（环境工程专业论文）新分离菌株对燃料油中有机硫的代谢途径及脱硫特性研究.pdf

浙江大学硕士拿住论文 摘要 摘要 燃料油燃烧引起的s 0 2 排放是形成酸雨的主要原因。随着社会经济的发展， 人们对高品质清洁燃油的需求越来越大，而现状则是高含硫原油的不断增加，日 益严格的环境控制标准迫切需要开发燃烧前深度脱硫技术。生物脱硫 ( b i o d e s u l f u r i z a t i o n ，b d s ) 技术具有选择性高、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，实现燃料油深度脱硫最有 效的技术之一。本论文围绕新分离的专一性脱硫菌株分支杆菌( m y c o b a c t e r i u m s p ) z d 一1 9 ，研究了该菌的生长脱硫特性，各种有机硫化合物的代谢途径以及模 拟燃料油中休止细胞的脱硫特性。 首先，分离、筛选得到高活性的专一性脱硫菌。根据脱硫微生物的生长特性 和代谢机理，从采集的不同污泥和土样中分离得到7 株以4 s 途径代谢，专一切 断二苯并噻吩( d i b e n z o t h i o p h e n e ，d b t l 中c s 键，生成2 一羟基联苯 ( 2 - h y d r o x y b i p h e n y l ，2 - h b p ) 的菌株。通过对菌株脱硫活性和特性比较，本实验选 择1 9 ”菌株进一步研究。1 6 sr d n a 的鉴定表明，1 9 “菌株属于分枝杆菌属 ( m y c o b a c t e r i u ms p ) ，命名为z d 一1 9 。 第二，考察新分离的分支杆菌z d 一1 9 的脱硫能力。z d 1 9 具有较广的底物脱 硫范围，除能以d b t 为硫源生长外，还能分别以噻吩( t h i o p h e n e ，t m 、苯并噻 盼( b e n z o t h i o p h e r i e ，b t h ) 、4 , 6 一二甲基二苯并噻吩( 4 ，6 一d i m e t h y l d i b e n z o t h i o p h e n e ， 4 , 6 一d m d b t l 和二苯硫醚( d i p h e n y l s u l f i d ，d p s ) 为硫源生长，z d 1 9 休止细胞对各 种有机硫化合物脱硫能力依次为t h b t h d p s d b t 4 , 6 d m d b t ，显示了较好的燃料油生物脱硫工业应用前景。同时，从d b t 和 4 , 6 一d m d b t 混合硫化物脱硫情况来看，z d 1 9 对两种底物的脱硫是同时进行的， 总硫的脱硫活性只与含硫底物的组成和结构有关。 第三，研究z d 1 9 对不同有机硫化物的代谢途径。通过g c m s 检测分析，d b t 代谢产生的终产物为2 一甲氧基联苯( 2 m e t h o x y b i p h e n y l ，2 - m b p ) ，可能是从传统4 s 代谢产物2 h b p 苯环上连接的羟基甲基化生成，延伸了传统的4 s 途径。菌株代谢 d b t 烷烃取代物如4 ，6 一d m d b t 时，同样能把单羟基二甲基d b t 的羟基甲基化， 进步证明了z d 1 9 具有延伸4 s 途径的代谢特性。另外，z d 一1 9 代谢二苯硫醚的 产物分析研究发现，z d 一1 9 将二苯硫醚氧化成水溶性的二苯硫醚亚砜和砜，但没 有检测到进一步的氧化使硫从二苯硫醚分子中释放出来。这条氧化途径类似于 d b t 脱硫中的k o d a m a 途径。 传统4 s 途径的代谢终产物2 h b p 具有生物毒性，对z d 一19 细胞生长和脱硫均 存在抑制。当初始2 h b p 投加浓度0 1m m o l l 时，细胞生长减少一半；随着2 一h b p 浙江大学顾士学位论文 摘要 浓度增加到0 ，5m m o l l ，细胞基本停止生长，休止细胞的脱硫活性也被抑制，只 为初始活性的2 3 ；当2 一h b p 浓度增加到2 0m m o l l ，休止细胞丧失脱硫能力。根 据g c m s 分析，在z d 一1 9 休止细胞降解d b t 过程中，d b t 的降解产物2 h b p 会被 完全转化，生成新产物2 一m b p 。2 - m b p 相比于2 h b p ，极性较小，可能对细胞的 毒性也较小，分支杆菌z d 一1 9 区别于传统4 s 途径的代谢特性，可能有助于部分消 除产物对细胞生长和脱硫的抑制。 第四，以正十六烷为模拟油相，考察油水相比、细胞浓度、d b t 浓度等对 休止细胞脱硫活性的影响。实验结果表明，正十六烷的加入能促进z d 1 9 休止 细胞的脱硫反应，但是油包水的状态会使休止细胞受到毒害，丧失脱硫活力。当 油水两相的体积比为1 0 ，休止细胞菌液浓度选择在1 0 2 0g l 时，菌体的利用 率最高。根据酶促反应动力学研究，在d b t 初始浓度小于5m m o l l 时，z d 一1 9 休止细胞催化反应符合米氏方程，参数v 。和分别为o 4 5m m o l ( l 血) 和1 5 8 m m o l l 。而当d b t 浓度大于1 0m m o l l ，底物抑制开始显现，脱硫反应速率下 降，当达到2 0m m o l l 时，z d 1 9 休止细胞基本丧失脱硫能力。 关键词：生物脱硫；二苯并噻吩；分支杆菌；脱硫途径；燃料油 浙扛大学硕士擘往论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee m i s s i o no fs u l f u r - o x i d e sd u r i n gf o s s i lf u e l sc o m b u s t i o nh a sc a u s e ds e r i o u s a i rp o l l u t i o n s ，s u c ha sa c i dr a i n w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ed e m a n do f c l e a n f u e li se x p a n d e d ，b u ta c t u a l l ys u l f u rc o n t e n to ft h ec r u d eo i lr e s e r v e di si n c r e a s i n g m o r ea n dm o r e s t r i n g e n tr e g u l a t i o n sd e m a n dd e v e l o p i n gd e e p e r d e s u l f u r i z a t i o n t e c h n o l o g i e s i nc o m p a r i s o nw i t hh y d r o d e s u l f u r i z a t i o n ( h d s ) ，b i o d e s u l f u r i z a t i o n ( b d s ) h a st h ep o t e n t i a lb e n e f i t sd u et ot h em i l do p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s ，l o w e rc a p i t a l a n do p e r a t i o n a lc o s t s ，a n ds e l e c t i v er e m o v a lo fs u l f u rf r o ms o m es u l f u rh e t e r o c y c l i c s ， s u c ha sd i b e n z o t h i o p h e n e ( d b t ) a n ds u b s t i t u t e dd b t s ，w h i c ha r er e c a l c i t r a n tt oh d s t h e r e f o r e b d st e c h n o l o g ym a yp r o v i d ea na t t r a c t i v ea l t e r n a t i v eo rb eu s e d c o m p l e m e n t a r i l yt oh d sf o rd e e p e rd e s u l f u f i z a t i o n t h i st h e s i si n v e s t i g a t e dt h e c h a r a c t e r i z a t i o na n dm e t a b o l i cp a t h w a yf o rb i o d e s u l f u f i z a t i o no fo r g a n i cs u l f u r c o m p o u n d sb yn e w l yi s o l a t i o nm y c o b a c t e r i u ms p z d 一1 9 m o r e o v e r ，r e s t i n gc e l l so f z d 一1 9w e r ei n v e s t i g a t e da sb i o c a t a l y s tf o rm o d e lf u e lo i ld e s u l f u r i z a t i o n f i r s tw o r ki st oi s o l a t ea n ds e l e c tb a c t e r i a ls t r a i n sw i t hh j 【曲a n ds p e c i f i ca c t i v i t y o fr e m o v a ls u l f u rf r o mo r g a n i cs u l f u r c o m p o u n d s s e v e nb a c t e r i ac a p a b l eo f c o n v e r t i n gd b t i n t o2 - h y d r o x y b i p h e n y lf 2 一h b p ) b yc l e a v i n gt h ec a r b o n s u l f u rb o n d s w e r ei s o l a t e df r o md i f f e r e n ts o i ls a m p l e s a m o n gt h e m ，s t r a i n1 9 # w a sc h o s e nf o r f u r t h e rs t u d yb e c a u s eo fh i g hd e s u l f u r i z a t i o na c t i v i t ya n de s p e c i a lc h a r a c t e r i z a t i o n b y 1 6 sr d n aa m p l i f i c a t i o na n ds e q u e n c i n g ，1 9 ”w a si d e n t i f i e da sm y c o b a c t e r i u ms p a n dn a m e dm y c o b a c t e r i u ms p z d 一19 s e c o n d l y , t h ed e s u l f u r i z a t i o na b i l i t yo fn e w l yi s o l a t e ds t r a i nm y c o b a c t e r i u ms p z d - 19w a ss t u d i e d t h i ss t r a i nc o u l du s ed b ta n do t h e ro r g a n i cs u l f u rc o m p o u n d s ， s u c ha st h i o p h e n e ( t h ) 、b e n z o t h i o p h e n e ( b t h ) 、4 , 6 - d i m e t h y l d i b e n z o t h i o p h e n e ( 4 , 6 一d m d b t ) a n dd i p h e n y l s u l f i d ( d p s ) a ss o l es u l f u rs o u r c et oc u l t i v a t e ，s h o w i n ga p o t e n t i a la p p l i c a t i o nt ot h ed e s u l f u r i z a t i o no ff o s s i lf u e l s m o r e o v e r ，d e s u l f u r i z a t i o n a b i l i t yo fr e s t i n gc e l l sf o rv a r i o u so r g a n i cs u l f u rc o m p o u n d sw a sp e r f o r m e d ，a n dt h e r e s u l t i s ：t h b t h d p s d b t 4 6 一d m d b t i na d d i t i o n ，w h e nd b ta n d4 , 6 - d m d b ti nam i x t u r ea ss u l f u rs u b s t r a t e ，t h e d e s u l f u r i z a t i o no fz d 一1 9p r o c e e d e ds i m u l t a n e o u s l yw i t h o u tp r e f e r e n c ef o re i t h e r ， w h i c hs h o w e dt h ed e g r a d m i o nr a t eo ft o t a ls u l f u rr e l a t e dt ot h ec o m p o s i t i o na n d s t r u c t u r eo f s u l f u rs u b s t r a t e s t h i r d l y ，t h e m e t a b o l i cp a t h w a yf o rb i o d e s u l f u r i z a t i o no fo r g a n i cs u l f u r i i i 浙江大学项士学位话文a b s t r a e t c o m p o u n d sb ym y c o b a c t e r i u ms p z d 一19w a ss t u d i e d t h ef i n a lp r o d u c to fd b t b i o d e s u l f u r i z a t i o nw a sd e t e r m i n e db yg c m s ，a n di d e n t i f i e da s2 - m e t h o x y b i p h e n y l ( 2 一m b p ) i tw a sp o s s i b l yt h a t2 - h b p ，a st h ef i n a lp r o d u c tp r e v i o u s l yr e p o r t e di n s u l f u r - s p e c i f i cp a t h w a y ( i e 4 sp a t h w a y ) ，w a sf u r t h e rc o n v e r t e dt o2 - m b p t h e m e t a b o l i t e so f4 , 6 一d m d b th a das i m i l a r l yt od b t ，w h i c hs h o w e dt h a tm e t a b o l i c p a t h w a yf o rm y c o b a c t e r i u ms p z d 一1 9 d e s u l f u r z a t i o no fd b ta n di t sd e r i v a t e 4 , 6 - d m d b tw a sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l4 sp a t h w a y ，b u tac o r r e s p o n d i n g l y e x t e n d e d4 sp a t h w a y t h ef i n a lm e t a b o l i t eo fb i o d e s u l f u r i z i n gd b tv i a4 sp a t h w a y , i e 2 - h b p , w o u l d i n h i b i tt h em i c r o b i a lg r o w t ha n dd b td e g r a d a t i o n w h e ni n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f 2 - h b pw a so 5m m o l l ，t h ec e l l sa l m o s ts t o p p e dg r o w i n ga n dt h ed e s u l f u r i z a t i o n a c t i v i t yo fr e s t i n gc e l l sw a sr e p r e s s e db y1 3 t h a nt h a tw i t h o u t2 - h b pa d d e dt ot h e f r e s ha q u e o u sm e d i a a n da t2 - h b pc o n c e n t r a t i o no f2 0m m o l l ，t h es t r a i nl o s ti t s d e s u l f u r i z a t i o na c t i v i t y t h e r e f o r e ，i tw a sp r o p o s e dt h a t p r o d u c t i o no f2 - m b pb y m y c o b a c t e r i u ms p z d - 1 9h a v eap o t e n t i a la 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 i o ne f f e c to f2 h b p f o u r t h l y , e f f e c t so ft h ev o l u m er a t i oo fo i l - t o a q u e o u s ，c e l lc o n c e n t r a t i o na n d d b tc o n c e n t r a t i o no nd e s u l f u r i z a t i o na c t i v i t yo fr e s t i n gc e l l sw e r ei n v e s t i g a t e di n m o d e lo i ls y s t e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r e s e n c eo fn h e x a d e c a n ew o u l d e n h a n c et h ea c t i v i t yo fd e s u l f u r i z a t i o n ，b u to v e r - a b u n d a n c eh e x a d e c a n ea l s ow o u l d p o i s o nt h ec e l l s t h er e s t i n gc e l l so f z d 一1 9h a dh i g h e s td e s u l f u r i z a t i o na c t i v i t ya tt h e v o l u m er a t i oo fo i l - t o a q u e o u so f1 0 ，a n dc e l lc o n c e n t r a t i o no f10 - 2 0g l i na d d i t i o n ， a tl e s st h a n5m m o l ld b ti n i t i a lc o n c e n t r a t i o n ，t h ek i n e t i c so fd b td e s u l f u r i z a t i o n b ye n z y m ec a t a l y s i sc o u l db er e p r e s e n t e da st h em i c h a e l i s - m e n t e ne q u a t i o n ，a n dt h e p a r a m e t e r so f vm “a n dk mw e r eo 4 5m m o l ( l h ) a n d1 5 8m m o l l ，r e s p e c t i v e l y w h e nd b tc o n c e n t r a t i o nw a sm o r et h a n10m m o l l ，s u b s t r a t ei n h i b i t i o nw o u l d a p p e a ra n d d e s u l f u r i z a t i o n a b i l i t y o f r e s t i n g c e l l sw a s r e p r e s s e d a td b t c o n c e n t r a t i o no f2 0m m o l l ，t h er e s t i n gc e l l so fm y c o b a c t e r i u ms p z d - 1 9l o s t d e s u l f o r i z a t i o na c t i v i t y k e yw o r d s ：b i o d e s u l f u f i z a t i o n ；d i b e n z o t h i o p h e n e ；m y c o b a c t e r i u ms p ；m e t a b o l i c p a t h w a y ；f u e lo i l i v 浙江大擘硕士学位论爻舔题背景 课题背景 化石燃料是当今世界的主要能源之一，多年来的持续开发，使得低硫化石燃 料越来越少。随着能源危机的逐步加剧，高硫燃料的开采成为了必然，预计原油 中的硫含量将从1 9 8 5 年的0 9 上升到2 0 1 0 年的1 4 。同时，硫作为矿物燃料中 普遍存在的有害物质，从环境保护考虑，世界各国纷纷采取措施，设定法规来限 制s o z 的排放，如控制燃料的含硫量等。世界范围内硫排放标准的日益严格和原 油含硫量的增加之间的矛盾，使得研究开发经济有效的脱硫技术成为了燃料石化 工业所面临的迫切问题。 生物脱硫( b i o d e s u l f u r i z a t i o n ，b d s ) 技术能选择性的脱除加氢脱硫 ( h y d r o d e s u l f i a r i z a t i o n ，h d s ) 技术难以脱除的含硫稠环类化合物，又具有反应条 件温和、设备投资操作费用低等优点，从能源和环保两方面综合考虑，微生物催 化脱硫是实现超低硫石油产品生产的最有效技术之一。国外一些著名的研究和开 发机构，如美国的能源生物系统公司、橡树岭国家实验室，以及日本的石油能源 中心等，自9 0 年代初期以来己投入数千万美元将b d s 作为关键的高新技术来研究 和开发，美国政府也在最近的几年里从政策和资金上对该项技术的研究和开发给 予了大力支持。我国的一些研究机构，如中科院过程工程研究所、山东大学等对 生物脱硫技术极为关注，做了不少基础研究工作，但与国际水平仍有较大差距。 由于加氢脱硫难以除去二苯并噻吩( d i b e n z o t h i o p h e n e ，d b t ) 及其衍生物，而 d b t 又广泛存在于化石燃料中，所以生物脱硫多以d b t 作为模型化合物来进行 研究。到目前为止，己分离得到几十株能选择性脱除d b t 中硫的菌株，且脱硫 代谢途径及机理已基本阐明，即专一性作用于d b t 的硫，打开c s 键，生成 2 - h b p ，称之为4 s 途径。筛选出按4 s 途径降解d b t 的菌株后，大量研究工作 主要集中在几方面，如从分子生物学和酶学方面，研究4 s 途径关键酶系的基因 分离、鉴定、调控和重组等，开发具备高效脱硫能力的基因工程菌，微生物降解 d b t 的微观反应动力学，以及将脱硫菌运用于实际脱硫工艺的研究等。美国能 源生物系统公司在生物脱硫催化剂的优化及工艺过程方面进行了大量的研究，取 得了显著的进展。为了使b d s 技术走向工业化，今后的工作一方面要筛选和制 备出选择性好、稳定性强、活性高的生物催化剂，探明生物催化脱硫的反应机理， 另一方面需要从优化工艺条件着手，设计具有良好混合特性的生化反应器，寻求 有效分离技术，降低过程运行费用，力争与加氢脱硫过程形成优势互补，达到深 度脱硫的目的。 本研究以d b t 和实际燃料油中常见的有机硫化合物，如d b t 衍生物、噻吩 ( t h ) 、苯并噻吩( b t h ) 等为对象，筛选脱硫范围宽、高活性的生物菌株，研 浙江大学硕士学位论文课题背景 究其生物脱硫的代谢机理，同时研究油水两相系统中催化脱硫的影响条件，为燃 料油生物催化脱硫的实际应用奠定基础。 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 ) 资助。 浙江大擘项士擘住论文 1 文献综连 1 文献综述 1 1 油品中硫的危害及燃油质量的发展 1 1 1 石油中含硫化合物类型 随着全球工业化进程的迅猛发展，矿物燃料的需求量与i q 剧增。我们日常所 用的燃料油中的硫主要来自所加工的原油。各类原油中含有不同浓度水平的含硫 化合物，对7 8 种原油的总硫分析表明，原油含硫总量为0 0 3 7 8 9 f ”。 组成原油中的硫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；而占含硫量中大部分的是石油中 大约2 0 0 种左右的有机硫，这些有机硫由各种硫醇、硫醚和噻吩及其衍生物组成。 美国石油协会( h p l ) 将它们分为1 3 种【2 l ，如图1 1 所示。 硫磷 m e r c a p t a t 耐t h i o l s ) 、 s u 0 5 h刚 堆鞲一ta o y l 。)环垫一t 坼t i 。- 蓐曹蓦一i a t i 。 硫化物 s u l l 由i d e s ( a l i p h a t i co r4 m n m t i c ) s 八巧认o ：烷蔫一( d i a l k y | 一) = 靛壁环基一c _ i k y k y 讪试k y l - ) 坪蕊一 c 捧k 叶 一了 烷麓芳香塾一叫吲矗l y 苯井二氯啐吩t 岫d 柚蛆 二硫化铷( d i s u l p h i d e s ) 一，s s 、，、八3 一s 、 唾吩( t h i o p h m e s ) 图1 1 原油中有机硫的类型 f i g 1 1v a r i o u so r g a n i cs u l f u rc o m p o u n d si nc r u d eo i l s - 3 一 雪 反一 了叫盒勉 厂一 ( 肌 浙江大学硕士学位论文 1 文献综速 原油中的硫醇大部分是低分子量，在石油的炼制过程中易被除去，2 0 0 以 上沸点的石油产品中几乎很少存在。脂肪族硫化物是沸点2 0 0 以上石油产品如 柴油中硫化物的主要成分，芳香族硫化物在较重的馏分中含量较低。虽然噻吩在 原油中很少见，但噻吩的衍生物很多，苯噻吩、二苯噻吩、萘噻吩是高硫原油的 重要组成。而且这些含硫化合物在原油加工过程中不同程度地分布于各馏分油中 p j 。在流化床催化裂化( f l u i d c a t a l y t i ec r a c k e ，f c c ) 汽油中，噻吩和各种取代噻 吩是主要的含硫化合物，其中苯并噻吩( b e n z o t h i o p h e n e ，b t h ) 占3 0 。催化 柴油馏分中的含硫化合物主要是b t h 和二苯并噻吩( d i b e n z o t h i o p h e n e ，d b t ) 及各种烷基取代物。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【4 】。 1 1 2 燃料油中硫的危害 化石燃料是当今世界的主要能源之一，硫几乎是普遍存在于其中的有害物 质，含硫燃料燃烧生成硫氧化物，这些硫化物具有多方面的危害性： ( 1 ) 腐蚀作用：s o x 与水共存时呈酸性，会严重腐蚀设备。在石油精炼过程 中，腐蚀管道，泵和精炼设备，还可导致炼油过程中使用的催化剂中毒。 ( 2 ) 酸雨效应：硫燃烧后生成的s 0 2 、s 0 3 极易与大气中的水蒸气化合成h 2 s 0 3 和h z s o 。蒸汽，含硫的烟气对人体和动、植物都有很大的害处。此外，燃烧排放 的二氧化硫在空气中一旦被氧化，就会与水蒸气生成硫酸雾，继而形成酸雨，严 重影响生态环境和人们的日常生活。 ( 3 ) 燃料中硫的存在会促进汽车尾气中h c 、c o 、n o x 和p m 的排放，毒化对 排放起净化作用的催化剂，导致排气处理系统效率降低，损害氧传感器和车载诊 断系统的性能1 5 j 。所以汽车尾气排污程度与燃料质量的好坏密切相关，降低车用 燃料油中硫含量对于提高机动车尾气排放质量，从而保护环境具有十分重要的意 义。 i i 3 世界燃油质量发展 目益严峻的环境形势对环保的要求变得越来越严格。因此，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【6 8 1 ( 见表1 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 0 i j e d g ，甚至要求在1 0 1 5 肛g 以下。也就是说在现有柴油硫含量基础上需要再 将其中的硫含量脱除9 0 以上。因此，对燃料油燃烧前进行深度脱硫己迫在眉睫。 浙江大学硕士擘往论文i 文献综速 表1 1 一些国家的石油产品硫含量标准 t a b l e1 1p l a n n e ds u l f u rr e g u l a t i o n si ns o m ec o u n t r i e s 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。我国自2 0 0 0 年7 月1 日起首先在北京、广州和上海等城市实施新的燃油标准，到2 0 0 3 年1 月1 日， 国内其它地区也已执行这一标准。根据新标准的规定，汽油中硫化物的含量不得 超过8 0 0 p p m 。与旧标准中1 2 0 0p p m 的含硫量限值相比，新标准更加严格。与此 同时，我国出版了最新的世界汽车燃油规范，该规范要求使用“无硫”或仅含5 - - 1 0p p m 硫化物的汽油和柴油。因此要使我国燃油质量与国际接轨，还有大量的工 作要做。 多年来的持续开发使得低硫化石燃料越来越少，能源危机的逐步加剧使高硫 燃料的开采成为了必然，原油中的硫含量预计将从1 9 8 5 年的0 9 上升到2 0 1 0 年的1 4 。世界范围的硫排放标准的日益严格和高硫原油含量的增加，迫使炼 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。为满足 2 0 0 5 年的燃料规范，欧盟炼油业投资9 0 亿美元。美国为满足柴油含硫5 0 “g 的要求，炼油厂尚需花费5 0 亿美元，若要达到1 5p g 幢的要求，至少需要增加一 倍的投资1 9 j 。因此，研究开发高效、低成本的燃料脱硫技术将成为今后几十年石 油加工工业所面临的迫切问题。 1 2 燃料油脱硫技术 1 2 1 催化加氢脱硫 传统的工业脱硫方法主要是催化加氢脱硫( 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 浙江大季硕士学往论文 1 文献综连 是在高温( 3 0 0 ) 、高压( l om p a ) 、氢环境和金属催化剂的条件下，通过催化过 程将有机硫转化成h 2 s 气体的脱硫反应。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 4 , 1 0 j 。而d b t 及其d b t 衍生物又是石油高沸点馏分的主要含 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】。 1 2 2 生物脱硫 生物脱硫法( b i o d e s u l f u r i z a t i o n ，b d s ) ，又称生物催化剂脱硫，是一种在常温、 常压条件下，利用微生物专一脱除杂环化合物中结合的有机硫的一种新技术。脱 硫细菌中的酶有选择地氧化硫原子进而切断c s 键，而含硫化合物其烃类母体的 骨架并不受到影响，并不影响烃的燃烧热值。 人们期望生物脱硫可以为炼油厂提供一个低成本的有效方法，既能符合新的 低硫标准，又可以降低耗能，并减少二氧化碳的生成量。据估计，b d s 的设各 投资仅为h d s 的5 0 ，操作费用将减少1 0 2 0 幢】。同时有研究表明，如果用 生物脱硫代替加氢脱硫，可以大幅度地降低能耗和二氧化碳的生成量。e b c 就 生物脱硫( b d s ) 和加氢脱硫( h d s ) 的能耗与c 0 2 排放量进行了对比【1 3 j ，其结果见 表1 2 。其中柴油硫含量从0 2 脱至o 0 0 5 ，是指没有加氢处理装置的炼油厂( 即 b d s 代替h d s ) ；柴油硫含量从0 0 5 脱至o 0 0 5 ，是指加氢处理装置下游采用 生物脱硫的炼油厂。显然，在将硫含量降低到很低水平的情况下，生物脱硫与加 氢脱硫相比在能耗和二氧化碳生成量方面都占有很大的优势。 表l 上生物脱硫与加氢脱硫的能耗及c 0 2 生成量的比较 t a b l e1 2c o m p a r i s o no f e n e r g yr e q u i r e m e n t sa n dc 0 2g e n e r a t i o nb e t w e e nl i d sa n db d s 因此，从环保和能源两方面综合考虑，用b d s 替代h d s ，或同h 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 1 4 。 浙江天擘硕士学位论文 1 文献综述 1 3生物脱硫技术的研究进展 微生物脱硫的研究内容大致可分为以下几个方面：脱硫微生物的分离、脱硫 机理的研究( 代谢途径的阐明、代谢过程中所涉及的酶及基因的分离纯化和鉴 定) 、基因重组技术对脱硫微生物的改进( 活性、稳定性、生长特性等) 、生物脱 硫工艺过程开发( 生物催化剂的生产、固定化、反应条件的优化、工艺过程的设 计及反应器的选择等) 和工业化生产等。 2 0 世纪3 0 年代，人们开始设想用微生物除去化合物中的硫，由于相关技术的 缺乏，研究的内容被局限在从自然界筛选脱硫的微生物上。从2 0 世纪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 5 1 ，此后开始陆续公布了许多专利， 使生物脱硫技术发展进入了第一次高潮，涉及的微生物种类及其脱硫特性也不断 扩展。2 0 世纪7 0 年州临1 9 l ，b d s 技术的研究进入第二次高潮，研究者们开始研究 b d s 代谢机理，发现当时所选的微生物不适合商业化应用，因为微生物会破坏杂 环硫化物的碳骨架，将其变成水溶性产物从燃料中脱除，损失了燃料的燃烧值。 2 0 世纪8 0 年代，专一性脱硫菌种的发现将b d s 技术的研究推向第三次高潮，人们 把生物脱硫的研究重点放在以石油中含量较多的含硫杂环化合物二苯并噻吩 ( d b t ) 为模式化合物的微生物降解研究领域，阐明了b d s 代谢机理。2 0 【吐纪9 0 年 代，基因工程技术的发展将简单的寻找脱硫微生物的工作提高到利用d n a 重组 技术克隆高效、专一脱硫的微生物，或通过有效的分离技术纯化高活性脱硫酶。 遗传学家利用分子生物学技术，分离和表达了基因脱硫活性的特定酶的编码基 因，通过对脱硫微生物进行质粒接合和转化，获得了转化子突变株，再通过常规 培养，生产出了工业规模的生物催化剂，从而使b d s 技术有了突破性进展。 1 9 8 9 年美国气体工业技术研究所( i n s t i t u t eo fg a st e c h n o l o g y ，i g t ) 的 k i l a n e l 2 0 1 分离出一株能专一性脱除杂环类有机硫化合物中硫的红球菌 r h o d o c o c c u s e r y t h r o p o l i si g t s 8 ( a t c c 5 3 9 6 8 ) ，并申请了专利1 2 ”。i g t s 8 能将d b t 氧化成2 羟基联苯( 2 一h y d r o x y b i p h e n y l ，2 - h b p ) 留在油相，而硫以水溶性硫酸盐形 式释放出来。微生物的这种脱硫方式具有专一性，没有破坏含硫化合物本身的碳 骨架，对燃料油的热值损失少，这是石油b d s 技术所期望的。1 9 9 1 年，美国能 源生物系统公司( e n e r g yb i o s y s t e m sc o r p o r a t i o n ，e b c ) 买断了1 g t 的专利，并在 1 9 9 2 年将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 一个里程碑。此后，e b c 公司还利用该菌株进行开发工作，论证了工艺可行性， 并获取了专利1 2 “，提出了l i d s 和b d s 相结合达到深度脱硫的工艺，具有较高的 实用价值。目前他们己完成了实验室研究和中试实验，使该技术有了长足的发展。 淅江大学项士学位论文1 文献综述 1 4生物催化脱硫的代谢途径 1 4 1 生物脱硫的模型化合物 燃料油中的无机硫化合物，以及部分有机硫化合物可以通过催化加氢脱硫除 去。而噻吩类硫化合物，尤其是d b t ，一直是加氢脱硫的一个难题。这种化合物 十分稳定，在高温高压下也难以被催化加氢。而且d b t 与其衍生物广泛存在于石 油的有机硫组份中，占了燃料油中有机硫的重要部分。因此在燃料油生物脱硫中， d b t 及其衍生物作为典型的难脱除有机物的代表，常被用作模型化合物来研究。 1 4 2 生物脱硫的k o d a m a 途径 19 6 8 年，k o d a m a 等人在研究苯环化合物对农作物生长影响时发现假单胞菌 属p s e u d o m o n a sa l c a l i g e n e s 可以将d b t 氧化成为几种不同的水溶性产物。他们通 过进一步研究发现这样氧化的结果是d b t 苯环中的c c 键发生了断裂，使苯环分 子最后变成了水溶性较强的分子，但硫并没有从分子中除去。另外，k o d a m a 还 在研究中发现，除了使d b t 上苯环c c 键断裂的途径外，这类细菌还有可能将 d b t 氧化成水溶性的d b t 亚砜和d b t 砜，但没有检测到进一步的氧化使硫从d b t 分子中释放出来。这条氧化途径就被称之蔓3 k o d a m a 途径 1 8 , 1 9 。 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 - 弪基苯并噻吩一2 一甲醛( 如图1 2 1 。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。 帅j ，h 】0 z k 1 名c h ；o + 浙江大学硕士擘往论文1 文献综速 1 4 3 生物脱硫的4 s 途径 1 9 8 9 年美国气体工业技术研究所( i g t ) 的k i l a n e 分离出一株能专一性脱除 杂环类有机硫化合物中硫的红球菌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 ( a t c c 5 3 9 6 8 ) ，与k o d a m a 途径不同的是，该菌株可以经过4 步反应将硫原子从d b t 上脱下来，专一性切断二苯并噻吩的c s 键，生成硫酸根和2 h b p 。这种途径保 持d b t 的芳香结构不变，从中脱硫而又最少量氧化碳骨架，因此热值下降小，在 微生物脱有机硫方面具有广阔的应用前景。因为该途径反应的四个中间产物名称 均由s 开头( s u l p h o x i d e s u l p h o n e s u l p h o n a t e s u l p h a t e ) ，故称为“4 s 途径” 2 3 , 2 4 】。 + i i j s o 图1 3d i