的气体流的气体源；

b)将源自气体源的气体转化为电能的发电装置；

c)将源自气体源的气体转化为至少一种有机物的发酵器；

d)以及将来自气体源的气体流选择性地进给至发电装置和/或发酵器的构件，其特征在于所述发酵器寄宿有产乙酸菌。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于所述发电装置包括由至少一个涡轮机驱动的发电机。

10.根据权利要求8-9中任一项所述的设备，其特征在于所述将气体流选择性地进给至发电装置和/或发酵器的构件包括连接这些设备的管线和控制元件，调节所述管线和控制元件以并联和/或串联和/或单独的方式用气体流对发酵器和发电装置加压。

11.根据权利要求8-9中任一项所述的设备，其特征在于所述设备的所有组件集成在一个一体化基地内。

12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述设备的所有组件集成在一个一体化基地内。

13.根据权利要求8-12中任一项所述的设备用于进行权利要求1-7中任一项的方法的用途。

14.根据权利要求13所述的用途，其用于产生电能和/或用于制备至少一种有机物。

说明书

用于储存多余能量的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及利用含有CO和/或CO2的的气体的方法，其包括以下方法步骤：

[0002] A)提供含有CO和/或CO2的气体的气体流，

[0003] B)将所述气体流的至少一部分转化为电能，

[0004] C)以生物技术发酵工艺将所述气体流的至少一部分转化为至少一种有机物，且任选地

[0005] D)重复方法步骤B)和C)。

背景技术

[0006] 产电电厂在低需求时间段产生多余电力。这必须以另外形式被适当地存储起来。例如，建造抽水蓄能电站水库(pumped storage reservoirs)来储存多余的电力。抽水蓄能设施具有大的存储容量但也有很大的空间和面积需求且对生态系统和景观具有不小的冲击。另一方法是在大型电池中存储电能，特别是锂离子电池。然而，此技术需要在额外的电池上的非常高的投资，这一项的消耗会抵消使用廉价多余电力的优势。其他替代方式是将电能转化为氢，然后氢以化学方法将CO2转化为甲烷。然后该气体作为能量储存。同样在这种情况下，在化学转化中必须花费相当大的投资。另外，甲烷具有低能量密度且不容易运输，因为其作为气体存在并需要管道或昂贵的液化。较高的密度可通过化学转化为液态而获得。然而，这些工艺最终得到相对较低价值的物质混合物或甲醇，甲醇由于其高氧含量也不适于作为能量介质。

[0007] 对于基于燃料的电厂，除了将燃料转化为电力的可能性外，还存在在发电前转移燃料的能量以及使用这种能量发热并随后加热的选择。

[0008] 这种方法已沿用至今，特别是在燃料连续供给且供给不受限的地方，例如，从工业制造工厂例如钢厂的废气流中提取能量的电厂。

[0009] 该工艺的缺点是由于缺乏保温，作为能量介质的热量会而受到严重损失，并因此需要立即使用。热能同样可运输性差，从而使得热用户必须直接位于发电厂附近。

[0010] 本发明的目的是为基于燃料的电厂创造储存多余能量的可能性。

发明内容

[0011] 出人意料地发现下文中描述的方法能够解决本发明提出的问题。

[0012] 因此，本发明涉及一种利用含有CO和/或CO2的的气体的方法，其包括以下方法步骤：

[0013] A)提供含有CO和/或CO2的气体的气体流，

[0014] B)将所述气体流的至少一部分转化为电能，

[0015] C)以生物技术发酵工艺将所述气体流的至少一部分转化为至少一种有机物，且任选地

[0016] D)重复方法步骤B)和C)。

[0017] 本发明的一个优点是多余能量的能量储存发生在转化为电能之前，因此减少了一个转化步骤并因此获得更高的效率。

[0018] 本发明的进一步优点是多余能量的能量储存可根据需要暂停，并因此可以随时间间断地进行。

[0019] 本发明的另一优点是多余能量的能量储存不需要任何明显的起动时间，因此大量的多余能量可在其发生之后立即使用。

[0020] 本发明的进一步优点是多余能量的能量储存具有低空间和面积需求。

[0021] 本发明的还有另一优点是多余能量的能量储存具有高能量密度并因此极大地方便了能量的运输。

[0022] 本发明的进一步优点是由于该发酵无需灭菌技术，可以相对较低的投资进行能量储存。

[0023] 本发明的还有另一优点是多余能量的能量储存为液态形式，因此易于运输。

[0024] 本发明的进一步优点是能量储存在尺寸方面可自由扩展(scalable)。

[0025] 本发明的还有另一优点是能量储存可处理高度波动的能量流，并因此是理想的缓冲器。

[0026] 根据本发明的优选方法的特征在于在进行方法步骤C)时进行方法步骤B)。

[0027] 这意味着含有CO和/或CO2的气体的气体流的一部分用于发电，同时另一部分用于生产有机物。

[0028] 各个气体流的尺寸可连续变化和调整，优选调整至多余能量的量需要的程度。

[0029] 在极端情况下，即使是临时的，全部的气体流可用于生产有机物，这对应于根据本发明的优选方法，该方法的特征在于在进行方法步骤C)时不进行方法步骤B)。

[0030] 另一方面，即使在高电力需求的情况下，全部的气体流可用于转化为电能，这对应于根据本发明的优选方法，该方法的特征在于在进行方法步骤B)时不进行方法步骤C)。

[0031] 可在根据本发明的方法中重复方法步骤B)和C)，优选重复多次，这对应于根据本发明的优选方法，该方法的特征在于进行方法步骤D)。

[0032] 根据本发明，有利地，含有CO和/或CO2的气体包含还原剂，优选为氢气。

[0033] 这具有以下技术效果：已经引入所需的氧化还原当量用于方法步骤C)中的生物技术工艺。

[0034] 含有CO和/或CO2的气体优选选自：合成气体、焦炉煤气、来自高炉的高炉煤气、来自固体燃料或废弃物的燃烧的烟气、来自石油裂化器的气体以及在含纤维材料或煤炭的气化过程中释放的挥发性物质。

[0035] 特别好地适用于生物技术转化并因此根据本发明优选使用的是来自炼钢中高炉的高炉煤气。

[0036] 这具有以下技术效果：方法步骤C)可以高产量运行，因为该气体流具有CO、CO2和氢气的理想比率。

[0037] 在根据本发明方法的优选可选实施方案中，方法步骤A)的特征在于所述方法包括使用来自燃煤电厂或燃气电厂的不完全燃烧的燃料。

[0038] 为此，常规电厂必须以这样的方式转化，即以可控方式将燃料燃烧至它们的燃烧程度，且在多余电力生产的情况下，燃料不会充分燃烧为CO2而是部分地转化为随后用于方法步骤C)的合成气体。

[0039] 在根据本发明的优选方法中，方法步骤B)包括通过燃气轮机和/或蒸汽轮机工艺发电。

[0040] 根据本发明的优选方法的特征在于方法步骤C)中的有机物选自包含至少3个，特别是至少4个碳原子，优选3-26个，特别是4-20个碳原子的有机物，其尤其在25℃和1bar压力下为液态。

[0041] 这具有以下技术效果：有机物中的能量密度高，因此更多的多余能量为易于输送的形式。

[0042] 方法步骤C)中的有机物特别优选选自1-丁醇、异丁醇、丁二醇、2-丙醇、丙酮、1-丙烯、丁烯、异丁酸、2-羟基异丁酸、2-羟基异丁酸甲酯，直链及支链的链烷酸，所述链烷酸可任选地包含至少一个双键，以及其衍生物，例如丁酸、己酸及其酯类，以及相应的烷醇。

[0043] 术语“链烷酸的衍生物”可理解为特别表示链烷酸、醛和醇、链烷酯、Ω-羟基化链烷酸、Ω-胺化链烷酸、链烷酸酰胺及二酸和二胺的还原形式。

[0044] 根据本发明的优选方法的特征在于在方法步骤C)中使用产乙酸菌。

[0045] 产乙酸菌的使用具有以下技术效果：用于方法步骤C)的气体流可暂时减少至最小值且甚至可完全中断。这种细菌实际上习惯于在最不利的条件下存活，可在发酵槽内存留很长时间而无需特别的照料和营养。另外，产乙酸菌的使用可导致以下技术效果：形成的多余能量可立即使用，因为一旦恢复气体流，该细菌可立即重启它们的新陈代谢并将气体转化为有机物。

[0046] 术语“产乙酸菌”理解为表示一种能够进行Wood-Ljungdahl代谢途径且因此可将CO和CO2和氢气转化为乙酸盐的细菌。

[0047] 术语“产乙酸菌”还包括那些初始为野生型、没有Wood-Ljungdahl代谢途径而仅由于基因修饰而有此代谢途径的细菌。这样的细菌例如可为大肠杆菌细胞。

[0048] 由于基因修饰，方法步骤C)中使用的产乙酸菌与它们的野生型相比优选具有增加的Wood-Ljungdahl代谢途径酶的酶活性。在此情况下，优选的Wood-Ljungdahl代谢途径酶选自CO脱氢酶和乙酰辅酶A合成酶。转化CO2和/或CO的乙酸菌，以及方法步骤C)中使用中的合适方法和方法条件已经公知很长时间。这样的工艺描述于例如WO9800558、WO2000014052、WO2010115054，

[0049] Demler等，Reaction engineering analysis of hydrogenotrophic production of acetic acid by Acetobacteriumwoodii，BiotechnolBioeng，2011年2月；108(2)：470-4，

[0050] Younesi等，Ethanol and acetate production from synthesis gas via fermentation processes using anaerobic bacterium Clostridium Ijungdahlii，Biochemical Engineering Journal，第27卷，第2期，110-119页，

[0051] Morinaga等，The production of acetic acid from carbon dioxide and hydrogen by an anaerobic bacterium，Journal of Biotechnology，第14卷，第2期，187-194页，

[0052] Li，Production of acetic acid from synthesis gas with mixed acetogenic microorganisms，ISSN 0493644938，

[0053] Schmidt等，Production of acetic acid from hydrogen and carbon dioxide by clostridium species ATCC 2979，Chemical Engineering Communications，45：1-6，61-73，

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[0058] 以上文献为本领域技术人员提供了大量设计方法步骤C)的可行性选择，且均运行良好。

[0059] 特别优选在方法步骤C)中使用选自以下组的产乙酸菌：Clostridium autothenogenum DSMZ 19630、拉氏梭菌(Clostridium ragsdahlei)ATCC no.BAA-622、产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、穆尔氏菌属(Moorella sp)HUC22-1、Moorella thermoaceticum、热自养穆尔氏菌(Moorella thermoautotrophica)、Rumicoccus productus、Acetoanaerobum、普氏产醋杆菌(Oxobacter pfennigii)、巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)、噬乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)、氧化碳嗜热菌属(Carboxydothermus)、Desulphotomaculum kutznetsovii、热球菌属(Pyrococcus)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)、食甲基丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)ATCC 33266、蚁酸醋酸梭菌(Clostridium formicoaceticum)、酪酸梭菌(Clostridium butyricum)、戴耳布吕克氏乳杆菌(Laktobacillus delbrukii)、丙酸丙酸杆菌(Propionibacterium  acidoprprionici)、Proprionispera arboris、
Anaerobierspirillum succiniproducens、嗜淀粉拟杆菌(Bacterioides amylophilus)、Becterioides ruminicola、凯伍热厌氧菌(Thermoanaerobacter kivui)、伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)、潮湿厌氧醋菌(Acetoanaerobium notera)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、食甲基丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)、热醋穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)、产粘真杆菌(Eubacterium limosum)、产生消化链球菌(Peptostreptococcus productus)、扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)、梭菌属(Clostridium)ATCC 29797和Clostridium carboxidivorans，尤其是ATCC BAA-624。特别合适的细菌是食一氧化碳梭菌，尤其是诸如“P7”和“P11”等菌株。这样的细胞描述在例如US 
2007/0275447和US 2008/0057554中。

[0060] 另外的特别合适的细菌是扬氏梭菌(Clostridium liungdahlii)，尤其是选自扬氏梭菌PETC、扬氏梭菌ERI2、扬氏梭菌C01和扬氏梭菌O-52的菌株，这些描述在WO 98/00558和WO 00/68407中，以及ATCC 49587、ATCC 55988和ATCC 55989。

[0061] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成乙醇，所用的微生物为Alkalibaculumbacchi ATCC BAA-1772、穆尔氏菌属HUC22-1、扬氏梭菌、拉氏梭菌或产乙醇梭菌。关于实施方法步骤A)的相应指导可以参见例如：

[0062] Saxena等，Effect of trace metals on ethanol production from synthesis gas by the ethanologenicacetogen Clostridium ragsdalei，Journal of Industrial Microbiology&Biotechnology，第38卷，第4期(2011)，513-521；

[0063] Younesi等，Ethanol and acetate production from synthesis gas via fermentation processes using anaerobic bacterium Clostridium Ijungdahlii，Biochemical Engineering Journal，第27卷，第2期，2005年12月15日，110-119页，[0064] Sakai等，Ethanol production from H2 and CO2 by a newly isolated thermophilic bacterium，Moorella sp.HUC22-1。Biotechnology Letters，第26卷，第20期(2004)，1607-1612；以及

[0065] Abrini等，Clostridium autoethanogenum，sp.nov.，an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide，Archives of Microbiology，第161卷，第4期(1994)，345-351。

[0066] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成乙酸乙酯，且使用了产乙酸菌。进行此可选优选实施方案的方法步骤C)的指导描述于WO2012162321中。

[0067] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成丁醇，且使用了产乙酸菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于US20110236941中。

[0068] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成己醇，且使用了产乙酸菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于US20100151543中。

[0069] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成2，3-丁二醇，且使用了产乙酸菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于US20120252082和WO2012131627中。

[0070] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成异丙醇，且使用了产乙酸菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于US20120252083中。

[0071] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成2-羧基丁酸，且使用了产乙酸菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于EP12173010中。

[0072] 利用产乙酸菌进行方法步骤C)，优选在厌氧环境下。

[0073] 然而，如果在有氧条件下进行方法步骤C)，也是可以的，并因此是根据本发明的方法的优选可选实施方案。

[0074] 这应理解为意味着O2存在于方法步骤C)过程中。

[0075] 方法步骤C)的情况下，例如通过引入空气将氧气进料至发酵器中。

[0076] 在此情况下，优选在方法步骤C)中使用氢氧化细菌。

[0077] 氢氧化细菌的使用同样具有以下技术效果：用于方法步骤C)的气体流可临时降至最小值，甚至可以完全中断。此种类型的细菌，实际上习惯于在最不利的环境下生存，可在发酵器中存留很长时间而无需特别的照料和营养。另外，氢氧化细菌的使用导致以下技术效果：形成的多余能量可立即使用，因为一旦恢复气体流，细菌可立即重启它们的新陈代谢并将气体转化为有机物。

[0078] 术语“氢氧化细菌”可理解为表示能够化能自养生长且能够在氧存在情况下从H2和CO2构建具有多于一个碳原子的碳骨架的细菌，其中氢被氧化且氧用作末端电子受体。根据本发明，可用那些天然为氢氧化细菌的细菌，或通过基因修饰变成氢氧化细菌的细菌，例如诸如大肠杆菌细胞，作为必需酶的重组插入的结果，已经能够在氧存在情况下从H2和CO2构建具有多于一个碳原子的碳骨架，其中氢被氧化且氧用作末端电子受体。优选地，用于根据本发明的方法中的氢氧化细菌是作为野生型已经为氢氧化细菌的那些。

[0079] 根据本发明优选使用的氢氧化细菌优选自：无色杆菌属(genera Achromobacter)、硫杆菌属(Acidithiobacillus)、嗜酸菌属(Acidovorax)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、鱼腥藻属(Anabena)、产水菌属(Aquifex)、节杆菌属(Arthrobacter)、固氮螺菌属(Azospirillum)、芽孢杆菌属(Bacillus)、慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、贪铜菌属(Cupriavidus)、德克斯氏菌属(Derxia)、螺杆菌属(Helicobacter)、草螺菌属(Herbaspirillum)、产氢杆菌属(Hydrogenobacter)、Hydrogenobaculum、噬氢菌属(Hydrogenophaga)、嗜氢菌属(Hydrogenophilus)、Hydrogenothermus、氢弧菌属(Hydrogenovibrio)、Ideonellasp.O1、Kyrpidia、生金球菌属(Metallosphaera)、甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)、分支杆菌属(Myobacterium)、诺卡氏菌属(Nocardia)、寡养菌属(Oligotropha)、副球菌属(Paracoccus)、嗜糖假单胞菌属(Pelomonas)、极地单胞菌属(Polaromonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)、假诺卡氏菌属(Pseudonocardia)、根瘤菌属(Rhizobium)、红球菌属(Rhodococcus)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、红螺菌属(Rhodospirillum)、链霉菌属(Streptomyces)、荚硫菌属(Thiocapsa)、密螺旋体属(Treponema)、贪噬菌属(Variovorax)、黄色杆菌属(Xanthobacter)、沃特氏菌属(Wautersia)、其中贪铜菌属(Cupriavidus)是特别优选的。

[0080] 特别是选自物种钩虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)(别名真氧产碱杆菌(Ralstoniaeutropha))、富养罗尔斯通氏菌(Wautersiaeutropha)、真养产碱杆菌(Alcaligeneseutrophus)、真氧氢单胞菌(Hydrogenomonaseutropha)、
Achromobacterruhlandii、嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)、敏捷食酸菌(Acidovoraxfacilis)、嗜氢产碱菌(Alcaligenes hydrogenophilus)、广泛产碱菌(Alcaligeneslatus)、Anabena cylindrica、Anabenaoscillaroides、鱼腥藻(Anabena sp.)、Anabena spiroides、超嗜热菌(Aquifexaeolicus)、嗜火液菌(Aquifex pyrophilus)、节杆菌菌株(Arthrobacter strain)11X、施氏芽胞杆菌(Bacillus schlegelii)、大豆慢生根瘤菌(Bradyrhizobium japonicum)、钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)、胶德克斯氏菌(Derxiagummosa)、大肠杆菌(Escherichia coli)、幽门螺杆菌(Heliobacter  pylori)、Herbaspirillum  autotrophicum、
Hydrogenobacterhydrogenophilus、嗜热氢杆菌(Hydrogenobacter thermophilus、Hydrogenobaculum acidophilum、Hydrogenophaga  flava、帕氏氢噬胞菌
(Hydrogenophagapalleronii)、类黄氢噬胞菌(Hydrogenophagapseudoflava)、螺纹氢噬胞菌(Hydrogenophaga taeniospiralis)、Hydrogeneophilus  thermoluteolus、Hydrogenothermus marinus、海洋氢弧菌(Hydrogenovibriomarinus)、Ideonella sp.O-1、Kyrpidia  tuscia、勤奋金属球菌(Metallosphaerasedula) 、
Methanobrevibactercuticularis、戈氏分枝杆菌(Mycobacterium gordonae)、自养诺卡氏菌(Nocardia autotrophica)，Oligotropha carboxidivorans、脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)、嗜糖假单胞菌(Pelomonassaccharophila)、
Polaromonashydrogenivorans、Pseudomonas hydrogenovora、嗜热假单胞菌(Pseudomonas thermophila)、大豆根瘤菌(Rhizobium japonicum)、混浊红球菌(Rhodococcusopacus)、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、Seliberia carboxydohydrogena、嗜热自养链霉菌(Streptomyces thermoautotrophicus)、桃红荚硫菌(Thiocapsa 
roseopersicina)、Treponema primitia、争论贪噬菌(Variovorax paradoxus)、自养黄色杆菌(Xanthobacter autrophicus)、Xanthobacter flavus，特别是来自菌株钩虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)H16、钩虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)H1或钩虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)Z-1。

[0081] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成2-羧基丁酸，且使用了氢氧化细菌。

[0082] 进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于EP12173010中。

[0083] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成1-丁醇，且使用了氢氧化细菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于EP13172030.2中。

[0084] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成2-丙醇，且使用了氢氧化细菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于EP13172030.2中。

[0085] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成丙酮，且使用了氢氧化细菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于EP13172030.2中。

[0086] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成1-丙烯，且使用了氢氧化细菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于EP13172030.2中。

[0087] 在根据本发明的方法的可选优选实施方案中，在方法步骤C)中形成丁烯，且使用了氢氧化细菌。进行此可选优选实施方案中的方法步骤C)的指导描述于EP13172030.2中。

[0088] 本发明进一步涉及一种用于进行根据本发明的方法的设备，其包括：

[0089] a)持续提供含有CO和/或CO2的气体流的气体源；

[0090] b)将源自气体源的气体转化为电能的发电装置；

[0091] c)将源自气体源的气体转化为至少一种有机物的发酵器；

[0092] d)以及将产自气体源的气体流选择性进料至发电厂和/或发酵器的构件。

[0093] 根据本发明的设备的优选特征在于气体源为炼钢中使用的高炉，其可持续提供高炉煤气作为气体流。

[0094] 根据本发明的设备的发电装置优选包括一个由至少一个涡轮机驱动的发电机。

[0095] 在此情况下，涡轮机优选为燃气轮机，其可完全通过气体流或通过与其他燃料混合来操作。

[0096] 根据本发明，发电装置优选包括用于通过单独燃烧气体流或通过与其他燃料混合产生蒸汽的锅炉，并且涡轮机是可用来自锅炉的蒸汽进行操作的蒸汽轮机。

[0097] 根据本发明的设备优选的特征在于发酵器寄宿有产乙酸菌和/或氢氧化细菌。

[0098] 根据本发明的设备的优选特征在于将气体流选择性地进给至发电装置和/或发酵器的构件包括连接这些设备的管线和控制元件。

[0099] 在此情况下，优选地，控制元件和管线适于以并联和/或串联和/或单独的方式利用气体流对发酵器和发电装置加压。

[0100] 特别优选地，根据本发明的设备的特征在于该设备的所有组件集成在一体化基地(Verbund site)内。

[0101] 本发明进一步涉及根据本发明的设备用于进行根据本发明方法的用途。

[0102] 根据本发明的用途优选用于产生电能和/或制备至少一种有机物。实施例

[0103] 下面在工作实施例的基础上更详细地说明本发明。此处所示：

[0104] 图1：进行所述方法的本发明的设备(示意图)。

[0105] 图1示出了用于进行所述方法的根据本发明的设备的示意性构造。

[0106] 气体源1，以传统的用于炼钢的高炉形式，在其头部持续供给高炉煤气，通过相应的气体管线2收回高炉煤气。在炼钢过程中产生的高炉煤气为易燃的副产物气体，该副产物气体具有约45-60％含氮量，范围在20-30％的CO百分率。该高炉煤气还含有约20-25％CO2和2-4％H2。

[0107] 将高炉煤气传送至控制单元3。这是本身已知的阀，这使得可以通过气体管线4在发电装置5的方向和/或通过气体管线6在发酵器7的方向从气体源1引导流入的气体。控制元件3在此能够将气体流完全且唯一地引入发电装置5或完全且唯一地引入发酵器7。此外，控制元件3可设置在中间位置，这能够将气体流同步供给至由同一或不同比例制成的发电装置5和发酵器7。

[0108] 通过常规的本身已知的燃气轮机或蒸汽轮机，进入发电装置5的气体在其中转化为电能，所述电能作为电流8从发电装置5中排出。如果使用蒸汽轮机，这可专门通过来自气体源1的气体或通过加入外部燃料来操作。如果使用蒸汽轮机工艺，用于产生蒸汽的锅炉还可用来自气体源1的气体或另外借助于外部燃料来加热。还可以在发电装置5中将燃气轮机工艺与蒸汽轮机工艺结合。此处描述的用于从气体发电的技术为现有技术公知，且无需在此进一步说明。

[0109] 源自气体源1的气体比例，通过气体管线6在发酵器7方向上传送，在其中通过细菌9转化为从发酵器7排出的有机物10。

[0110] 细菌9优选为产乙酸菌或氢氧化细菌的形式。用于将含有CO和/或CO2的气体转化为有机物的合适细菌和发酵工艺在上述引用的现有技术中公知，因此不需详细说明。

[0111] 制备实施例1：利用间断性气体供应的包含H2和CO2的气体流，使用钩虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)细胞的3-羟基丁酸(3HB)。

[0112] 钩虫贪铜菌PHB-4的生产阶段用于将氢氧(oxyhydrogen)生物转化为3-羟基丁酸(3HB)。采用这种方法，细菌从被引导的气相中获取H2和CO2并形成3HB。为了培养，使用利用丁基橡胶瓶塞以气密方式密封的耐压玻璃瓶。

[0113] 为研究3-羟基丁酸的形成，首先使钩虫贪铜菌菌株铺散在含有抗生素的LB-R琼指板上，并在30℃下温育3天。

[0114] 为进行预培养，在500ml耐压玻璃瓶中，在200ml的H16矿质培养基(根据Schlegel等，1961年所修订的)中培养菌株。该培养基由以下组成：Na2HPO4×12H2O(9.0g/l)；KH2PO4(1.5g/l)；NH4Cl(1.0g/l)；MgSO4×7H2O(0.2g/l)；FeCl3×6H2O(10mg/l)；CaCl2×2H2O(0.02g/l)；微量元素溶液SL-6(Pfenning，1974)(1ml/l)。

[0115] 微量元素溶液由ZnSO4×7H2O(100mg/l)，MnCl2×4H2O(30mg/l)，H3BO3(300mg/l)，CoCl2×6H2O(200mg/l)，CuCl2×2H2O(10mg/l)，NiCl2×6H2O(20mg/l)，Na2MO4×2H2O(30mg/l)组成。通过加入1M的NaOH将培养基的pH调至6.8。

[0116] 用来自温育的琼脂板的单菌落对瓶接种，并且在N2/H2/O2/CO2混合物(比率为80％/10％/4％/6％)上化能自养地进行培养。在28℃、150rpm以及11/h的气体流速下进行
137小时，高至OD＞1.0下，在开放水浴摇床上温育培养物。通过气体供应块料
(Begasungsfritte)将气体引导至培养基中，所述气体供应块料具有10μm的孔径并连接至反应器中心的气体供应管。随后离心细胞，并用10ml的洗涤缓冲液(0.769g/L NaOH，利用含
6％CO2的气体在28℃和150rpm下通气至少一小时)洗涤并再次离心。

[0117] 对于生产阶段，将足够的洗涤细胞从生长培养物转移至200mL生产缓冲液(NaOH(0.769g/L)，利用含6％CO2的气体在28℃和150rpm下通气至少一小时，pH设定为约7.4)，设定OD600nm为1.0。在气体流速为11/h且具有N2/H2/O2/CO2混合物(比率为80％/10％/4％/6％)的开放水浴摇床上，在28℃以及150rpm下在耐压500ml玻璃瓶中化能自养地进行主要培养188小时。通过气体供应块料将气体引导至培养基中，所述气体供应块料具有10μm的孔径并连接至反应器中心的气体供应管。116小时的培养周期后，气体供给切换至100％N2进行24小时，然后利用初始气体混合物(N2/H2/O2/CO2，比率为80％/10％/4％/6％)再次进行另外44小时。

[0118] 在用于确定OD600nm、pH和产品光谱的每种情况下，采样需要移除5ml的样品。通过半定量的1H-NMR光谱确定产品浓度。所用的内部定量标准物为三甲基硅烷基丙酸钠(T(M)SP)。

[0119] 在生产阶段的整个培养期，116小时后在钩虫贪铜菌(C.necator)菌株中形成270mg/l的3HB，然而在气体供应中断后的培养期的后48小时内，进一步形成140mg/l的3HB。

[0120] 制备实施例2：利用变化的周期间断性气体供应的包含H2和CO2气体流，使用扬氏梭菌(C.ljungdahlii)细胞的乙醇和乙酸盐。

[0121] 在以下实施例中，自养培养野生型扬氏梭菌菌株。

[0122] 使用由以下组成的复合培养基：1g/l NH4Cl、0.1g/l KCl、0.2g/l MgSO4×7H2O、0.8g/l NaCl、0.1g/l KH2PO4、20mg/l CaCl2×2H2O、20g/l MES、1g/l酵母提取物、0.4g/L L-半胱氨酸盐酸盐、20mg/l次氮基三乙酸、10mg/l MnSO4×H2O、8mg/l(NH4)2Fe(SO4)2×
6H2O、2mg/l CoCl2×6H2O、2mg/l Zn(SO4)2×7H2O、0.2mg/l CuCl2×2H2O、0.2mg/l Na2MoO4×2H2O、0.2mg/l NiCl2×6H2O、0.2mg/l Na2SeO4、0.2mg/l Na2WO4×2H2O、20μg/l d-生物素、
20μg/l叶酸、100μg/l盐酸吡哆醇、50μg/l盐酸硫胺×H2O、50μg/l核黄素、50μg/l烟酸、50μg/l泛盐钙、1μg/l维他命B12、50μg/l对氨基苯甲酸酯、50μg/l硫辛酸。在来自New Brunswick Scientific的开放Innova 3100水浴摇床中，在具有100mL培养基的500mL隔瓶中以150/分钟的振动频率进行相同的自养培养。所述培养在37℃下进行，无需pH控制。利用
67％H2和33％CO2的合成气体混合物在0.8bar的正压下对反应器加压。为了补充消耗的气体，在反应器的顶部空间，每天完全替换一次气体环境且加压至0.8bar。在开始时利用合成气体对反应器1加压，在24h、48h和72h后分别对反应器2、3和4加压。对于无合成气体的时期，利用67％N2和33％CO2的气体混合物替代地对反应器加压，同样在0.8bar正压下。

[0123] 在实验开始时，用自养生长细胞接种具有0.1的初始OD的反应器。在具有500mL上述培养基的1L瓶中连续进行预培养。通过具有10μm孔径的气体供应块料，利用体积流率为3L/h的合成气体(67％H2，33％CO2)将气体连续供应至培养物。在对数生长期后期，在0.64的OD下(4500rpm，4300g，20℃，10分钟)将细胞厌氧地离心掉。丢弃上清液，并将细胞团块重新悬浮于10mL的上述培养基中。然后使用制备的细胞来接种实际实验。

[0124] 在用于确定OD600、pH和产品光谱的每种情况下，采样需要移除5ml的样品。通过半定量的1H-NMR光谱确定产品浓度。所用的内部定量标准物为三甲基硅烷基丙酸钠(T(M)SP)。

[0125] 在参照实验1中，观察到从一开始的气体消耗(由压降ΔP表示)、pH的连续减小、OD的增加和产物乙酸盐和乙醇的增加。

[0126] 在反应器2、3和4中，在无合成气体时期，在每种情况下均可观察到无pH降低，无OD增加且乙酸盐仅小幅增加。如果反应器2、3和4的顶部空间内的气体环境在24h、48h和72h时间点从N2/CO2变化为H2/CO2，并且因此以合成气体供应细胞，在每种情况下令人意外地再次观察到在实验进一步进程中气体消耗、pH值降低，OD增加和产物乙酸盐和乙醇的增加。

[0127]

[0128] 制备实施例3：利用间断性气体供应的包含H2和CO2的气体流，使用热自养穆尔氏菌(Morella thermoautotrophica)细胞的乙醇和乙酸盐。

[0129] 为将合成气体生物转化为乙酸盐和乙醇，进行使用热自养穆尔氏菌(Morella thermoautotrophica)的培养。采用这种方法，细菌从气相中获取H2和CO2并将这些用于细胞生长和乙酸盐及乙醇的形成。为了培养，使用了利用丁基橡胶瓶塞以气密方式密封的耐压玻璃瓶。其中涉及热自养穆尔氏菌(Morella thermoautotrophica)的所有培养步骤都在厌氧条件下进行。

[0130] 对于热自养穆尔氏菌(M.thermoautotrophica)的细胞培养，每2mL冷冻培养物在2×200mL培养基(ATCC1754培养基：pH 6.0；20g/l MES；1g/l酵母提取物，0.8g/L NaCl；1g/L NH4Cl；0.1g/L KCl；0.1g/L KH2PO4；0.2g/L MgSO4×7H2O；0.02g/L CaCl2×2H2O；20mg/L次氮基三乙酸；10mg/L MnSO4×H2O，8mg/l(NH4)2Fe(SO4)2×6H2O；2mg/L CoCl2×6H2O；2mg/L ZnSO4×7H2O；0.2mg/L CuCl2×2H2O；0.2mg/L Na2MoO4×2H2O；0.2mg/L NiCl2×6H2O；0.2mg/L Na2SeO4；0.2mg/L Na2WO4×2H2O；20μg/L d-生物素；20μg/L叶酸；100μg/L盐酸吡哆醇；50μg/L盐酸硫胺×H2O；50μg/L核黄素；50μg/L烟酸，50μg/L泛酸钙；1μg/L维生素B12；50μg/L对氨基苯甲酸酯；50μg/L硫辛酸，67.5mg/L NaOH；100mg/L L-半胱氨酸盐酸盐)中厌氧地再复活。在开放水浴摇床中，在58℃和150rpm下在耐压1000ml玻璃瓶中培养39小时，该玻璃瓶已经由67％H2和33％CO2构成的预混气体混合物覆盖(überschichteten)至高达1bar的正压。将细胞培养直至OD＞0.2，离心并重新悬浮于新鲜的ATCC1754培养基中。

[0131] 对于培养阶段，将来自生长培养物的足够细胞转移到4×100mL ATCC1754培养基中以确立每种情况下0.1的OD600nm。在开放水浴摇床中，在58℃和150rpm下在耐压500ml玻璃瓶中培养91小时，该玻璃瓶已经被气封至高达1bar的正压。这种情况下，开始时一种培养物由67％H2、33％CO2组成的预混气体混合物覆盖，而其他三种培养物由100％N2覆盖。在由100％N2覆盖的一种培养物中，气相在24小时后与由67％H2、33％CO2组成的预混气体混合物交换，另一种是在48小时后。由100％N2覆盖的第三种培养物的气相没有气相交换。

[0132] 在用于确定OD600nm、pH和产品光谱的每种情况下，采样需要移除5ml的样品。通过半1
定量的 H-NMR光谱确定产品浓度。所用的内部定量标准物为三甲基硅烷基丙酸钠(T(M)SP)。

[0133] 在培养期间，在这种气体环境下，在24小时内，所有由67％H2、33％CO2覆盖的培养物显示出乙酸盐从低于17mg/L增加至高于2000mg/L，并且乙醇从低于8mg/L增加至超过14mg/L，即使这些培养物已经在100％N2环境下预先培养了24或48小时。

[0134] 附图标记列表

[0135] 1  气体源/高炉

[0136] 2  高炉煤气的气体管线

[0137] 3  控制元件

[0138] 4  发电装置方向上的气体管线

[0139] 5  发电装置

[0140] 6  发酵器方向上的气体管线

[0141] 7  发酵器

[0142] 8  电流

[0143] 9  细菌

[0144] 10 有机物