DD289286A5 - METHOD FOR MICROBIAL CONVERSION OF ORGANIC SULFUR COMPOUNDS OF CARBON-CONTAINING MATERIALS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiellen Konvertierung organischer Schwefelverbindungen aus kohlenstoffhaltigen Materialien, insbesondere Braunkohle. Sie kann zur Primaerbehandlung fossiler Brennstoffe zur Reduzierung der SO2-Emission beim Einsatz von Brikettierkohle Verwendung finden. Die Aufgabe wird durch Verwendung einer neuen thermophilen Mischkultur in einem aeroben Kultivierungsverfahren unter Anwesenheit der zu entschwefelnden Materialien geloest. Das Verfahren kann unter ungeschuetzten Bedingungen bei mikrobieller Langzeitstabilitaet realisiert werden.{Entschwefelung; Konvertierung; Kultivierungsverfahren; Bakterien; Mischkultur; Braunkohle; Brennstoffe; Mikrobiologie; IMET 11335}The invention relates to a process for the microbial conversion of organic sulfur compounds from carbonaceous materials, in particular lignite. It can be used for the primary treatment of fossil fuels to reduce SO2 emissions when using briquetted coal. The object is achieved by using a new mixed thermophilic culture in an aerobic cultivation process in the presence of the materials to be desulfurized. The process can be carried out under unprotected conditions with long-term microbial stability {desulphurization; conversion; Cultivation methods; Bacteria; Mixed culture; Brown coal; fuels; Microbiology; IMET 11335}
Description
Die Erfindung betrifft ein mikrobielles Verfahren zur Entfernung organischer Schwefelverbindungen aus Materialien wie Stein- und Braunkohle sowie Erdöl und entsprechenden Abprodukten. Sie kann zur Primärbehandlung fossiler Brennstoffe zur Reduzierung der SO2-Emission beim Einsatz von Brikettierkohle verwendet werden.The invention relates to a microbial process for the removal of organic sulfur compounds from materials such as hard and brown coal and petroleum and corresponding waste products. It can be used for the primary treatment of fossil fuels to reduce SO 2 emissions when using briquetted coal.
Fossile Brennstoffe enthalten neben anorganischen Schwefelverbindungen, ζ. Β. Pyrite, organische Schwefelverbindungen unterschiedlicher Art und Konzentration. Während für erstere die Reduzierung durch chemische oder mikrobielle Primärbehandlungsverfahren relativ umfangreich beschrieben ist, trifft dies auf die organischen Verbindungen in nur sehr geringem Maße zu.Fossil fuels contain, in addition to inorganic sulfur compounds, ζ. Β. Pyrite, organic sulfur compounds of different types and concentrations. While for the former, the reduction by chemical or microbial primary treatment methods is described relatively extensively, this applies to the organic compounds in only a very small extent.
Einige organische Schwefelverbindungen, wie Mercaptane, aliphatische Sulfate, Disulfide oder Thiophene sind auf chemischem Weg abbaubar, jedoch ist der erforderliche ökonomische Aufwand weit von einer Wirtschaftlichkeit entfernt. Besonders bei Braunkohle überweigt der Anteil organischer Verbindungen an der Gesamtschwefelmenge; er beträgt 50 bis 80%. Die Entfernung bzw. Reduzierung dieser Stoffgruppen besitzt besonders unter ökologischem, aber auch materialtechnischem Aspekt große Bedeutung, und seit Beginn der 80er Jahre wird über erste positive Ergebnisse bei mikrobielle*) Konvertierungsverfahren berichtet. Im Rahmen experimenteller Forschung wurde eine Vielzahl von Mikroorganismenspezies auf die Eigenschaft hin untersucht, organische Schwefelverbindungen in ökologisch unbedenkliche Komponenten umzusetzen. Dazu gehören Stämme von Pseudomonas, Arthrobacter, Alcaligenes, Bacillus, Desulfovibrio, Thiobacillus, Flavobacterium, Aoinetobacter, Sulfolobus u.a. Einige dieser Mikroorganismen besitzen die Fähigkeit zum Abbau organischer Schwefelverbindungen. Die Anzahl diesbezüglicher Fach- und Patentpublikationen ist jedoch nur sehr gering. Von KOPAC (US 4.632.906) wird ein Verfahren zur Senkung des Schwefelqehaltes kohlenstoffhaltiger Materialien, wie Kohle und flüssiger Kohlenwasserstoffe, unter Verwendung von Bacillus sulfasportare (ATCC 39909) beschrieben. Die mikrobielle Behandlung erfolgt bei 30°C unter Bildung von Sulfaten.Some organic sulfur compounds, such as mercaptans, aliphatic sulfates, disulfides or thiophenes, are chemically degradable, but the economics required are far from economical. Especially with lignite, the proportion of organic compounds in the total amount of sulfur predominates; it is 50 to 80%. The removal or reduction of these groups of substances is particularly important from an ecological as well as a material technical point of view, and since the beginning of the 1980s first positive results in microbial conversion processes have been reported. Within the framework of experimental research, a large number of microorganism species were investigated for the property of converting organic sulfur compounds into ecologically harmless components. These include strains of Pseudomonas, Arthrobacter, Alcaligenes, Bacillus, Desulfovibrio, Thiobacillus, Flavobacterium, Aoinetobacter, Sulfolobus, and others. Some of these microorganisms have the ability to decompose organic sulfur compounds. However, the number of specialized and patent publications in this field is very small. KOPAC (US 4,632,906) describes a process for reducing the sulfur content of carbonaceous materials such as coal and liquid hydrocarbons using Bacillus sulfasportare (ATCC 39909). The microbial treatment is carried out at 30 ° C to form sulfates.
Die Verwendung einer Mutante von Pseudomonas sp. (ATCC 39381) zur Entfernung organischen Schwefels aus Kohl6suspensionen wird von ISBISTER in US 4.562.156 (entspr. EP 218734) beansprucht. Die neue Mutante wurde durch Adaptation natürlicher Mikroorganismen an Dibenzothiphen (DBT), Selektion auf DBT-Oxidation und chemische Mutagenese der Selektanten zur Erhöhung der Oxidationsleistung gewonnen. Das Verfahren wird unter mesophilen Bedingungen durchgeführt; oberhalb 410C findet kein Mikroorganismenwachstum mehr statt. Hierzu ist in der neuesten Fachliteratur der Hinweis enthalten, daß diese Pseudomonas-Mutante inzwischen in den Laboratorien der Patentanmelder nicht mehr verfügbar ist (J. J. Kilbane; Tibtech, April 1989 Vol. 7, unter bezug auf Reed, L [1988], in: Proceedings of the 4th Departement of Energy Preparation, Utilisation and Environmental Control Contraetors Conference, DOE, Pittsburgh Energy Center, Pittsburgh, PA 15236 USA).The use of a mutant of Pseudomonas sp. (ATCC 39381) for removing organic sulfur from carbon suspensions is claimed by ISBISTER in US 4,562,156 (corresponding to EP 218734). The new mutant was obtained by adaptation of natural microorganisms to dibenzothiphene (DBT), selection for DBT oxidation and chemical mutagenesis of the selectants to increase the oxidation performance. The process is carried out under mesophilic conditions; Above 41 0 C no microorganism growth takes place. For this purpose, it is contained in the most recent specialist literature that this Pseudomonas mutant is no longer available in the patent applicants' laboratories (JJ Kilbane, Tibtech, April 1989 Vol 7, with reference to Reed, L [1988], in: Proceedings of the 4th Department of Energy Preparation, Utilization and Environmental Control Contraetors Conference, DOE, Pittsburgh Energy Center, Pittsburgh, PA 15236 USA).
In US 4.659.670 wird von STEVENS ein Verfahren zur mikrowellen Kohleentschwefelung unter Verwendung einer Mischkultur (ATCC 39327) beschrieben, bei der ebenfalls im mesophilen Bereich gearbeitet wird. Die Mischkultur setzt sich aus Vertretern von Pseudomonas, Acinetobacter, Azotobacter und Flavobacterien zusammen.US 4,659,670 to STEVENS describes a process for microwave coal desulfurization using a mixed culture (ATCC 39327), which also operates in the mesophilic range. The mixed culture is composed of representatives of Pseudomonas, Acinetobacter, Azotobacter and Flavobacteria.
Die beschriebenen Verfahren werden sämtlich im mesophilen Temperaturbereich durchgeführt, und es ist mit Kontaminationen durch Fremdorganismen zu rechnen, wenn ungeschützte Bedingungen vorliegen. Durch den exothermen Reaktionsverlauf entstehen darüber hinaus nicht unerhebliche Kühlkosten zur Aufrechterhaltung des notwendigen Temperaturregimes.The described methods are all carried out in the mesophilic temperature range and contamination by foreign organisms is to be expected if unprotected conditions exist. Due to the exothermic reaction process also incur not inconsiderable cooling costs to maintain the necessary temperature regime.
Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines mikrowellen Verfahrens zur Reduzierung organischer Schwefelverbindungen insbesondere aus Braunkohle, welches unter mikrobiologischer Largzeitstabilität realisiert werden kann.The object of the invention is to provide a microwave method for reducing organic sulfur compounds, in particular from brown coal, which can be realized under microbiological long-term stability.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bakterien mit Aktivität zur Oxidation organischer Schwefelverbindungen zuThe invention is based on the object bacteria with activity for the oxidation of organic sulfur compounds
selektieren, die unter ungeschützten Bedingungen eingesetzt werden können.select which can be used under unprotected conditions.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabedurch Verwendung von Bakterien der neuen thermophilenMischkultur IMET 11335 in einem aeroben Kultivierungsverfahren gelöst, welches im Temperaturbereich von 50 bis 7O0C sowie im pH-Bereich von 4 bis 8 unter Anwesenheit der schwefelhaltigen Materialien durchgeführt wird. Besonders vorteilhafte Kultivierungsbedingungen liegen bei 60°C und einem pH von ca. 6,5 vor.According to the invention the task by using bacteria of the new thermophilic mixed culture IMET is dissolved in an aerobic culture method 11335, which is carried out in the temperature range of 50 to 7O 0 C and in the pH range of 4 to 8 by the presence of the sulfur-containing materials. Particularly advantageous cultivation conditions are at 60 ° C and a pH of about 6.5 before.
Dir neue thermophile, aerobe, heterotrophe Bakterienmischkultur wurde in der IMET-Kulturensammlung für Mikroorganismen des Zentralinstitutes für Mikrobiologie und experimentelle Therapie Jena hinterlegt. Sie stellt eine Anreicherungskultur dar, die unter den anspruchsgemäßen Kultivierungsbedingungen aus wostelbischer Braunkohle unter Zusatz von DibenzothiophenThe new thermophilic, aerobic, heterotrophic bacteria mix culture was deposited in the IMET culture collection for microorganisms of the Central Institute for Microbiology and Experimental Therapy Jena. It represents an enrichment culture, which under the conditions of cultivating conditions from Wostelbischer brown coal with the addition of dibenzothiophene
nach 30 Tagen gewonnen wurde.was won after 30 days.
Die Mischkultur kann auf folgende Weise charakterisiert werden:The mixed culture can be characterized in the following way:
Auf Peptonagar werden nach 16 Stunden Kolonien von 2-10mm Durchmesser mit folgenden Eigenschaften erhalten:On peptone agar, colonies of 2-10 mm diameter are obtained after 16 hours with the following properties:
- keine Pigmentbildung- no pigmentation
- cremefarbig- cream colored
- glatte, glänzende Oberfläche bei vermehrter Schleimbildung- smooth, shiny surface with increased mucus formation
- unregelmäßig, Konsistenz nicht homogen- irregular, consistency not homogeneous
Die Mischkultur besteht aus drei Hauptkomponenten, die wie folg' unterscheidbar sind:The mixed culture consists of three main components which can be distinguished as follows:
Komponente I: pleomorph, schwach gramnegativ, stäbchenförmig, inhomogene Struktur, Größe 0,3... 0,5 χ 2,3... 6,6 pmComponent I: pleomorphic, slightly gram-negative, rod-shaped, inhomogeneous structure, size 0.3 ... 0.5 χ 2.3 ... 6.6 pm
Komponente II: grampositiv, gerade, zentrale bis subterminale Sporen bildend, gerade, stäbchenförmig. GrößeComponent II: Gram-positive, straight, forming central to subterminal spores, straight, rod-shaped. size
0,6... 1,3 x 1,5.„4,1 pm Komponente III: pleomorph, gramnegativ, terminate Sporen bildend, gerde oder gebogen, stäbchenförmig, Größe0.6 ... 1.3 x 1.5. "4.1 pm Component III: pleomorphic, gram-negative, terminal Spores forming, straight or curved, rod-shaped, size
0,6...0,8x4,1 ...6,5Mm0.6 ... 0.8x4.1 ... 6.5m
Der Anteil der 3 Hauptkomponenten an der Mischkultur beträgt mindestens 95% der Zelldichte.The proportion of the three main components in the mixed culture is at least 95% of the cell density.
Die Bakterien dieser Mischkultur sind in der Lage, organische Schwefelverbindungen, wie z. B. Thiophene, Thiole, Sulfide oder Disulfide als Reinsubstanzen wie auch in kohlenstoffhaltigen Materialien, insbesondere Braunkohle, unter thermophilcn Bedingungen zu Sulfaten zu oxidieren.The bacteria of this mixed culture are capable of organic sulfur compounds such. As thiophenes, thiols, sulfides or disulfides as pure substances as well as in carbonaceous materials, especially lignite, under thermophilcn conditions to oxidize sulfates.
Diese Aktivität besitzen bereits die Einzelkomponenten, so daß sowohl die beschriebene Mischkultur wie auch Kombinationen der Einzelkomponenten oder diese selbst Verwendung finden können, wobei die schwefeloxidierende Aktivität der Mischkultur gemäß IMET 11335 gegenüber den enthaltenen Einzelkomponenten erhöht ist. Unter Verwendung der hinterlegten Mischkultur wurden bei Modelluntersuchungen eine Entschwefelung von > 90% (bez. auf Dibenzothiophen) erreicht, und mit Kombinationen aus 2 der drei Hauptkomponenten wurden immer noch 75-85% erreicht. In braunkohlehaltige Suspensionen wurde der Gehalt an organischen Schwefelverbindungen bis zu 70% reduziert.This activity already possess the individual components, so that both the described mixed culture as well as combinations of the individual components or these can find their own use, wherein the sulfur-oxidizing activity of the mixed culture according to IMET 11335 is increased compared to the individual components contained. Using the deposited mixed culture, desulphurization of> 90% (relative to dibenzothiophene) was achieved in model studies, and combinations of 2 of the three major components still achieved 75-85%. In lignite-containing suspensions, the content of organic sulfur compounds was reduced by up to 70%.
Die Kultivierung der Bakterien kann in einem dem eigentlichen Schwefel-Konvertierungsverfahren vorgelagerten Schritt unter den anspruchsgemäßen Kultivierungsbedingungen diskontinuierlich oder kontinuierlich erfolgen. Es kann jedoch vorteilhafterweiso so verfahren werden, daß das zu entschwefelnde Material, z.B. die Braunkohle, bereits während des Anzuchtprozesses dem Fermentor zugeführt wird und dann in diesem über den erforderlichen Zeitraum, der mit der Zusammensetzung und der Menge der enthaltenen organischen Schwefelverbindungen variiert, im Kultivierungsgemisch verbleibt.The cultivation of the bacteria can be carried out batchwise or continuously in a step upstream of the actual sulfur conversion process under the culturing conditions claimed. However, it can be advantageously carried out so that the material to be desulphurised, e.g. the lignite is already fed to the fermenter during the growing process and then remains in the cultivation mixture for the required period of time, which varies with the composition and the amount of organic sulfur compounds present.
Mit dem zu behandelnden Material werdende nach seiner Beschaffenheit, Kohlenstoffverbindungen dem Kultivierungsmedium zugeführt, die für den mikrowellen Wachstumsprozeß als Substrat dienen können. Gleiches trifft auf anorganische Salze zu, die als Nährsalze fungieren. In Ergänzung der erforderlichen Bilanzen sind bei Stagnation des mikrowellen Wachstums erforderlichenfalls zusätzlich leicht utilisierbarer C-Quellen, wie z. B. Essigsäure oder Glucose zuzusetzen, wofür industrielle Abfallwässern ökonomisch günstig zur Verfügung stehen.With the material to be treated by its nature, carbon compounds supplied to the cultivation medium, which can serve as a substrate for the microwave growth process. The same applies to inorganic salts that act as nutrient salts. In addition to the necessary balances are in stagnation of the microwave growth, if necessary, additionally easily utilizable C sources, such. As acetic acid or glucose, for which industrial waste waters are economically available.
Das zu entschwefelnde Material muß, wenn es in fester Form vorliegt, der mikrowellen Behandlung durch eine Zerkleinerung zugängig gemacht werden. Vorteilhafterweise wird es z. B. mittels Kugelmühlen zermalen und eino wäßrige Aufschlämmung vorgenommen. Die erhaltene Suspension wird dann dem Fermentor zugegeben.The material to be desulphurised, when in solid form, must be made accessible to microwave treatment by comminution. Advantageously, it is z. B. crushed by ball mills and made ao aqueous slurry. The resulting suspension is then added to the fermentor.
Während des mikrowellen Fermentationsprozesses werden die organischen Schwefelverbindungen zu Sulfaten oxidiert, die im Falle der Behandlung von Braunkohle von den enthaltenen Erd- und Alkalimetallen, vorwiegend Kalzium, gebunden werden. Die Zersetzungstemperaturen dieser Sulfate liegen oberhalb 1200°CDuring the microwave fermentation process, the organic sulfur compounds are oxidized to sulfates which, in the case of the treatment of lignite, are bound by the contained earth and alkali metals, mainly calcium. The decomposition temperatures of these sulfates are above 1200 ° C
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch nachfolgende Beispiele näher erläutert. The process according to the invention is explained in more detail by the following examples.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Bakterienmischkultur IMET11335 wurde in einem 1-l-Rührreaktor mit einem Nährmedium folgender ZusammensetzungThe mixed bacteria culture IMET11335 was used in a 1 l stirred reactor with a nutrient medium of the following composition
und chloridhaltiger Spurensalzlösung bei 60"C und pH6,5 unter aeroben Bedingungen kultiviert (Luftstrom 60l/h).and chloride-containing trace saline cultured at 60 ° C and pH 6.5 under aerobic conditions (air flow 60 l / h).
nachgewiesen.demonstrated.
Die Bakterienmischkultur IMET 11335 wurde in Nährmedium gemäß Beispiel 1 bei 60°C, pH6,5 aerob kultiviert, wobei der Luftstrom 60 l/h betrug.The bacterial mixed culture IMET 11335 was aerobically cultured in nutrient medium according to Example 1 at 60 ° C., pH 6.5, the air flow being 60 l / h.
Das Kultivierungsmedium enthielt jedoch kein Dibenzothiophen, sondern gemahlene Rohbraunkohle in einer Menge von 200g Kohle pro 1 Suspension. Die Kohle wies einen Gesamtschwefelgehalt von 4,4% auf, wovon 55% organisch gebunden waren. Nach 3 Tagen trat Wachstumsstagnation durch Auszehrung der durchdie Kohle bereitgestellten utilisierbaren Komponenten ein. Es erfolgte eine einmalige Zugabe von Glucose in einer Menge von 10g/l Kulturmedium. Nach einer Fermentationsdauer von 12 Tagen wurde der Gehalt an organisch gebundenem Schwefel um 70% gesenkt. Beim Kontrollversuch ohne Gegenwart von Mikroorganismen wurde eine chemische Oxidation nachgewiesen.However, the culture medium contained no dibenzothiophene but milled crude lignite in an amount of 200 g of coal per 1 suspension. The coal had a total sulfur content of 4.4% of which 55% was organically bound. After 3 days, growth stagnation occurred by wasting the utilizable components provided by the coal. There was a single addition of glucose in an amount of 10g / l culture medium. After a fermentation period of 12 days, the content of organically bound sulfur was reduced by 70%. In the control experiment without the presence of microorganisms, a chemical oxidation was detected.
wurden als Mikroorganismen die Komponenten Il und III der hinterlegten Mischkultur IMET 11335 in einem paritätischenwere as microorganisms components II and III of the deposited mixed culture IMET 11335 in a parity
erreicht.reached.
Claims (3)
-- im pH-Bereich von 4 bis 8
durchgeführt wird.- in the temperature range from 50 to 75 ° C as well
- in the pH range of 4 to 8
is carried out.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DD33485589A DD289286A5 (en) | 1989-11-27 | 1989-11-27 | METHOD FOR MICROBIAL CONVERSION OF ORGANIC SULFUR COMPOUNDS OF CARBON-CONTAINING MATERIALS |
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