CN105462902B - 一种石油脱硫脱氮的生物技术及应用 - Google Patents

一种石油脱硫脱氮的生物技术及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石油脱硫脱氮的生物技术及应用。它是采用活化后的热葡糖苷地芽孢杆菌w‑1和古地分支杆菌、新阿波罗栖热袍菌、小型嗜热嗜油杆菌按体积比1:1:1:1组成。混合微生物菌剂在无机盐溶液中分别与高硫柴油及劣质油浆进行反应，测定反应前后两种油品的含硫、含氮量。本发明的生产方法不仅工艺简单、所需设备简易、成本低、环境友好、生产的燃料油质量好，而且对油品具有较为理想的处理效果，采用具有同时脱硫脱氮机能的嗜热微生物来实现高温环境下石油的同时脱硫脱氮，可显著提高燃油的生物脱硫、氮效率并有效解决使用后的环境污染问题，具备工业应用菌株的优良特性，菌株具有广阔的工业应用潜力。

Description

一种石油脱硫脱氮的生物技术及应用
技术领域
本发明涉及生物技术及环境微生物领域，具体涉及一种石油脱硫脱氮的生物技术及应用。
背景技术
石油产品中存在硫、氮化合物，应用含有硫、氮化合物本产品，会对环境造成污染，对设备产生腐蚀。因此，脱硫、脱氮技术是石化工业及环境保护的重要研究课题。
石油及其产品深度脱硫是我国乃至全世界石油化工领域在新世纪面临的重要课题。石油中的硫主要以硫醇、硫醚、噻吩、苯并噻吩（BT）及他们的烷基取代物和衍生物等有机硫化物的形式存在，这些化合物在燃烧时产生大量的硫氰化物，带来多种危害。其中最为严重的是燃烧所产生的SO2和SO3极易与大气中的水蒸气化合形成酸雨，造成严重的污染，破坏生态平衡，危害人体健康（Monticello D J. desulfurization of fossil fuels.AnnRev Microbiol.1985,39:371~389）。
加氢脱硫技术（HDS）虽然能够脱除一部分原油中的硫元素，但是随着硫含量标准的一再降低，该技术已经不能有效满足炼油需要。一些结构复杂的有机硫化物难以用HDS法脱除，而且HDS法需要高温高压，对设备要求高，高能耗、高费用的特点也呼唤另一种有效方法的出现。近年来，随着生物技术脱硫越来越为人民所关注。生物催化脱硫（BDS）是一种在常温常压下利用需氧、厌氧菌除去石油含硫杂环化合物中结合硫的一种新技术，其利用微生物特有的酶以生化裂解的方式将化石燃料中硫除去，是在常温常压和不需要氢气的条件下进行，能专一性切断碳硫键而使化石燃料中的硫以硫酸盐的形式释放出来，其目的是利用自然界存在的微生物脱除硫而不破坏有机燃料价值的烃类。在细菌中的酶可以有选择性地氧化硫，进而断开 C-S 键，经过需氧、厌氧菌分离的含硫化合物，其烃类母体的燃烧性能并不受到影响。其特点是工艺成本低，能耗省，流程简单，反应条件温和，环境清洁，符合生态环境友好的发展趋势。BDS技术从出现至今已发展了几十年，目前为止仍处于开发研究阶段。生物催化脱硫技术为石油中有机硫组分的去除，开辟了一条新的途径。
石油中氮含量一般比硫含量低，质量分数通常在0.05%~0.5%范围内，仅有少数原油的氮含量分数超过0.6%。我国原油中氮含量偏高，且大多数原油的渣油中浓集了约90%的氮，因此加工我国原油时，对原油中的氮含量应倍加关注。有研究表明，天然存在的氮可以是柴油抗磨的有效成分，但也能成为润滑油氧化安定性的不利因素；某些合成含氮化合物则是改善润滑油产品性能的优良添加剂。从环境安全的角度上考虑，一些碱性含氮化合物是有毒的，比如含氮杂环化合物及芳胺疑为致癌物。中性含氮化合物毒性小于碱性氮化物，但一些二苯并咔唑类物质也表现致癌活性。因此，脱除石油中的氮显得尤为重要，而传统生物脱氮技术存在各种各样的不可忽视的缺点：成本高、操作难度大、脱除底物种类有限、脱除效果不显著，并且已有的相关脱氮微生物的研究报道几乎全为常温微生物。
发明内容
本发明的一个目的是公开了一种混合微生物菌剂，其特征在于该微生物菌剂是由四种菌株经活化后按体积份数比1：1：1:1混合而成；这四种菌株为：热热葡糖苷地芽孢杆菌w-1（Geobacillus thermoglucosidasius），该菌株保藏在中国微生物菌种保藏委员会普通微生物中心，其保藏号为CGMCC No.11780）和古地分支杆菌（Mycobacterium goodii sp.），该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.700504）、新阿波罗栖热袍菌NS-E[DSM 4359] （Thermotoga neapolitana，该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No. 49049） 、小型嗜热嗜油杆菌(Thermoleophilum minutum ，该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No. 35268)。
其中混合微生物菌剂制备方法为：将热葡糖苷地芽孢杆菌w-1（Geobacillus thermoglucosidasius）和古地分支杆菌（Mycobacterium goodii sp.）、新阿波罗栖热袍菌NS-E[DSM 4359] （Thermotoga neapolitana） 、小型嗜热嗜油杆菌（Thermoleophilum minutum ）分别按1:1000（v/v）接种至经高压灭菌的培养液中，60℃，150rpm涡旋搅拌，密闭（通氧）培养18小时，得到的菌液按体积份数比1:1:1:1混合。
本发明进一步公开了采用微生物菌剂处理不同油品以除去其中所含硫和氮的方法，其特征在于：
（1）将混合微生物菌剂按1:1000（v/v）接种至经高压灭菌的培养液中，60℃，150rpm涡旋搅拌，密闭（通氧）培养18小时，得到活化的混合微生物菌剂；
(2) 按重量百分比，将活化后的5%混合微生物菌剂、不同比例的柴油（油渣）和余量的无机盐溶液（含浓度为1%的蔗糖）混合，60℃及大于50rpm 涡旋搅拌，密闭反应24小时；
（3）反应完成后去除菌液，纯净水60℃、150rpm涡旋搅拌清洗至无明显杂质，收集处理后的柴油即为低硫低氮柴油（油浆）。其中的培养液为：蛋白胨 1.6%；酵母膏 1%；氯化钠 0.5%；水 余量。所述无机盐溶液的原料组成及重量百分比为:NH4Cl 0.1%；Na2HPO4·12H2O 0.106%；NaH2PO4·2H2O 0.023%；KCl 0.04%；MgCl·6H2O 0.0092%；FeSO4·7H2O0.000278%； MnCl2·4H2O 0.000198%；CoSO4·7H2O 0.000281%；CaCl2·2H2O 0.000147%；CuCl2·2H2O 0.000017%；ZnSO4·7H2O 0.000029%；水 余量。
（4）用WK-2D型微库伦仪分别检测未经W-1菌种处理的和经W-1菌种处理过油品中总硫量、总氮量。
本发明更进一步公开了混合微生物菌剂在制备脱除不同石油类含硫、含氮有机化合物中的硫、氮元素方面的应用。典型的能够有效脱除不同石油类含硫有机化合物中的硫元素。不同石油类含硫含氮化合物包括但不限于柴油，油渣。
本发明公开的混合微生物菌剂的优点及有益效果：
利用微生物去除石油、煤炭等化石燃料中的硫和氮一直是研究者关注的焦点，获取高效的同时脱硫脱氮菌株是生物法同时脱硫脱氮的难点。目前，已有的相关同时脱硫脱氮微生物的研究报道较少并均为常温微生物。本发明公开的微生物菌剂易于繁殖，培养条件简单，耐高温，具有很好的热稳定性能，可以在发酵等需要热稳定酶条件的工业生产中应用；本发明公开的对石油脱硫脱氮的生物方法流程简单、成本低、周期短，便于实施，易于推广，能够在高温环境下同时有效脱除石油中含硫（氮）化合物中硫（氮），对于石化产业及环境保护方面具有重大意义，有广阔的应用前景。
具体实施方式
为了更充分的解释本发明的实施，下面通过实施例对本发明做进一步描述。这些实施实例仅仅是解释、而不是限制本发明的范围。本发明所用到的试剂均由市售；其中：
热葡糖苷地芽孢杆菌w-1（Geobacillus thermoglucosidasius），该菌株保藏在中国微生物菌种保藏委员会普通微生物中心，其保藏号为CGMCC No.11780），保藏时间为2015年12月4日。
古地分支杆菌（Mycobacterium goodii sp.），该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.700504），购买时间为2011年11月12日。
新阿波罗栖热袍菌NS-E [DSM 4359] （Thermotoga neapolitana，该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.49049），购买时间为2013年5月18日。
小型嗜热嗜油杆菌(Thermoleophilum minutum ，该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.35268)，购买时间为2013年5月18日。
实施例1
混合微生物菌剂的制备：将热葡糖苷地芽孢杆菌w-1（Geobacillus thermoglucosidasius），该菌株保藏在中国微生物菌种保藏委员会普通微生物中心，其保藏号为CGMCC No.11780和古地分支杆菌（Mycobacterium goodii sp.，该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.700504）、新阿波罗栖热袍菌NS-E [DSM 4359]（Thermotoga neapolitana，该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCCNo.49049）、小型嗜热嗜油杆菌(Thermoleophilum minutum ，该菌株购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.35268）分别按1:1000（v/v）接种至经高压灭菌的培养液中，60℃及150rpm涡旋搅拌，密闭（通氧）培养18小时，得到的菌液按体积份数比1:1:1:1混合。其中的培养液为：蛋白胨 1.6%；酵母膏 1%；氯化钠 0.5%；水 余量。
实施例2
混合微生物菌剂的活化及扩大培养：将微生物混合菌剂按1:1000（v/v）接种至经高压灭菌的培养液中，50℃，150rpm涡旋搅拌，密闭（通氧）培养18小时，得到混合微生物菌剂。培养液为：无机盐培养基+终浓度为1%蔗糖溶液。
实施例3
（1）按重量百分比，将活化后的5%混合微生物菌剂、45%高硫柴油和余量的无机盐溶液混合，60℃及大于50rpm 涡旋搅拌，密闭反应24小时；
（2）反应完成后去除菌液，纯净水60℃、150rpm涡旋搅拌清洗至无明显杂质，收集处理后的柴油即为低硫低氮柴油①号，具体见表1。
实施例4
（1）按重量百分比，将活化后的5%混合微生物菌剂、55%高硫柴油和余量的无机盐溶液混合，60℃及大于50rpm 涡旋搅拌，密闭反应24小时；
（2）反应完成后去除菌液，纯净水60℃、150rpm涡旋搅拌清洗至无明显杂质，收集处理后的柴油即为低硫低氮柴油②号，具体见表1。
实施例5
（1）按重量百分比，将活化后的5%混合微生物菌剂、65%高硫柴油和余量的无机盐溶液混合，60℃及大于50rpm 涡旋搅拌，密闭反应24小时；
（2）反应完成后去除菌液，纯净水60℃、150rpm涡旋搅拌清洗至无明显杂质，收集处理后的柴油即为低硫低氮柴油③号，具体见表1。
实施例6
（1）按重量百分比，将活化后的5%混合微生物菌剂、25%劣质油浆和余量的无机盐溶液混合，60℃及大于50rpm 涡旋搅拌，密闭反应24小时；
（2）反应完成后去除菌液，纯净水60℃、150rpm涡旋搅拌清洗至无明显杂质，收集处理后的柴油即为低硫低氮油浆①号，具体见表1。
实施例7
（1）按重量百分比，将活化后的5%混合微生物菌剂、35%劣质油浆和余量的无机盐溶液混合，60℃及大于50rpm 涡旋搅拌，密闭反应24小时；
（2）反应完成后去除菌液，纯净水60℃、150rpm涡旋搅拌清洗至无明显杂质，收集处理后的柴油即为低硫低氮油浆②号，具体见表1。
实施例8
（1）按重量百分比，将活化后的5%混合微生物菌剂、45%劣质油浆和余量的无机盐溶液混合，60℃及大于50rpm 涡旋搅拌，密闭反应24小时；
（2）反应完成后去除菌液，纯净水60℃、150rpm涡旋搅拌清洗至无明显杂质，收集处理后的柴油即为低硫低氮油浆③号，具体见表1。
上述实施例2-8中所述无机盐溶液的原料组成及重量百分比为:NH4Cl 0.1%；Na2HPO4·12H2O 0.106%；NaH2PO4·2H2O 0.023%；KCl 0.04%；MgCl·6H2O 0.0092%；FeSO4·7H2O 0.000278%； MnCl2·4H2O 0.000198%；CoSO4·7H2O 0.000281%；CaCl2·2H2O0.000147%；CuCl2·2H2O 0.000017%；ZnSO4·7H2O 0.000029%；水 余量。
上述实施例3-8中所述的不同油品分别用WK-2D型微库伦仪检测经微生物菌剂处理前后的油品中的总硫及总氮含量。
条件：裂解炉温度（稳定段700℃、燃烧段800℃、气化段600℃），偏压＞180mV，放大倍数200，积分电阻2000Ω，转化率应在75%-115%之间。
上述实施例测定反应前及反应后不同油品的硫/氮含量，结果如下表:
表1 微生物菌剂处理不同油品脱硫脱氮情况表
结论：由上表可知，经本发明的方法处理后，脱除不同油品中总硫及总氮的效果明显，效率较高。
实施例9
（一）热葡糖苷地芽孢杆菌w-1的提取方法
现场采集大港油田水样，采用水样加入1%石油在60℃ 180r/min条件下进行富集培养。一周后，在固体LB培养基中稀释涂布平板，待菌落长好后，选择生长良好，菌苔较大且形态特征各异的菌落，于富集培养基固体平板上划线分离、纯化。连续多次划线纯化后，得到多株纯菌，纯菌经过接种至液体培养基中验证其脱硫脱氮能力，得到一株对原油具有脱硫脱氮能力的菌株热葡糖苷地芽孢杆菌w-1（Geobacillus thermoglucosidasius）。
（二）微生物名称和保藏情况
热葡糖苷地芽孢杆菌w-1（Geobacillus thermoglucosidasius），已经在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（China General Microbiological CultuerCollection Centre）进行保藏，其保藏号为CGMCC 11780。保藏时间：2015-12-4。
（三）菌种的特征与鉴定
1、W-1菌株的形态和生理生化特征
在 LB培养基上培养24 h后的菌落直径 1 mm-25 mm ，乳白色，菌落呈圆形，稍隆起，外形光滑，湿润，不透明；在显微镜下观察，细胞长杆状，大小为0.3μm -0.5μm ×20μm-30μm。革兰氏阳性，周生鞭毛，能运动，芽孢端生，圆形或椭圆形膨大。W-1细胞接触酶阳性，能水解明胶、淀粉和酪蛋白；能还原硝酸盐和亚硝酸盐；不能利用柠檬酸盐；高于3%的NaC l其生长受到抑制；最适生长温度为60-65 ℃，低于42℃ 和高于75℃。
2、W-1产酸试验
在60℃条件下，用ABI 50 CHB/E碳水化合物鉴定试剂条及其培养基，按产品说明书对W-1利用不同碳源进行了产酸实验。
结果显示该菌株纤维能利用核糖、D-木糖、L-阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖、果糖、甘露醇、N-乙酰葡萄糖胺、纤维二糖、麦芽糖、蔗糖、海藻糖、士仑糖，不能利用甘油、D-阿拉伯糖、山梨醇、乳糖等发酵产酸。根据法国梅里埃公司配套软件鉴定此菌株为Geobacillus thermoglucosidasius（99.9%，极好的鉴定结果）。
表2 W-1对ABI 50 CHB/E糖培养基试验结果
注：+表示阳性，—表示阴性，W表示微弱
2、抽取全基因组测序的数据，对16S rDNA及一系列持家基因的注释分析，确定细菌分类。

Claims (7)

1.一种混合微生物菌剂，其特征在于该微生物菌剂是由四种菌株经活化后按体积份数比1：1：1：1混合而成；这四种菌株为：热葡糖苷地芽孢杆菌（Geobacillusthermoglucosidasius）w-1和古地分支杆菌（Mycobacterium goodiisp.）、新阿波罗栖热袍菌NS-E [DSM 4359]、小型嗜热嗜油杆菌(Thermoleophilumminutum)；所述热葡糖苷地芽孢杆菌w-1保藏在中国微生物菌种保藏委员会普通微生物中心，其保藏号为CGMCC11780；所述古地分支杆菌购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.700504；所述新阿波罗栖热袍菌NS-E [DSM 4359]购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.49049；所述小型嗜热嗜油杆菌购买自美国菌种保藏中心，其保藏号为ATCC No.35268。
2.一种采用权利要求1所述的混合微生物菌剂脱除油品中硫和氮的方法，其特征在于：
（1）将权利要求1所述混合微生物菌剂按1:1000（v/v）接种至经高压灭菌的培养液中，60℃，150rpm涡旋搅拌，密闭通氧培养18小时，得到活化的微生物菌剂；
(2) 按重量百分比，将活化后的1～5%混合微生物菌剂、50%油浆和余量的无机盐溶液混合，60℃及大于50rpm 涡旋搅拌，密闭反应24小时；
（3）反应完成后去除菌液，纯净水60℃、150rpm涡旋搅拌清洗至无明显杂质，收集处理后的油品即为低硫低氮油品；
（4）体系中总硫、总氮含量的测定：用WK-2D型微库伦仪分别检测经微生物菌剂处理前后的油品中的总硫及总氮含量。
3.权利要求1中所述混合微生物菌剂，其中所述混合微生物菌剂指的是：将热葡糖苷地芽孢杆菌（Geobacillusthermoglucosidasius）w-1和古地分支杆菌（Mycobacterium goodiisp.）、新阿波罗栖热袍菌NS-E [DSM 4359] （Thermotoganeapolitana） 、小型嗜热嗜油杆菌（Thermoleophilumminutum ）分别按1:1000（v/v）接种至经高压灭菌的培养液中，50℃，150rpm涡旋搅拌，密闭通氧培养18小时，得到的菌液按体积份数比1:1:1:1混合。
4.权利要求3所述混合微生物菌剂，其中培养液为：蛋白胨 1.6%；酵母膏 1%；氯化钠0.5%；水 余量。
5.权利要求2所述混合微生物菌剂脱除油品中硫和氮的方法，其中培养液为：蛋白胨1.6%；酵母膏 1%；氯化钠 0.5%；水 余量；所述无机盐溶液的原料组成及重量百分比为:NH4Cl 0.1%；Na2HPO4·12H2O 0.106%；NaH2PO4·2H2O 0.023%；KCl 0.04%；MgCl2·6H2O0.0092%；FeSO4·7H2O 0.000278%； MnCl2·4H2O 0.000198%；CoSO4·7H2O 0.000281%；CaCl2·2H2O 0.000147%；CuCl2·2H2O 0.000017%；ZnSO4·7H2O 0.000029%；水余量。
6.权利要求2所述混合微生物菌剂脱除油品中硫和氮的方法，其特征在于，所述的油品为含硫含氮化合物包括但不限于柴油、油渣。
7.权利要求1所述混合微生物菌剂在脱除不同石油类含硫、含氮有机化合物中的硫、氮元素方面的应用。
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