生物技术在洁净煤领域中的应用

1、生物技术在洁净煤领域中的应用贾建军（西安科技大学 化学与化工学院 西安 710000） 摘要:生物技术是人类对生物资源的利用和改造并为人类发展提供服务的技术。近年来，国内外对生物技术的研究和应用异常活跃，涉及范围较广。针对目前洁净煤领域中生物技术的研究，介绍了将生物技术应用于煤炭脱硫和煤炭转化的相关机理、研究现状及应用,指出该技术研究的重要性。关键词：微生物技术；煤炭脱硫；煤炭生物转化；The Application of Microbial Technology in The clean coal technologyJIA jian-jun(School of chemistry and

2、chemical engineering, Xian university of science and technology,Xian 710000,China)Abstract: Biotechnology is the use of technology and the transformation of human biological resources and provide services for human development. In recent years, biotechnology research and application at home and abro

3、ad are extremely active , involving a wider scope. For clean coal research in the field of biotechnology is currently introduced biotechnology used in coal desulfurization, moderate correlation mechanism lignite conversion and coal washing wastewater treatment , research status and application , not

4、ed the importance of the technology research.Key words: Microbial technology; Lignite moderate transformation; Coal desulfurization; 生物技术（biotechnology），是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，采用先进的科学技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的，为社会服务的技术1。煤炭在我国的国民经济和社会发展中具有不可替代的地位，然而煤炭的生产和直接利用又会产生雾霾、酸雨以及气候变化等环境问题

5、，随着社会的发展，人们环保意识的增强，对资源清洁、经济、高效利用要求的提高，传统的矿物加工工艺已经很难满足人们的要求，这就促进了生物技术广泛的研究并应用于生产实践中2。其中具有工艺简单、无污染、低能耗、选择性强等特点的生物技术在洁净煤领域的应用，为煤炭的洗选脱硫降灰以及清洁高效利用提供了新的思路和方法，使得该领域的研究和应用得到进一步的发展。1.煤炭生物脱硫1.1煤炭中硫的存在形式和特征煤炭是非均相的矿物或岩石，煤炭产品均含有数量不等的硫，含量通常在0.25%7%之间，平均硫分为1.11%5。硫在煤炭中的存在形式复杂，大致可分为无机硫和有机硫两类，其中无机硫是无机形态的以晶粒状态夹杂在煤中的硫

6、，有机硫则是指与煤的有机高分子结构相结合的硫。此外，有些煤炭中还有少量的单质硫4。煤炭中的无机硫主要以硫化物硫的形式存在，少量以硫酸盐硫的形式存在。其中硫化物硫以黄铁矿为主，有时还含有一些白铁矿硫、黄铜矿硫、砷黄铁矿和闪锌矿;硫酸盐硫主要是石膏和绿矾等含有结晶水的矿物质，含量很少，一般不超过 0.2%，且遇水溶解。刘大锰等6研究了华北晚古生代煤中黄铁矿的显微赋存状态，划分出莓球状、自形粒状，鱼子状、块状、均一球形、它形、结核状和节理裂隙充填等八种常见类型。煤炭中黄铁矿的赋存状态与成煤沼泽环境及成岩环境密切相关，而硫酸盐硫的含量与煤炭接触空气的时间及成煤过程中海水的侵入有关。 有机硫与无机硫不同

7、，它是煤中有机质的组成部分，以有机键结合，主要来源于成煤植物细胞中蛋白质。换句话说，它是成煤植物本身的硫在成煤过程中参与煤的形成转到煤里面，均匀分布于煤中。有机硫主要以硫醇、硫化物或醚类、含噻吩环的芳香体系、硫醌类、二硫化合物或硫蒽类等形式存在。通常认为，煤炭有机硫中，二苯并噻吩含量较高，因此常用来作为煤中有机硫典型模型化合物。 来自不同区域或者不同种类的煤中有机硫的赋存形态略有差异。在煤炭燃烧过程中，硫化物硫、有机硫和单质硫能通过氧化作用生成二氧化硫，硫酸盐硫则不发生变化，然而煤炭中的硫一般有2/3左右是以粗细不均的硫铁矿形态存在，因此在煤炭燃烧前应进行脱硫处理。如果硫铁矿是以团块状、结核状

8、、脉状等出现,用重选或浮选法易于脱除;但是大多数煤中的硫铁矿是以微细浸染状、星散状出现,粒度细到微米级或亚微米级。这就降低了磨矿粒度、延长了磨矿时间、提高了能耗给常规重选和浮选脱硫带来很大困难。并且在浮选过程中,有效脱硫的主要障碍是硫铁矿表面性质的高度变化和硫铁矿在煤可浮的条件下也可浮。因此,研制一种对硫铁矿有选择性的抑制剂就成为必需3。1.2煤炭脱硫微生物迄今为止，已报道的具有煤炭脱硫作用的微生物有有很多，按其最佳生长环境可分为三大类（中温菌、中等嗜热菌和高温菌）十几种（硫杆菌属、细小螺旋菌属、硫化叶菌属、假单胞菌属、贝氏硫细菌属、埃希氏菌属等）。其中用于脱除煤炭无机硫的微生物主要有氧化亚铁

9、硫杆菌、氧化硫硫杆菌和氧化亚铁微螺菌 三种。这些微生物主要是化能自养微生物，对无机硫化物的氧化作用可分为有间接作用和直接两种机理。这些微生物都是革兰氏阴性菌，在需氧条件下能将 Fe2+、S0和无机硫化物氧化为 Fe3+ 和SO42-使环境变酸，氧化性增强，脱硫能力明显。用于脱除煤炭有机硫的微生物主要有假单胞菌、 叶硫球菌、 红球菌属、芽孢杆菌属、不动杆菌属、根瘤菌属以及埃希氏菌属等，这些微生物主要是化能异养微生物，可以从土壤、温泉、油田和煤矿等自然环境中分离培养，需要在 pH 近中性条件下生长。这些菌种可有效脱有机硫，且不破坏 C-C 结构从而保留了燃料的热值。迄

10、今为止，已分离出的菌种包括：假单胞菌(Pseudomonas sp. )，红球菌(Rhodococcus sp.)，棒杆菌(Corynebacterium sp.)，短杆菌(Brevibacterium sp.)，戈登氏菌(Gordona sp.)，诺卡氏菌(Nocardia sp.)。其中，1989年美国天然气研究所分离得到的 Rhodococcus rhodochrous IGTS8，用于脱除伊利诺煤田IBC-101煤中有机硫的试验结果表明，将煤磨至-0.074mm、经21d的生物处理，可使煤中的有机硫脱除64%7-9。 还有一些嗜热的兼性自养微生物，主要是硫化裂片菌属（Sulfobus）

11、，如酸热硫化裂片菌属（Sulfobusacidocaldarius）、嗜酸硫杆菌（Thiobacillusacidophilus）、嗜热硫杆菌（Thiobacillusthermophilica）等10，这些微生物在高温，酸性环境生长，其代谢速率较快，可以在较短的时间里氧化脱除有机硫和无机硫。  一些常见的脱硫微生物的生理特征如表1所列。1.3煤炭脱硫微生物的脱硫机理 煤中无机硫以黄铁矿硫为主，以微生物对煤中黄铁矿硫的氧化过程表征对无机硫的脱除机理。有机硫则种类较多，结构复杂，通常以 DBT 作为模型化合物来表征微生物对煤中有机硫的脱除机理。 微生物氧化黄铁矿是一个复杂多阶段的过程，

12、黄铁矿硫最终转化为硫酸溶解脱除，总化学反应为： 微生物在式中的作用是使反应速率加快。通常认为，微生物氧化黄铁矿的过程有直接作用和间接作用两种。 在有水和氧存在的条件下，黄铁矿可被氧化为 SO42-和 Fe2+，但是反应很缓慢，当脱硫嗜酸菌存在时，能通过生物氧化还原作用，大大加快黄铁矿氧化成可溶性的硫酸和硫酸铁的过程，从而去除黄铁矿，其中可能包括两种途径： （a）直接作用：黄铁矿晶体表面有许多缺陷，微生物优先吸附在表面能较低的晶体缺陷及边棱部位，发生氧化反应。随着反应进行，微生物沿黄铁矿节理裂隙及晶体缺陷扩散，锓蚀氧化逐步深入，直至反应结束，黄铁矿被氧化为 SO42-和 Fe2+，其化学反应式如

13、下： （b）间接作用：对 Fe2+有氧化能力的硫杆菌将 Fe2+迅速氧化为 Fe3+，Fe3+作为强氧化剂与金属硫化物反应，将黄铁矿硫氧化为 SO42-或元素硫，其化学反应式如下： 微生物氧化黄铁矿过程中，既有微生物的直接作用，又有通过 Fe3+氧化的间接作用，即复合作用理论。两种途径的相对重要性还存在争议，但有较多证据支持直接机理：在煤中黄铁矿氧化初期，黄铁矿氧化细菌首先释放出 SO42-，而非铁离子；在黄铁矿表面出现了细胞大小的腐蚀斑点；用能够氧化铁，但不能催化氧化硫的氧化亚铁螺菌纯培养处理黄铁矿，发现有元素硫沉积在黄铁矿上；T.f 菌在黄铁矿上比在 Fe（）上生长具有更高的细胞产率，相应

14、于硫氧化亚铁可获得更多能量；Fe3+氧化黄铁矿与黄铁矿氧化细菌的动力学速率不同，细菌比Fe3+快。据此，直接机理已用于煤的微生物脱黄铁矿的放大过程设计。 煤中有机硫以 C-S 键伎俩在煤大分子骨架中，有机硫的脱除可以认为是通过细菌作用将碳硫键切断而达到目的。煤炭中的有机硫主要以噻吩基、硫基和多硫链的形式存在，二苯并噻吩（DBT）是煤炭中含量较高的一类有机硫。DBT 的微生物脱硫可以是好氧微生物脱硫或厌气微生物脱硫。微生物脱 DBT 硫有两种途径11：一是以硫代谢为目的的 4-S 途径12：通过微生物直接作用于噻吩核上的硫原子，最终生成硫酸，因噻吩是环环结构，不破坏热键，故煤就不损失热量，如图2

15、；二是以碳代谢为目的的 Kodama 途径13：环羟基化，使碳环开环、结构降解，把不溶于水的 DBT 生成可溶性的噻吩衍生物，如图2a。 图 2b所示的 4S 降解途径，也称特异性脱硫途径。由图可知，在降解过程中，DBT 经过微生物酶的催化经过四步氧化反应依次生成 DBTO、DBTO2、HPBS和 HBP，硫则被氧化生成硫酸根，直接从有机物中除去。由于有机化合物的碳原子骨架不发生降解，使碳含量保持不变，相对于燃料的热值损失小。在微生物脱硫煤中有机硫方面，应用前景较好。1.4煤炭生物脱硫工艺煤炭的微生物脱硫工艺主要分为浸滤法和微生物预处理浮选法。浸出法的基本原理都是通过菌液与煤料的接触，细菌与煤

16、中含硫化合物发生氧化还原反应，使硫分转化为水溶性物质，随浸出液排出。可以是堆积式浸滤，也可是搅拌式浸滤。堆浸法是通过向煤堆中喷入水、菌液和营养物质，菌液在下渗浸透过程中实现脱硫，优点是成本低，操作简单、处理量大，但脱硫效果受固-液接触面积限制，而且花费时间比较长，效率低。与堆浸法相比，搅拌式反应器通过搅拌或鼓入空气，可以使固-液相充分接触，从而加快反应进程，脱硫效率相对较高。 生物浸出脱除煤中无机硫是由生物冶金技术发展而来。早在 1947 年，Colmer和 Hinkle 发现，氧化亚铁硫杆菌能促进煤中黄铁矿的氧化溶解，从而揭开了微生物浸出脱硫研究的序幕。在随后的几十年里，煤中的黄铁矿的脱硫技

17、术研究一直在持续不断地进行，并取得了显著进展。 微生物浸出法脱除煤中有机硫的研究起步较晚，开始于 20 世纪 70 年代末，现已筛选出来的三种典型的菌种：酸热硫化叶菌（S.acid ocaldarius）14、喜热细菌15、异养细菌16。近几年来，在美国能源部17的主持下，对上述菌株分离、钝化、诱变，得到的变异菌株用于煤中有机硫的脱除，也取得了一定进展。目前，各种微生物脱硫反应器均是在上述两种工艺的基础上开发的，典型的反应器有环形堆沥池、Pachuca反应器、溢排循环反应器、气提循环反应器和水平旋转管反应器。然而，采用生物浸出法脱硫存在脱硫周期长、脱硫效率低、产生大量酸性废液等问题。因此，进行

18、新的脱硫方法研究，选择出周期短、脱硫效率高的脱硫工艺势在必行。生物预处理浮选法是将微生物吸附作用与物理浮选结合，微生物所起的就是捕集剂的作用，用于增加不同颗粒之间的表面润湿性差异。关于微生物改变黄铁矿表面疏水性，朱红等分析了黄铁矿表面氧化产物，提出了黄铁矿表面氧化机理。表面改性完成后，疏水性的煤粒子粘附于气泡上浮，未附着气泡的亲水性黄铁矿粒子以及夹矸、灰成分下沉，从而实现煤硫分离。这种脱硫法的优点是，在脱除煤中黄铁矿硫的同时，可以降灰，具有同时脱硫、脱灰的特点。此外，不产生废液。虽然该法仅能脱除无机硫，但由于其简便易行，经济高效，无污染，值得推广。 生物浮选法最早出现于 20 世纪 80 年代

19、，是一种微生物表面改性的方法。Atkins A S18在 pH 为 2.0 的条件下对黄铁矿、低硫煤和黄铁矿配成的煤样、实际高硫煤样采用经丙铁矿驯化的氧化亚铁硫杆菌分别做了2min 的微生物预处理，然后进行浮选试验。试验结果表明，细菌预处理对于中间粒级和细粒级矿物黄铁矿的抑制作用十分明显；但对为粗粒级黄铁矿，细菌作用效果不明显。但随着黄铁矿粒度的减小，比表面积急剧增大，所需细菌浓度显著增高。 从 20 世纪 90 年代开始，日本电力工业中央研究所19反微生物处理技术与选煤技术结合起来，发展了微生物-浮选脱硫技术。试验结果表明，这种处理方法可以克服微生物浸出法的缺点，大大缩短处理时间，在实验室中

20、，微生物只需几秒钟就可以发挥作用，能够显著抑制黄铁矿的可浮性，经过 330min 的处理就能脱除 80%的黄铁矿。1.5煤炭微生物脱硫的影响因素 影响微生物生长活动和脱硫效果的因素有:煤炭粒度、孔隙度和煤浆浓度等物理因素以 及生化因素20。    （1）温度:温度应根据所用菌种生理特性而定,一般脱硫微生物的繁殖温度的范围很窄, 同时也应考虑到生物浸矿多为放热反应,为保证温度的相对稳定,以及不影响微生物的生长 和活性,必要时需要有冷却设备。   （2）煤炭粒度:黄铁矿沥出速度与其表面积成正比关系,

21、煤颗粒越小、孔隙度越大,黄铁矿的溶解程度和溶解速度就越大。   （3） p H 值:反应体系的 p H 值是生物脱硫的一个重要参数,多数脱硫微生物的耐酸范围 p H = 1. 0 - 5. 0 ,pH 值太高会影响微生物的繁殖,从而影响脱硫过程。    （4）Eh 值:由于脱硫微生物多为需氧的化能自养菌,需要维持一定的氧化还原电位( Eh) ,&#

22、160;因此要保证水中适量的溶解氧。   （5）O2 和 CO2 :很多微生物的脱硫反应需要 O2 或 CO2 ,比如:硫杆菌属和硫化叶菌属在 使煤发生生物氧化反应而脱硫的过程中必须利用氧,氧是主要的电子终端接受体;而二氧化 碳是氧化亚铁硫杆菌细胞繁殖时的主要碳源。    （6）营养素:氮、磷、钾、钙、铁( FeSO4 )、硫酸(SO42 - )及镁作为微生物繁殖的营 养素是必不可少的。

23、研究表明:无机营养成分氮、磷、镁的最佳配比能改善脱硫速率。    （7）接种浓度:研究发现,在菌矿反应过程中,存在最佳细胞浓度,对氧化亚铁硫杆菌,每 克黄铁矿的最佳接种量为 1061013个细胞。从目前国内外发展状况看,微生物脱硫技术离大规模的应用还有很长一段距离,利用微生物对煤炭脱硫仍处于初始研究阶段,此方法目前存在菌种单一、处理时间漫长、培养基成本高以及处理产物多样等一些问题21，但随着生物技术的发展、人们对环保意识的增强以及其本身具有的其他脱硫技术无法替代的优点，相信在不久的将来必将具有更广阔的发展前景。2煤炭生物转化2.1煤炭

24、生物转化的研究进展煤炭和石油是当今世界两大重要化石能源和化工原料，然而随着石油资源的枯竭以及人们环保意识的增强，煤炭的转化越来越受到重视。煤炭的转化主要包括热化学转化和生物转化两种方式。热化学转化指煤炭经过高温高压催化等热化学处理而转化为气体、液体和固体燃料以及其他精细化学品的过程，如煤的气化、液化、焦化等。煤炭经过热转化可生产出洁净液体、气体燃料及重要化学品，但同时不可避免地造成新的环境污染，而且存在反应条件苛刻、煤大分子结构未能充分利用、热化效率低等缺点。煤炭的生物转化是利用真菌、细菌、放线菌等微生物的新陈代谢作用，对煤炭进行生物处理，使之液化或转化成洁净燃料或特殊化学品的过程。由于生物催

25、化作用的特异性,煤的生物处理可以在相对热化学常规过程更温和的条件下完成,同时煤的微生物处理将有利于特殊产物的生成,转化产物中或许包含有高附加值的化工产品煤的生物转化具有工艺简单、无污染、低能耗等其他技术无法比拟的优势。煤炭生物转化的研究以 1908 年Potter 发现细菌在氧化褐煤的过程中起到催化剂的作用为起点，在20世纪80年代得到蓬勃发展。近年来，煤炭生物转化的研究主要集中在溶煤微生物、溶媒机理和溶媒产物的分析与利用。煤炭生物转化的一些重要研究如下：(1)1981 年，Fakoussa 研究证明了某些细菌(假单胞菌)能够利用硬煤中的有机物作为唯一的碳源降解部分天然煤,形成有色的液体22。

26、 (2)1982年，Cohen和Gabriele采用两株白腐菌Polyporus versicolor和Poria monticolor 在琼脂平板上能够将褐煤液化为黑色小液滴23。 (3)Scott 和 Grethlein 等分别在 1986 和 1990 年研究证明，煤的预处理能够加速真菌或者细菌对煤的降解24。 (4)Quigley 等在 1989 年阐明了第一个降解煤机理某些真菌和细菌降解煤机理为碱性物质的作用25。 (5)Cohen 和 Quigley 等分别在 1990 和 1989 年阐明了第二个煤降解机制某些真菌在降解煤过程中有螯合剂的参与26。 (6)1989 年，Arcte

27、ch 和 Virginia 研究获得了降解煤产物的第一个市场产品褐煤的降解煤产物可以作肥料27。 (7)Fakoussa 和 W illmann 分别于 1994 年和 1991 年提出螯合剂并不单独起作用的一些证据28。 (8)Schulten 和 Schnitzer 在 1993 年首次公开描述了褐煤中腐殖酸的结构模型29。 (9)Hofrichter和Fritsche在1996和1997年经过研究担子菌类真菌降解褐煤，总结出酶催化作用可导致煤中的腐殖酸脱色，并产生小分子量物质30。 (10)Hofrichter, Fritsche, Henning 等人在 1996 和 1997 年用1

28、3C-固体核磁共振结合超滤、凝胶渗透色谱等方法分析煤降解产物的分子量31。 (11)Willmann 和 Frost 等人分别于 1994 和 1996 年研究发现有些腐殖酸解聚反应不符合真菌降解规律32。 (12) Hofrichter 和 Fritsche 在 1997 年,Hofrichter 等人于 1999 年研究发现锰过氧化物酶可以解聚腐殖酸，降解煤颗粒和脉石33。 (13)Holker等人于1997和1999年研究发现，非特异性酯酶参与了煤降解过程34。 (14)Steinbuchel 和 Fuchtenbusch 于 1997 年，Fuchtenbusch 和 Steinbuc

29、hel于 1999 年成功地从细菌纯培养物的混合物中提取出异构的腐殖酸，其中含有聚羟基脂肪酸酯35。 国内对煤的微生物转化研究始于上世纪九十年代中期，主要研究单位有大连理工大学、中国矿业大学、北京农业大学、安徽理工大学、西安科技大学等。它们在褐煤和风化煤的生物转化和产物应用方面作了大量工作。因此，煤的生物转化研究是煤炭科学研究的一个新领域，有望发展成为煤转化的先进技术，但在高效溶煤菌种驯化、优选，煤的生物转化机理、高选择定向转化方法等研究方面仍需要作大量深入探讨。加强这些关键科学与技术的研究，对于促进煤炭转化技术的发展和煤资源的高效、绿色化利用有着极为重要的理论和实际意义。2.2溶煤微生物具有

30、溶煤作用的微生物有很多，目前已报道的就达上百种。这些微生物主要分为三大类：细菌、放线菌和真菌。细菌包括枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状 芽孢杆菌、假单孢菌等；放线菌主要是链霉菌等；更多的溶煤微生物是真菌，如真菌担子属的云芝、茯苓、黄孢原毛平革菌、土曲霉、栖土曲霉、毛霉、假丝酵母、粉状侧孢 菌、青霉菌、拟青霉菌、枯青霉菌、尖孢镰刀菌、红色面包霉等。发现在这些微生物中，云芝、青霉、假单胞菌对低阶煤表现出较强的降解能力。这是由于真菌有强烈的木腐作用，它们在代谢过程中产生多酚氧化酶、醌氧化还原酶、锰过氧化物酶以及木质素过氧化物酶，这些酶能够将芳香结构的木质素聚合物组织分解。细菌主要是对煤炭表面的小分子

31、物质（以非共价键结合的煤炭大分子骨架）起作用；真菌则可以同时对煤炭表面小分子物质和煤炭内部大分子起作用36、37。这些微生物一般由洗煤废水、风化煤堆、土壤以及腐木腐叶中获得，然后经过一系列的筛选分离获得纯种的溶煤微生物。2.3溶煤机理大量研究表明，由于煤的微生物降解过程是一个复杂的生化反应过程，菌种不同，参与煤降解过程的活性物也不同。同一菌种在不同的培养基中，对不同的煤样，其分泌的降解煤活性物也可能不同。煤炭微生物降解程度视煤种、菌种及条件而决定。所以，了解微生物对煤进行转化的过程，掌握微生物的作用机理是非常关键的。目前对微生物转化煤的机理主要有以下三种： （1）酶作用机理 微生物新陈代谢过程

32、中分泌的胞外酶使煤发生降解，这种分泌物即为溶煤活性物。煤是由植物演化而来，对于煤中尤其是低变质程度煤如褐煤中含有较多木质素结构，而大量研究发现多种微生物中能转化木质素的生物酶。由此可以联想微生物通过木质素酶的作用对煤进行降解，以筛选培育能降解木质素的微生物来作为溶解煤的微生物的最初基础。木质素过氧化物酶(Lip) 是 1983 年，Glenn 首先在黄孢原毛平革菌中发现的木质素降解酶 38,39。此外，袁红莉40等人报道了一株产生 LiP 的青霉，在固体平板上 36h 可将内蒙褐煤降解为黑色液滴。许多研究发现，纯化的 Lip 可以转化煤中的大分子。锰过氧化物酶(Mnp)首次也是在黄孢原毛平革菌

33、中发现的，MnP 和 LiP 都是木素降解体系的主要酶类。另外，有研究表明漆酶(Laccase)、水解酶、纤维素酶等也具有降解褐煤的能力。 （2）碱作用机理 微生物在生长过程中产生碱性物质，例如氨、生物胺、多肽及其衍生物参与煤的降解过程。1987 年 Strandberg41报道了放线菌在培养过程中产生一种胞外物质能够将煤液化，成为一种黑色液体，这种物质具有热稳定性，而且能抗蛋白酶，其分子量较小。由此推测这种活性物质不是生物酶。后来又发现液化煤的量随培养基的 pH 值升高而增大，培养基 pH 值升高程度与培养基中所含的多肽和多胺的量有关，当然不同微生物产生的碱性物种类和数量并不相同，因而生物降

34、解煤的能力也不同。1989 年 Quigley42报道了氨、生物胺、多肽及其衍生物在褐煤液化过程中起重要的作用，这是由于微生物利用复杂的培养基产生并用来溶解煤中的羧基。在同年还报道了真菌在合成培养基上产生碱性代谢物，能够使低阶煤的酸性基团离子化，从而提高煤的亲水性。 （3）生物螯合剂作用机理 有些研究者认为将煤结构连在一起的金属被螯合掉，是真菌培养液能使风化煤发生溶解的原因之一。1998 年 Quigley 等43报道了褐煤中存在的 Ca2+、Fe3+和 Al3+等多价金属阳离子，能在羧基等基团之间起桥梁作用，当脱除这些多价金属后，能使煤更多地溶于稀碱，并使生物溶解力增强，而此时发生的氧化作用

35、却很少。Cohen 等44利用云芝溶解煤的实验中发现煤的溶解程度与草酸盐有关。草酸盐是一种螯合剂，能螯合煤中的多价金属离子，尤其是 Ca2+、Fe3+和 Mg2+等金属离子。实验表明：褐煤的金属离子经螯合物作用后，煤的溶解性得到了提高，但螯合物仅能降解一部分褐煤；另外，利用碱作用和螯合物作用机制不能使 C=C 键断裂，所以并不能使煤分子量真正降低。袁红莉45也证实加大 EDTA 的浓度，提高了煤转化率，而且培养液中 Fe 的含量也随之增加。但是用昂贵的培养基培养微生物来产生碱性物质和螯合物，不但产生的速度慢，而且目标物的浓度低，副反应多，因此在实现煤的微生物转化的工业化上并不实用。2.4溶煤工

36、艺（1）固体表面溶煤固体表面溶煤是将菌种接于固体培养基上，待菌丝长满或快长满整个表面时，把实验用煤样加在菌丝面层上(亦可接种时直接加入煤样)。然后观察、记录现象，收集液体产物等的一种方法。由于转化完成后的液体产物很难收集，而且固体表面培养放大较为困难，所以这种研究方法受到应用可行性的限制。一般只用在最初的菌、煤匹配筛选。（2）液体静置培养液体静置培养是一种浅层培养的转化方式。其过程为：将微生物接种到已倒入少量液体培养基锥形瓶中，静置培养几天，待菌丝在液面生成一层菌膜后，加入煤样摇匀(也可在接种时直接加入煤样摇匀)，继续静置培养进行生物溶煤。（3）液体动态培养与静置培养方式相似，不同的是在动态恒

37、温的环境中进行培养，实验室中一般置于摇床或恒温振荡器中。这种转化方式可使菌株与煤样充分接触。（4）胞外液溶煤胞外液溶煤就是不含菌体细胞，用细胞外液进行溶煤的一种深层培养的方法。一般在实验室里用摇瓶进行培养。待菌丝生长成熟后，高速离心，破碎细胞使细胞内的活性物质溶出，然后用真空抽滤等方法收集菌体胞外液(即无细胞滤液)，然后加入灭过菌的煤样进行生物转化。这种方式的优点是易于收集煤溶产物；胞外液中不含菌体细胞，易于深入考察溶煤过程和探讨溶煤适宜条件。（5）细胞液溶煤这种方法与胞外液溶煤方式有些类似。不同的是，煤样直接加入培养液中，与菌体、煤样、培养液直接接触。煤样可以在接种时一并加入，也可在培养一段

38、时间后再加入。待煤样溶解后再过滤或离心分离液体与固体菌丝体和未溶煤。这种溶煤方式易于放大，且操作过程简单，有应用的可行性。尽管这一技术具有巨大潜力，但还存在一些问题有待解决。首先这种水溶性溶出产物虽然具有较高能量，但还不能作为运输工具的燃料。再者进行液化的微生物需要较昂贵的培养基成份，且反应时间长达两星期。其次化学预处理的费用可能较高。为探求这类问题的解决，研究在不断深入，如美国亚肯色大学分离出一种可在便宜矿物盐培养基上生长的细菌，经几小时的反应就可把煤炭转化成液体。可见随着新菌种的不断发现，多菌种协同作用以及基因工程手段的运用，生物液化将愈来愈显示其经济的实力。目前国内外对洁净煤领域中生物技

39、术的研究还有生物法絮凝洗煤废水技术、酸性矿井水的处理技术、塌陷地微生物复垦技术、煤系高岭土微生物除杂技术以及粉煤灰微生物溶铝技术等方面。3.结语从以上综述可见,生物技术已渗透到洁净煤领域中的各个方面,并与传统技术相互配合,应用范围正逐步扩大。但是与生物技术在其他领域应用的深度和广度比较,还存在很大的差距。使广大的矿物工程工作者了解和掌握生物技术的基本原理并用于自己的领域是推广生物技术的关键,也是本文的目的。参考文献：【1】宋思杨等.生物技术概论 M .北京:科学出版社.2006【2】张东晨.现代矿业生物技术的发展及在煤炭加工中的应用J.中国煤炭, 2006, 3(3): 51-54.【3】陈雪

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