（环境工程专业论文）微杆菌zdm2的分离及其脱硫特性研究.pdf

摘l 摘要 燃料油燃烧引起的硫氧化物的排放是形成酸雨的主要原因。低含硫矿物燃料 的稀缺、高品质清洁燃料油的需求和日益严格的控制标准迫切需要开发燃烧前深 度脱硫技术。生物脱硫( b d s ) 具有选择性高、反应条件温和、设备投资和操作费 用低等优点，是可能取代或补充传统的加氢催化脱硫法、实现燃料油深度脱硫最 有效的技术之一。论文工作围绕着新分离的一株微杆菌( m i c r o b a c t e r i u m s p ) z d m 2 展开，主要研究了该菌的脱硫特性以及在气升式反应器内的脱硫性能。 从不同污泥与堆煤土样中分离出七株菌株，均能专一地切断二苯并噻吩 ( d b t ) 中的c s 键，沿4 s 途径代谢，生成2 一羟基联苯f 2 一h b p ) 。通过对七株菌 株4 6 h 休止细胞和繁殖期生长细胞脱硫活性的比较，筛选出具有较高脱硫活力的 2 4 和7 4 菌株，并在生长温度3 0 ，p h7 0 ，o 5m m o l - l 。1d b t 作为唯一硫源，以 甘油为碳源，用摇瓶培养法测定了它们的生长和脱硫曲线。两菌还能以燃料油中 的其他含硫有机化合物：噻吩、苯并噻吩、二苯硫醚和4 ，6 一二甲基二苯并噻 吩为硫源生长，表现出较广的底物范围，具有较好的燃料浊生物脱硫工业应用前 景。系列实验结果显示2 4 的各项脱硫特性均优于7 4 ，因此进一步的研究采用2 4 菌株。通过生理生化和1 6 sr d n a 的鉴定，2 8 菌株属于微杆菌属，并命名为微杆 菌( m i c r o b a c t e r i u ms p ) z d m 2 ，国内外未见该类属性的脱硫菌株的报道。 研究培养条件对该菌生长和脱硫的影响，发现该菌生长适宜的温度为3 0 ； 对环境p h 变化有良好的耐受性，适宜的初始p h 为6 5 9 5 ；有机氮源比无机 氮源更有利于细胞的生长，然而有机氮源对z d m 2 脱硫活性的表达有抑制作用， 以氯化铵为最佳氮源来生长的最佳浓度为1 0g l ；该菌能利用多种碳源和硫源 进行生长，但以甘油和d b t 为最佳，最适甘油浓度为2 0 窑l 、d b t 投加量为 0 2m m o l ，l - l 。在水溶液和存在有机相的溶液中，z d m 2 的脱硫活性部较高，以 正十六烷为有机相时能提高菌株对d b t 的脱硫活性，但活性持续时间只有9h ， 较水溶液中的2 4h 短。而有机相和水相的不同配比也会影响z d m 2 降解d b t 的效率，通过实验得出两相的最佳配比为1 ：1 ，此时微生物的脱硫活性最高。 微杆菌z d - m 2 的脱硫代谢途径基本上遵循“4 s 途径”，但同时发现另外两 种新产物2 - 甲氧基联苯和联苯，这两种产物能部分消除2 - h b p 对酶的抑制和对 细胞的毒害，从而更有利于生物脱硫。产物2 - i l b p 不仅对z d - m 2 的生长有抑制 作用，对细胞脱硫酶的产生和脱硫酶的活性也有较强的抑制作用。在水溶液中当 2 - h b p 初始投加浓度达到0 1m m 时d b t 就不再降解，此时降解率为2 5 左右， 而以正十六烷为有机相的加入能有效降低2 - h b p 的抑制作用，当2 - h b p 初始投 加浓度达到0 2 m m 时d b t 降解率也有5 0 左右。初次尝试研究了微杆菌z d m 2 镕要 脱除d b t 的产物2 - h b p 的生成动力学，结果表明2 - h b p 生成动力学符合g a r d e n 的相关模型，说踢2 - h b p 的生成与细胞的生长是同步的。 在自行设计的气升式反应器中z d m 2 降解正十六烷中的d b t ，在实验所选 的条件下，通气量为1 8 0l 、h 。时，细菌的脱硫效果最好。休止细胞在生长介质( 培 养基) 和非生长介质( 磷酸缓冲溶液和生理盐水) 中具有几乎相同的脱硫活性。 在水溶液中菌体产生的2 一h b p 随休止细胞的浓度增大而增加，但是菌体的脱硫 活性即2 - h b p 的比生成速率却相反。在气升式反应器中的正十六烷一水溶液体系 也是如此。也就是说，在高细胞浓度条件下，单个细胞的脱硫能力由于传质速率 的影响不能得到充分的发挥。随着正十六烷中的d b t 浓度增加，脱硫速率增大， 但高浓度d b t 又会抑制脱硫活性，实验条件下最佳d b t 浓度为5 7r m n o l - l 。 根据实验结果推断出菌株z d m 2 降解正十六烷中d b t 发生在有机相一水相界面。 关键词：生物脱硫；二苯并噻吩；微杆菌；4 s 途径；产物生成动力学；气升式 反应器 新a 大学女掌t 论_ 支 a b s t r a c t a b s t r a c t v 酗ta m o u n t so fs u l f u ro x i d e sr e l e a s e di n t ot h ea t m o s p h e r eb yc o m b u s t i o no f f o s s i lf u e l sa r e 廿1 ep r i n c i p a ls o u r c e so f a c i dr a i n h i g hs u l f u rc o n t e n t so f t h ec r u d eo i l r e s e r v e s t h en e e df o rf u e l su l t r a l o wi ns u l f u ra n dc o n t i n u e ds t r i n g e n tr e g u l a t i o n sc a l l f o rd e e pd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g i e s b i o d e s u l f u f i z a t i o n ( b d s ) o f f e r sa na t t r a c t i v e a l t e m a t i v eo rm a yb eu s e dc o m p l e m e n t a r yt oh y d r o d e s u l f u r i z a t i o n ( h d s ) d u et ot h e m i l do p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，l o wc o s t sa n dg r e a tr e a c t i o ns p e c i f i c i t ya f f o r d e db yt h e n a t u r eo fb i o c a t a l y s i s i nt h ep r e s e n tw o r k ，b d sw a ss t u d i e dw i t han e w l yi s o l a t e d b a c t e r i a ls t r a i nm i c r o b a e t e r i u ms p z d m 2 s e v e nb a c t e r i a ls t r a i n s c a p a b l e o f c o n v e r t i n gd i b e n z o t h i o p h e n e i n t o 2 - h y d r o x y b i p h e n y lb yc l e a v i n gt h ec a r b o n - s u l f u r b o n d sw e r ei s o l a t e df r o m s l u d g ea n d s o l is a m p l e s a m o n gt h e mt w os t r a i n s ，n u m b e r e d2 ”a n d7 8 ，w e r ec h o s e nf o rf u r t h e r c h a r a c t e r i z a t i o nb e c a u s eo ft h e i r r e l a t i v e l y h i 叠hd e s u l f u r i z a t i o na c t i v i t i e s t 1 1 c i r g r o w t h c l l r v e sw e r e i n v e s t i g a t e d u n d e rt h ec o i l d i t i o no f3 0 ，p h7 0 ，0 5 m m o l l - l d b ta st h es o l es u l f u r - s o u r c e g l y c e r o la sc a r b o nn u t r i e n ti ns h a k i n gf l a s k o t h e ro r g a n i cs u l f u rc o m p o u n d ss u c ha st h i o p h e n e ，b e n z o t h i o p h e n e ，d i p h e n y l s u l f i d a n d4 , 6 d i m e n t h y l d b t c a l la l s ob eu s e da ss u l f u rs o u r c e st o g r o w t hb yt h et w o s t r a i n s ，s h o w i n ga b r o a ds u b s t r a t er a n g e s t r a i n2 ”i sc h o s e nf o rf u r t h e rs t u d ys i n e et h e d e s u l f u r i z a t i o na c t i v i t yo fs t r a i n2 ”w a sb e t t e rt h a nt h a to fs t r a i n7 ”t h i so r g a n i s m d e s i g n a t e d z d m 2 c l u s t e r e dm o s t c l o s e l y w i t hm e m b e r so ft h e g e n u s m c r o b a c t e r i u m ，a sd e t e r m i n e db y1 6 sr r n ag e n es e q u e n c ea n a l y s i s ，a n dw a s 缸s t l v f o u n dt oo u r k n o w l e d g e i n a q u e o u st h e s t r a i n g r e ww e l i i nt h e p hr a n g eo f6 5 9 5 t h eo p t i m a l t e m p e r a t u r e f o r g r o 嘶hw a s3 0 t h o u 曲o r g a n i cr f i t r o g e nw a s b e t t e rt h a ni n o r g a n i c n i t r o g e nf o rs t r a i ng r o w t h ，i ti n h i b i t e dt h ed e s u l f u r i z a t i o na c t i v i t y , a n dt h ea p p r o p r i a t e c o n c e n t r a t i o no f a m l t l o n i u mc h l o r i d ea st h es o u r c eo f n i t r o g e nw a s1 0g l g l y c e r o l a n dd b tw e r es e l e c t e da st h eb e s tc a r b o na n ds u l f u rs o u r c e sf o ri t sg r o w t h a n dt h e o p t i m a lc o n c e n t r a t i o na n da m o u n tw e r e2 0 g l a n d0 5 m m o l l r e s p e c t i v e l y d e s u l f u r i z a t i o na b i l i t yw a ss t u d i e di nt h ep r e s e n c eo fh e x a d e c a n ea sm o d e lo i lw i t ha n o p t i m a lv o l u m er a t i oo fo i l - t o a q u e o u so f1 ：1 i nt h ea q u e o u sa n dm o d e lo i l a q u e o u s s y s t e m ，t h e d e s u l f u r i z a t i o na c t i v i t i e so fs t r a i nz d m 2a n d7 ”w e r ec o m p a r e d i t s h o w e dt h a tt h ep r e s e n c eo fh e x a d e c a n ee n h a n c e dt h ea c t i v i t yo fd e s u l f u r i z a t i o n ， h o w e v e rt h es t a b i l i t yo f t h ed e s u l f u r i z i n ga c t i v i t yw a sw o r s et h a nt h a ti na q u e o n s m e t a b o l i t e sp r o d u c e db vd b td e s u l f u r i z a t i o nw e r ei d e n t i f i e db yg c m s 。a n d t w os u l f u r - f l e ep r o d u c t s ，2 - m e t h o x y b i p h e n y l ( 2 - m b p ) a n db i p h e n y l ，w e r ed e t e c t e di n a d d i t i o nt o2 - h y d r o x y b i p h e n y l ( 2 - h b p ) ，t h ee n dp r o d u c to ft h ep r e v i o u s l yr e p o r t e d s u l f u r s p e c i f i cp a t h w a y ( a l s o c a l l e d4 s p a t h w a y ) n 硷r e s u x t ss u g g e s t t h a tt h e p r o d u c t i o no f2 m b pa n db i p h e n y lh a s 廿l ea d v a n t a g eo fp a r t i a l l ye l i m i n a t i n gt h e i n h i b i t o r ye f 诧c to f 2 h b pa n dt h ep o l l u t i o nf r o md i e s e lo i lc o m b u s t i o n n o t o n l yt 1 1 e g r o w t ho f z d m 2 b u tt h ep r o d u c t i o na n dt h ea c t i v i “o fd e s u l f u r i z a t i o ne n z y m ew e r e i n h i b i t e db y2 - h b p i na q u e o u sp h a s e ，t h ed e g r a d a t i o no fd b tw a ss t o p p e dw t ha d e g r a d a t e da m o u n to f2 5 o n c et h ec o n c e n t r a t i o no f2 - h b pw a sa b o v e0 ，l m m 。 浙 掌_ 士掌位论文a b s t r a c t h o w e v e r w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f2 - h b pw a sa b o v e0 2m m ，t h e 锄o u n to f d e g r a d a t e d e b tw a s5 0 【ts h o w e dt h e p r e s e n c e o fh e x a d e c a n ee f f e c t i v e l y e l i m i n a t e dt h ei n h i b i t o r yo f 2 h b p k i n e t i cm o d e l o f p r o d u c tf 2 - h b p ) f o r m a t i o n h a v e f i r s t l y b e e n a t t e m p t e d t o d e v e l o p t h e m o d e lw a sf o t m dt om e e tg a r d e n s g r o w t h a s s o c i a t e ds c h e m e i , e 2 一h b pi sr e f f e r e dt oa sg r o w t h a s s o c i a t e dp r o d u c t i t s r a t eo f p r o d u c t i o np a r a l l e l st h eg r o w t ho f t h ec e l lp o p u l a t i o n b i o d e s u l f u r i z a t i o no fd b tb vs t r a i nz d m 2i n a l l o i l a q u e o u ss y 。s t e m w a s c a r r i e do u ti nas e l f - d e s i g n e da i r l i f tb i o r e a c t o r , t h eo p t i m a lg a sv o l u m ew a s1 8 0l h t h ed e s u l f i a r i z a t i o no f r e s t i n gc e l l so f z d - m 2c o u l db ep r o c e e d e di nt h en o n g r o w t h m e d i a ( s a l i n e a n d p h o s p h a t eb u f f e r ) a se f f i c i e n t l ya si nt h eg r o w t hm e d i u r n ( b s m ) i n a q u e o u ss y s t e m t h ec o n c e n t r a t i o no f2 一h b pp r o d u c t e db yd e s u l f u r i z a t i o nr e c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n ge e l lc o n c e n t r a t i o n w h i l et h e s p e c i f i cp r o d u c t i o n r a t eo f2 h b p d e c r e a s e d t h i sw a st h es a m ea st h a ti no i l a q u e o u ss y s t e mi nt h ea i r l i f tb i o r e a c t o r , w h i c hp r o b a b l yi n d i c a t e dt h a tu n d e rh i g hc e l lc o n c e n t r a t i o n t h ed e s u l f u r i 2 ：a t i o n a b i l i t yo fs i n g l ec e l lw a sr e s i s t e db ym a s st r a n s f e r t h ed e s u l f u r i z a t i o nr a t ei n c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s i n go fd b t c o n c e n t r a t i o na sw e l l ，w h i l eh i 曲d b tc e n c o n t r a t i o n w o u l di n h i b kt h ea c t i v i t yw i t ha no p t i m a lo f5 7m m o l l t h er e s u l t ss u g g e s tt h a t d e s u l f u r i z a t i o no f d b ti nh e x a d e c a n eb vz d m 2t a k e sp l a c ea to i l - a q u e o u si n t e f f a c e k e y w o r d s ：b i o d e s u l f u r i z a t i o n ；d i b e n z o t h i o p h e n e ；m i c r o b a c t e r i u ms p ；s u l f u r s p e c i f i c p a t h w a y ；p r o d u c t f o m m t i o nk i n e t i c ；a i r l i f tb i o r e a c t o r 浙 掌掌m 镕，： 第一章课题背景 能源和环保是当今世界面临的主要问题。矿物燃料是当今世界的主要能源， 然而矿物产品的大量使用给人类生存的环境带来了巨大的压力：c 0 2 的排放造成 温室效应，氮氧化物、硫氧化物的排放是形成酸雨的主要原因，这将严重威胁自 然界的生态平衡。同时，车用燃料油中的硫对汽车工业带来很大的影响。硫的存 在严重影响柴油机动车的氮氧化物( n o x ) 尾气转化和颗粒物( p m ) 过滤系统的效 率。降低车用燃料油中硫含量对于改善机动车尾气排放质量从而保护环境具有十 分重要的意义。 我们日常所用的燃料油中的硫主要来自所加工的原油，而各类原油具有不同 浓度水平的含硫化合物。不同来源的燃料油中硫含量相差很大，其重量百分比大 约在0 0 3 一l o 的范围内变化。原油中的含硫化合物大致可分为无机硫和有机 硫。无机硫主要由溶解或悬浮在油中的元素硫、硫化氢、硫化物和硫铁矿等组成； 而占含硫量的大部分的是石油中大约有2 0 0 种左右之多的有机硫，这些有机硫由 各种硫醇、硫醚和噻吩及其衍生物组成。随着世界高含硫原油的不断增加，原油 中的硫含量预计将从t 9 8 5 年的0 ，9 上升多1 2 0 l o 年的1 4 ，炼油厂每年都将投入 巨大的财力用来生产加工符合要求的低硫石油产品【i 。 日益严峻的环境形势对环保的要求变得越来越严格。欧美、日本、加拿大等 发达国家特别重视燃油质量的提高，纷纷制定了日益严格的超低硫柴油和汽油生 产标准1 2 - 4 1 。立法规定2 0 0 3 2 0 0 8 年以后柴油硫含量标准为5 0u g 以下，甚至要求 在1 0 一1 5ug 偿以下。也就是说在现有柴油硫含量基础上再将其中的硫含量脱除 9 0 以上。因此，对燃料燃烧前进行深度脱硫已迫在眉睫。 我国是发展中国家，也是石油生产和燃料消耗的世界大国之一。严峻的环境 形势，促使我国实施可持续发展战略，大力推行清洁生产技术。我国已颁布一系 列环保法规，提出2 0 0 3 年1 月1 同起，将柴油硫含量从2 0 0 0pg 儋降至3 0 0ug g ，十 六烷值从现在的4 0 提高n 5 3 。将汽油硫含量从0 1 5 降至0 1 0 ，其中三个主要 城市实行汽油硫含量0 0 8 标准。因此，研究开发高效、低成本的燃料脱硫技术。 将对我国的环境保护和可持续发展战略产生积极而深远的影响。 传统的工业脱硫方法主要是物理方法和化学方法。物理方法只能脱除元素 硫；化学方法主要是加氢脱硫( h y d r o d e s u l f u r i z a t i o n , h d s ) 。h d s 是在高温( 3 0 0 ) 、高压( 1 0m p a ) ，氢环境和金属催化荆的条件下进行的脱硫反应。该法可有 效地脱除无机硫和简单的有机硫化合物，而对于稠环噻吩类含硫化合物，如二苯 并噻吩( d i b e r , z o t h l o p h e n e ，d b t ) ，特别是烷基取代d b t 衍生物，h d s 技术更难以 脱除【5 拍j 。而d b t 及其d b t 衍生物又是石油高沸点馏分的主耍含硫成分。因此， 低硫及超低硫油品的生产要求使得h d s 过程反应条件越来越苛刻，设备和操作费 用急剧增高。并且现有的反应器不能满足使用要求，需要进行设备的更新。因此， 迫切需要寻投一稚能从石油或石油产品中脱除硫却又不造成石油燃烧值降低并 经济可行的脱硫新工艺。 生物脱硫技术( b i o d e s u l f u r i z a t i o n ，b d ，又称生物催化荆髓硫，是一种在常 温常压下利用需氧、厌氧菌去除杂环化合物中结合的有机硫的一种新技术。脱硫 细菌中的酶可以在常温、常压条件下有选择性地氧化琉原子进而分开碳硫键，而 含硫化合物其烃类母体的骨架并不受到影响，也就是说并不影响烃的燃烧热值， 从而为深度脱硫提供了可能性。据估计，b d s 的设备投资仅为h d s 的5 0 ，操作 费用将减少1 0 一2 0 f 7 】，具体两种工艺技术经济比较见表1 1 。从环保和能源两 方面综合考虑，用b d s 替代h d s ，或同l i d s 共同作用生产超低硫石油产品将是各 国炼油工业的抉择之一悼j 。 表】一1 两种工艺技术经济比较 t a b l el - 1c o m p a r i s o no f l i d sa n db d s p r o c e s s 项目h d sb d s 优点技术成熟，处理量人，产晶质量好常温常压，能耗低，操作费用低，不要氢 缺点高温高压，技术复杂，能耗高，操作费用未工业化，菌株复杂，活性不高，占地面 高，需硫同收装置，氢耗火积大 经济性经济性投资巨大投资额为h d s 的5 0 ，操作费用为h d s 的 7 5 9 0 注：本课题受中国国家自然科学基金( 项目编号：2 0 2 7 6 0 6 8 ) 的资助。 第二章文献综述 由于自然界中细菌的存在，炼油厂的废水和焦油污染的土壤里的硫化物的 部分在自然条件下会发生生物降解，这为油品的生物脱硫提供了理论基础和事实 依据。自然界中代谢有机硫化合物的细菌不是很多，生物脱硫技术主要利用筛选 的特效菌种对油品中含硫化合物有很高的降解能力的特点，使油品中的有机硫化 合物变成水溶性的产物，从而进一步从油品中分离出来。 生物催化脱硫技术( b d s ) 是在温和的条件下，利用适宜的细菌或酶代谢过 程选择性催化的脱硫反应，释放出硫而将烃类保存下来的过程。细菌的生存是以 硫而不是碳为能源。在生化反应过程中，细菌或酶可以再生或自身补充。生物脱 硫反应的选择性高，可在常温常压不需要氢气的条件下进行，其设备投资比催化 氢化脱硫低5 0 ，操作费用降低1 5 ，能有效地除去催化加氢脱硫难以除去的 芳香含硫杂环有机物。生物脱硫是2 1 世纪很有发展前途的脱硫技术之一。 2 1生物脱硫的研究进展 发展工业化的微生物催化脱硫( b d s ) 技术必须解决以下几个方面的问题： ( 1 ) 微生物脱硫过程的作用对象和条件；( 2 ) 生物催化剂。包括：选育高效、 专一脱硫的生物体；通过d n a 技术，产生高专一性、高活性的生物催化剂；( 3 ) 微生物催化脱硫的机理及有关工艺；( 4 ) 适用于微生物脱硫过程的反应器及过程 中涉及的工程问题，如生化反应器的设计，混合技术、分离技术及副产品处理策 略等。生物催化脱硫技术的研究正是围绕这几方面展开的。 1 9 3 5 ，m a l i y a n t z 曾报道用硫还原菌脱除了原油中的硫【9 1 。5 0 年代s t a w i n s k i 公 布了第一份石油生物脱硫的专利【1 们，后来的几十年中，由于相关技术的缺乏， 研究的内容被局限在自然筛选能有效脱硫的微生物上，这期间陆续发表了许多专 利，但都没有工业应用。7 0 年代，研究方向转到生物脱硫代谢机理上，但以提出 各种假说为主。8 0 年代，生物技术的飞跃发展，给b d s 技术研究带来了新的生机。 人们把生物脱硫的研究重点放在以石油中含量多，含硫杂环有机化合物二苯并噻 吩( d b t ) 为模式化合物i t i l 的微生物降解研究领域，阐明了b d s 代谢机理。1 9 8 8 年， 美国天然气研究所的研究人员们在微生物脱硫方面取得了突破性进展，他们分离 到一株选择性脱除d b t 中硫的细菌嘏h o d o c o c c u sr h o d o c h r o u s i g t s 8 ，a t c c 5 3 6 9 8 ) ，并于1 9 9 0 年申请了美国专利1 1 2 , 1 3 】。1 9 9 1 年，此项专利被休 斯顿能源生物公司( e b c ) 买断，随后，休斯顿能源生物公司在1 9 9 2 年将此专利菌 株( i g t s 8 ) 的相关基因进行了克隆和测序，这是生物脱硫研究发展史上的一个罩 程碑【4 。9 0 年代后期，利用基因操作手段克隆了能使c s 键断裂的专一性菌种的 浙4 学掌镕i 脱硫基因，构建了能高效表达的脱硫工程菌，提出了加氢脱硫( h d s ) 和b d s 相结 合达到深度脱硫的处理工艺，目前已完成了实验室试验，并进行了中试。此外， 他们还进行了b d s 的技术概念设计和工业经济评估。p e t r o s t a r 炼油公司与e b c 及 其他公司联合，预计2 0 0 2 2 0 0 5 年在阿拉斯加州建成5 0 0 0b d 的柴油生物脱硫生产 示范装置【i 。 从发表的文献看，一些脱硫微生物的应用、脱硫机理和途径、脱硫动力学及 工艺条件的研究、各种微生物脱硫基因的鉴定和分离技术的应用在近十年的文献 报道中占据了主导地位删。 目前，许多政府、公司、大学等机构已投身于生物脱硫这个浪潮中。其中规 模较大的有e b c 、日本石油能源中心、t s u k u b a 大学 1 6 , 1 7 、t o t o r i 大学 1 8 , 1 9 】、美国 天然气技术研究所 1 1 0 0 1 、美幽o a k 鼬d g e 国家实验室口1 、美i n b r o o k h a v e n 家实 验室 2 3 j 。此外，加拿大 “1 、韩国 2 5 ，2 们、德国阢瑚1 、意大n 1 2 9 , 3 0 1 、西班牙 3 1 1 、中 国 3 2 3 3 1 及其它国家的研究机构也在致力于这方面的研究。但到目前为止，生物脱 硫还没有进入工业化生产，走在生物脱硫最前沿的仍是e b c 。 2 2 微生物脱硫的代谢机理 生物脱硫主要是利用某些特殊菌种对燃料油中含硫化合物有极高消化能力 这一特点，使存在于油中不溶于水的含硫化合物在生物催化剂的作用下变成水溶 性的化合物，从而可从油中分离出来。石油中有机硫种类很多，目前已验证并确 定结构的约2 0 0 多种，包括硫醇、二硫化合物、硫醚和含硫的杂环化合物噻吩等， 其中有7 0 是以杂环化合物形式存在的二苯并噻吩( d b t ) 及其烷基化衍生物 ( c 。d b t ) “1 。沸点较低的含硫有机物很容易脱去，而随着噻吩类含硫化合物的 环数的增加，多环噻吩因空间位阻效应使加氢脱硫催化剂反应活性迅速降低。因 此，d b t 及其衍生物作为典型的难脱除有机硫的代表物，常被用作模型化合物 评价脱硫效果。近十几年来，许多研究者主要将d b t 的降解脱硫作为模型反应 来研究，取得了很多有价值的研究成果，并搞清楚了它们的代谢机制是由于微生 物酶的作用。因此，对于酶脱硫途径，研究者进行了深入的研究。 酶脱硫途径主要有两种，一种是还原途径，另一种是氧化途径。还原过程与 h d s 过程很相似，在还原菌种的作用下，脱除有机硫化合物中的硫，生成硫化 氢气体，此过程由于没有氧的存在，可以防止烃类物质的氧化，减少油品热值的 损失。但还原菌种脱硫率不高，并且很难降解芳香族含硫化合物，特别是d b t 及其衍生物。因此，常常采用氧化法脱硫路线。在氧化路线中，有机硫被转变为 硫酸盐。其脱硫路线分为两种途径，一车枣是碳代谢的k a d m 矾a 途径，另一种是硫 代谢的4 s 途径。三种路径如图2 - 1 所示【3 ”。 反应 ：，乓2 ，hz o ，二，哩，o h 一 l 。 一h 2 s o4 b 图2 1d b t 生物脱硫的三种途径 f i g 2 1t h r e e p a t h w a y sf o rb i o d e s u l f u r i z a t i o no f d b t ( a ) k a d a r n a 路线，( b ) 4 s 途径，( c ) 还原路径 k a d a m a 路线如图2 - 1 ( a ) 所示。这一路线是在从土壤中分离出的假单胞菌( 如 p s e u d o m o n a s ) d 4 1 ，拜叶林克氏菌p 咖，加c t 汹3 6 】及不动杆菌口c 扬b m 6 a c 招n 和根瘤 菌( r h i z o b i u m ) 1 3 7 j 的混合培养中发现的。k o d a m a 代谢路径是在非硫选择性生物催 化剂的作用下，剪断苯环上的c c 键，将d b t 代谢成可溶入水的3 一羟基苯并噻 吩一2 甲醛。由于整个含硫化合物转入水相，油中含硫百分比并没有减低多少， 反而降低了有价值烃的热值，工业化应用价值小。若油中含硫化合物以d b t 计 算，则其质量约为硫原子的5 3 倍，即硫质量分数为o 2 的油品脱硫后收率约 损失1 0 【3 8 1 。4 s 氧化路径是一种硫选择性氧化过程，在生物催化剂的作用下， 选择性的剪断含硫化合物中的c s 键，将有机化合物中的硫原子氧化成无机硫化 合物转入水相，含硫化合物脱去硫原子后仍留在油相中，不损失油的热值。脱硫 过程中，有四种酶( d s z a 、d s z b 、d s z c 、d s z d ) 参与反应，d b t 首先在d s z c 酶催化作用下氧化为d b t 亚砜( d b t o ) ，d b t o 在同种酶的作用下氧化为d b t 砜( d b t 0 2 ) ，d b t 0 2 又在d s z a 酶的催化作用下氧化成羟苯基磺酸盐( h p b s ) ， 最后在d s z b 酶的作用下脱去硫，得到邻苯基苯酚( h p b ) 【3 9 】，具体过程如图2 2 所示。d s z a 和d s z c 酶的催化作用需要在n a d p h f m n 氧化还原辅酶的共作用 下才能完成，并通过d s z d 酶来活化和提高催化活性 4 0 。d s z a 酶的催化反应速 率比d s z c 酶快5 1 0 倍，最后一步d s z b 酶的催化反应最慢，是该脱硫过程的 限速步骤【4 j 】。普遍认为这种脱硫方式最具有工业化应用价值。 窖 颐 咄 一h-， 蓟 h o加讲 ： 了。 扩瓣一。 莲i 0 h ( 5 ) l 口 。仃 t ) h 哪唔 图2 - 2d b t 脱硫的“4 s 途径” f i g 2 - 24 s p a l h w a y f o rb i o d e s u l f u r i z a t i o no f d b t 2 3 脱硫生物催化剂 3 山虹 生物转化有机硫化合物是在生物催化剂的作用下实现的。生物催化剂是一 种具有催化脱硫特性的蛋白质有机体，微生物细胞、从细胞中提取的酶以及通过 基因突变产生的酶都可以作为催化剂来使用。目前对于生物催化剂的研究主要是 脱硫菌种的筛选和分子生物学和酶学研究两个方面。 2 3 1 高效、专一脱硫微生物的选育 能用于生物脱硫的菌种很多，由于酶催化反应的专一性，不同菌种对底物 的选择性和脱硫机理都不样。目前研究重点主要是筛选出选择性宽，以4 s 氧 化方式脱硫的优势菌种。 r h 口d o c o c c u se r y t h r o p o l i si g t s 8 【b 】是最早分离出的具有硫选择性催化反应 的菌种之一，目前对该菌种研究较为成熟，最有可能实现工业化应用h 副。该菌 种的发现，使得生物脱硫技术向前迈进了一大步，随后开发出一系列与之代谢 途径相似的菌种，包括b a c i l l u ss p s t r a i n 【1 2 1 c o r y n e b a c t e r i u ms y i 【4 、r h o d o c o c c u s p r y t h r o p o l i s d l 4 4 1 、m y c o b a c t e r i u ms p s t r a i ng 3 1 4 5 | 、c o r y n e b a c t e r i u ms p s t r a i n p 3 2 c 1 ( 4 “、s p i n g o m o n a ss p s t r a i n a d l 0 9 4 7 峰。这些菌种都是以d b t 为模型化合 物来进行脱硫过程研究。 实际燃料浊中还含有其他比d b t 更难降解的苯并囔吩类有机硫化合物，包 括d b t 衍生物( d b t s ) 、苯并噻吩( b t ) 及其衍生物( b t s ) 等，因此需要筛 选出选择性更宽的菌种，能同时降解这些化合物，才能实现燃料油生物脱硫技术 工业化，达到低硫或无硫清洁燃料油标准。 m k l e e 等 4 目分离出的a r t h r o b a c t e rs p e c r d 1 菌种能脱除d b t 和4 ，6 二 乙基d b t 中的硫，以其中一种为唯一硫源培养时，两者脱硫率相同，最后得到 羟基化合物，但以两者混合物为硫源时，菌种更偏向于代谢d b t 。将该菌种直 接用于直馏柴油脱硫，能完全脱除3 0 左右的硫，剩余7 0 含硫化合物中，有 5 0 被转化为相应氧化物的形式留在油相中。 g i l b e r t 等【4 9 】分离出能够完全降解b t 的菌种g o r d p n i as p 2 1 3 e ，并对其脱硫 机理进行研究，结果表明该菌种脱硫也是以剪断c s 键的方式进行，不损失烃的 热值，但该菌种不能在以d b t 为单一底物的介质中生长。 r h e es u n g k e u n 等1 2 5 l 筛选出的g o r d o n as p c y k s1 和n o c a r d i as p c y k s 2 菌 种能够脱除柴油馏分中二十几种含硫有机物中的硫，包括d b t 及其衍生物，菌 种选择性很宽，认为很有工业化应用前景。 r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i si 1 9 菌种垆u j 可以降解d b t 及c x d b t s ，脱硫率高 于g o r d o n as t r a i n c y k s l 等其它菌种，通过对其降解动力学进行了研究，发现含 硫化合物中烷基位置和烷基化程度不同，反应活性都不一样，烷基化程度越高， 反应活性越低。 m o r i ok o b a y a s h i 等【5 l j 筛选出的r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i sk a 2 5 1 菌种能降 解d b t 、b t 及其它们的衍生物，选择性很宽，具有很稳定的高脱硫活性。该菌 种含有与r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i si g t s 8 相同的d s z a b c 基因，能将d b t 和b t 及其它们的衍生物转化为相应的砜。 r h o d o c o c c u ss p p 3 2 c 1 【5 2 j 是最新分离出的能直接用于柴油脱硫的菌种，在静 态细胞反应条件下，该菌种对含硫3 0 3ug g 的轻柴油和含硫1 0 0 0pg g 的柴油脱 硫率分别为4 8 5 和2 3 7 ，比g o r d o n as t r a i nc y k s l 具有更好的反应活性。 由于石油炼制过程中的精馏后，即使在h d s 过程后，油品温度都较高，如果 能分离出选择性宽、耐高温的菌种就可以省略原料冷却工艺而直接采用生物脱 硫。j k o n o s h i 等1 5 驯分离出的p a e n i b a c i l l u ss t r a i na 1 1 - 2 菌种在b t 或d b t 为单一硫 源的介质中都能生长，而且是一种嗜热菌，能在5 0 。c 条件下生长。该菌种脱硫也 是以剪断c s 键的方式进行，d b t 和b t 被首