JPH0277492A - 石油の生物電気化学的脱硫方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は個性嫌気性菌である硫酸塩還元細菌の存在下で
還元力源として電気化学エネルギーを利用し、石油中の
有機硫黄成分を減少させるための生物化学的脱硫（バイ
オエレクトロケミカルデサルフリゼーション：　Ｂｉｏ
ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｓ＋１ｃａｌ　Ｄｅｓｕｌｆｕｒ
ｉｚａｔｉｏｎ　）方法に関するものである。

〈発明の要約〉 水素ガスを還元力源として使用する微生物学的脱硫方法
は、現在法（使用されている水素化脱硫方法、または低
硫黄石油の直接的な購入よりもはるかに非経済的である
と評価されている。

本発明は石油中の有機硫黄成分′を除去する方法として
水素ガスの代わりに安価で、がっ安全な電気化学的還元
力を利用する微生物学的脱一方法により効率的な工程開
発が可能となり、いままでの既存の脱硫方法よりはるか
に経済的であることを特徴とする石油中の生物電気化学
的脱硫方法に関するものである。

〈従来の技術〉 石油、石炭等の火石燃料は現代産業社会の主なエネルギ
ー源として利用されている。

しかし、大量に使用する石油の燃料の際発生するＳＯｘ
ガスは酸性雨の形態で大気汚染及び生態系の破壊等の原
因となっているため、石油中の硫黄成分を除去する脱硫
方法の開発が要求されている。

石油中には２００余種の硫黄化合物が含まれており、こ
れらの中で無機硫黄化合物や脂肪族有機硫黄化合物の場
合、化学的脱硫方法によって除去することができる。

だがＪチオフェン（ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）系の芳香族有
機硫黄化合物の場合、いままで知られている化学的脱硫
方法を用いるには特異な触媒の使用や非常に高い圧力及
び高温を要求するだけでなく、石油中に存在する重金属
により用いた触媒の機能が阻害される等の問題がある。

従って、このような問題点を克服するため、過去４０余
年の間微生物を用いた石炭、石油中の有機硫黄除去方法
について多くの研究が行われてきた。

マリツク（１９７８，Ｐｒｅｃｅｓｓ　Ｂｉｏｃｈｅｉ
、１３　（９）、（１０）は芳香族化合物を分解する好
気性菌、すなわち、シュードモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏ
ｎａｓ）、アースロバフタ−（Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅ
ｒ）、アシネトバクタ−（Ａｃｉｎｅｔ。

ｂａｃｔｅｒ）等を用い、炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）結合を
分解することにより、不溶性有機硫黄を水溶性有機硫黄
に転換できることを発表した。

また、バシルススルファスボルターレ（Ｂａｃｉｌｌｕ
ｓ　５ｕｌｆａｓｐｏｒｔｅｒ　）を利用し、石炭、石
油中の硫黄含量を減少させる方法が１９８６年コパクス
（にｏｐａｃｚ）により米国特許として出願された（Ｕ
、Ｓ　Ｐａｔｅｎｔ　４，６３２．９０６）。

しかし、石油は揮発性物質で更に発火点が低いため酸素
の供給はきわめて危険なものであり、好気性菌を利用し
石油中の有機硫黄成分を除去することは困難である。

ソバール（Ｕ、Ｓ　ｒ’ａｔｅｎｔ　２，６４１，５６
４）は嫌気的条件下で水素を供給すると原油に存在する
細菌の作用で硫黄成分が硫化水素ガスの形態に還元され
ることを明らかにした。

この際次のような脱硫反応が行われていると仮定した。

Ｒ−１Ｓ−Ｒ’　＋Ｈ２ＲＳＨ＋Ｒ’Ｈ（また１ｉＲＨ
＋Ｉｆ’５Ｈ）Ｒ−５−Ｒ’　＋２Ｈ２−一→ＲＨ＋Ｈ
２Ｓ＋Ｒ’Ｈまた、クリタ等（１９７１，Ｊ、Ｇｅｎ　
Ａ　ｐｌ、Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ。

１７．１８５）は原油の貯蔵タンクから純粋分離した単
−菌がペプトンを添加した培地で有機硫黄成分を分解し
硫化水素ガスに転換させることを発表した。

この際にメチルバイオロゲン（Ｍｅｔｈｙｌｖｉｏｌｏ
ｇｅｎ：ＭＶ）が有機硫黄の酵素学的分解に必須である
と報告した。

また、キューラ−等（１９８４，ｚｂｌ、Ｍｉｋｒｏｂ
ｉｏｌ、　、１３９．２３９）は、このような水素存在
下での嫌気的脱硫工程には硫酸塩還元細菌が関与し、脱
硫の程度には菌株の生育条件とヒドロゲナーゼ（ｈｙｄ
ｒｏｇｅｎａｓｅ　）活性が関与すると発表した。

一方、エクカルト等（１９８６，Ｚｂｉ、Ｍｉｋｒｏｂ
ｉｏｌ、　、１４１．２９１）は原油の貯蔵タンクの沈
殿物がら多様な活性混合培養液を調整し、これらを用い
てロマシキノ（Ｒｏｓａｓｈｋｉｎｏ　）石油中の硫黄
成分を４０％まで減少させることに成功した。

また、この際用いた活性混合培養液にはデサルフォビブ
リオ属（Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ　ＳＰ、）だけで
はなくミクロｍｌ　ツキ（ｓｉｃｒｏｃｏｃｃｉ）、バ
シリ（ｂａｃｉｌｌｉ）、クロストリゾイア（ｃｌｏｓ
ｔｒｉｄｉａ　）属等の細菌の存在も確認し報告した。

このような硫酸塩還元細面を利用する脱硫工程は、好気
性微生物を用いることにより工程が簡単で発酵時間が短
かくなり経済性が高いとの利点はあるが、還元力源とし
て使用される水素ガスの供給が工程上の大きな問題にな
っている。

本発明は電気化学的方法により電気化学的装置の陰極か
ら発生する還元力を硫酸塩還元細菌を用いる脱硫工程に
利用した。

電気化学的方法により発生する還元力は、水素細ｍ　（
ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｂａｃｔｅｒｉａ）の培養や生体内
の多様な酸化還元反応の補酵素として使用されるＮＡＤ
（Ｐ）Ｈの再生等に用いられてきた。

〈本発明の構成〉 第１図は実験に用いた電気分解装置である。

すなわち、ポテンシオスタット２から白金電極や炭素電
極を通じ電解セル１の陰極に還元力を供給し、この原流
れる電流量は電流計３を用いて測定し、続いて記録計４
に記録することにした。

また、電解セル１内の嫌気的状態を維持するためには低
圧力調節器９とガス精製オーブン８を通過する窒素ガス
１０を利用した。

反応中発生する硫化水素ガスはタートウイラー方法（Ｔ
ｕｔｗｉｌｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ、１９０１．Ｊ　Ａｎ＋
　Ｃｈｅｎ＋、Ｓｏｃ、２３＋１７３）により、第１図
に示す硫化水素吸水管１１内のデンプン溶液に吸収させ
、これをヨード（ｉｏｄＯ）溶液で定量した。

図中、５はスターラー、６は寒天橋、７は水浴をそれぞ
れ示す。

実験に用いた硫酸塩還元細菌は多様な嫌気的環境下でボ
ストゲート培地Ｅ（Ｐｏｓｔｇａｔｅ　ｍｅｄｉｕｍ　
Ｅ）を使用して分離し、分離細菌株はボストゲート培地
Ｃで培養した菌溶液を用いた。

ボストゲート培地Ｃ（Ｉｆ！当たり） ＫＨ２ＰＯ４０，５ｇ ＮＨ４Ｃｌ　　　　　　　　　１．５ｇＮａ２ＳＯ４４
，５ｇ ＣａＣＩｚ・６ｆｌｐＯＯ，０６ｇ ＭｇＳＯ４・７８２０　　　　　　０．０６ｇ乳酸ソー
ダ　　　　　　６．０ｇ 酵母エキース　　　　　１．０ｇ Ｆｅ５０＋　４ＦＩ２０　　　　　　０．００４ｇクエ
ン酸ソーダ　　　　０．３ｇ ０．２％レスアズリン　　１．０ｍＱ ｐＨ７，５ ボストゲート培地Ｅ（ｌｅ当た１） ＫＨ２ＰＯ４０，５ｇ ＮＨ４Ｃｌ　　　　　　　　　１．０ｇＮａ２ＳＯ４１
，０ｇ ＣａＣｌ２・６Ｈ２０１，０ｇ Ｍｇ５Ｏ＋・７８２０　　　　　　２．０ｇ乳酸ソーダ
　　　　　　３．５ｇ 酵母エキース　　　　　１．Ｏｇ アスコルピンク酸　　　０．１ｇ チオグリコール酸　　　０．　Ｉｇ ＦｅＳＯ＜４Ｈ２００，５ｇ ０．２％レスアズリン　　１．０＋ｅ ｐＨ７，６ 分離菌株中ジベンゾチオフェン分解能の最も高いデサル
フォビブリオ属Ｍ６（口ｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ　Ｓ
Ｐ。

Ｍ６）を主に使用した。

なお標準菌株としては、デサルフォビプリオブルガリス
（Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ　Ｖｕｌｇａｒｉｓ）　
ＮＣＩＭＢ　８３０３及びデサルフォビプリオデサルフ
リカンス（Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ　ｄｅｓｕｌｆ
ｕｒｉｃａｎｉｓ）　ＭＣＩＭＢ　８３１０を使用した
。

これらの菌株は培養温度３０℃で培養した。

反応に使用する反応液は硫酸塩成分を除いたボストゲー
ト培地Ｃを用いた。

また、より効率的な電子伝達のためメチルバイオロゲン
（ｓｅｔｈｙｌ　　ｖｉｏｌｏｇｅｎ）を電子媒介体（
ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｅｄｉａｔｏｒ）として使用し、
実施例に用いたすべての試栗は嫌気的に調整し添加した
。

〈実施例１〉 脱硫能力の高い菌株の選別のため、石油の有機硫黄成分
中の相当な部分を占めるジベンゾチオフェンをモデル（
ｍｏｄｅｌ）化合物として用いて実験を行った。

まず、１５０ｍｅの血清瓶（ｓｅｒｕｍ　ｖｉａｌ　）
に硫酸塩成分のみを除去した、ボストゲート培地Ｃ及び
濃縮した硫酸塩還元細菌（３日間３０℃で培養した培養
に１７０ｍｅから集菌したもの）を各々添加した後、反
応条件に従ってジベンゾチオフェン及びメチルバイオロ
ゲンを最終濃度が各々０．１０Ｊ、２ｍＭになるように
添加した。

反応器のヘッドスペース（ｔ＋ｅａｄｓｐａｃｅ　）に
は還元力源として水素ガスを飽和状態にし、各条件での
総反応液の量は７Ｑｍｅを供試した。

土壌から分離した５種の菌株の反応時間によるジベンゾ
チオフェンの減少程度はガスクロマトグラフィーで測定
し、標準試料としてはジベンゾチオフェンを含んだ反応
溶液２Ｉｅに同量のブタノールで抽出した上澄液を用い
た。

分析条件としては、試料溶液１＋ｅをあらかじめ１０％
０Ｖ−１０１（ｓｕｐｅｌｃｏ　　Ｉｎｃ、）を詰めた
ステンレスカラム（２ｅＸ２ｍｍ）を通して分析した。

分析温度の条件はカラム（Ｃｏｔ旧■）温度は２００℃
、インジェクター（ｉｎｊｅｃｔｏｒ　）温度は２２０
℃、ディテクター（ｄｅｔｅｃｔｏｒ　）温度は２５０
℃にした。

表１に示したように標準菌株及び土壌から分離した硫酸
塩還元細菌は６日間の反応を通じて５８％から９４％程
度のジベンゾチオフェンが回収された。

その中で最もジベンゾチオフェンの分解能力の高いＭ６
菌株を選別し、このＭ６菌株の形態学的観察及び生化学
的な調査により同定した結果、硫酸塩還元細菌の一種で
あるデサルフォビブリオ（Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ
）属の菌株であることを明らかにした。

また、有機硫黄化合物の一種であるジベンゾチオフェン
の分解過程を調べるため硫酸塩還元細菌によるジベンゾ
チオフェンの分解産物を同定する実験を行った。

すなわち、抽出した試料溶液を多様な分析機器を用いて
分析した結果、ジベンゾチオフェン以外の成分の存在が
認められた。

第２図と第３図はジベンゾチオフェンの分解産物１ｍｅ
をＧＣ−ＭＳを用いて分析した際、あられれたスペクト
ルである。

図に示したようにＧＣ−ＭＳ分析の結果、保持時間８３
秒及び１８７秒のところで未知の物質が検出された。

また、この際検出されたピークの中で主なる８３秒の大
きなピークはビフェニル（ｂｉｐｈｅｎｙｌ　）のピー
クであることを確認した。

ビフェニル化合物であることをより確実に証明ｅｒ　　
ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）で標準ビフェニル化合
物と同時に展開させ、Ｒｆ　＝０．４９のところのスポ
ット（５ＰＯＴ　）を集めてブタノールで抽出乾燥した
後、ＩＲスペクトルを調べた結果、標準化合物であるビ
フェニルと一致することを確認した（第４図）。

このような実験の結果は硫酸塩細菌によるジベンゾチオ
フェンの分解は炭素−炭素結合の分解ではな（、炭素−
硫黄結合の分解によっておこり、ジベンゾチオフェン内
の硫黄成分は硫化水素ガスの形態で除去されることを明
らかにした。

第１表　硫酸塩還元細菌による ジベンゾチオフェン（ｌｌ［ｌＴ）の分解相対的ジベン
ゾチオフェンの濃度（％）対照試料１ニジベンゾチオフ
エン 対照試料２ニジベンゾチオフ工ン＋２１１ＩＭメチルバ
イオロゲン 〈実施例２〉 第１図の電気化学的脱硫装置を用いて電解セルの陰極部
分に濃縮された硫酸塩還元１１菌Ｍ６及び２Ｉｌ１Ｍメ
ヂルバイオロゲンを添加した後、実施例１で用いたのと
同じ培地を使用し、総量３５　ｍ　ｅになるようにした
。

これに嫌気的にしたクラエート産原油３５ｍｅを添加し
た後、３０℃で１ｎ拝しながら反応させた。

この時使用する電極は表面積０．５ｃ♂の白金電極を用
いこの電極が水溶液中に完全に沈んだ状態になってから
反応を行った。

原油中の硫黄含量は６日間反応させた後、試料を取り、
遠心分離によって原油層内の水溶液層を完全に分離、除
去した後、石油製品の硫黄成分試験法の１つであるポン
プ法（ｂｏｍｂ　ｍｅｔｈｏｄ）により測定した。

表２に示したように硫酸塩細菌Ｍ６及び２１１ＩＭメチ
ルバイオロゲンの存在下で電気的に還元力を供給した結
果（−２，５ボルト）、対照反応液に比べ２１％の硫黄
含量の減少が確認された。

この際発生する硫化水素ガスの量は先に説明したタトウ
ィラー（Ｔｕｔｗｉ　ｌｅｒ　）方法で定量した。

発生する硫化水素ガスは反応時間の経過につれて還元力
を供給する電解装置の陰極部分で対照反応液に比べ徐々
にその量が増加したことが観察された。

６日間の反応後、クラエート産原油３５ｍ１！に対し０
．２０％の硫化水素が発生しく第５図）、表２に示した
石油中の硫黄成分の減少はジベンゾチオフェンの場合と
同様に硫化水素ガスの形態で除去されることが明らかに
された。

第２表　デサルフォビブリオ属Ｍ６菌株による生物電気
化学的脱硫後の原油中の硫黄成分の含量変化 〈実施例３〉 実施例１で用いた白金電極は電気化学的研究に広（利用
されているが、非経済的であるので本発明には白金電極
の代わりに安価な炭素電極を脱硫の実験に用いた。

他の実験条件は実施例２と同様である。

電極として使用する炭素電極の表面積は１．１０ｃ＋＃
で、完全に水溶液層に沈んだ状態で電気化学的エネルギ
ーを供給した。

表３に示したように炭素電極を用いた脱硫実験の場合に
も白金電極と同様に６日間の反応後２０．１％程度の硫
黄成分の減少が観察された。

しかし、電気化学的エネルギーを供給しない場合や電子
媒介体であるメチルバイオロゲンを供給しない場合には
硫黄含量がそれほど減少しないことから、脱硫には還元
力源として電気化学エネルギーや電子媒介体が必要であ
ることを明らかにした。

本実施例は、脱硫実験が大規模に行われている現在、そ
の経済的側面から考えると、電極の効率性を増大させる
ことにより最も効率的で、かつ安価な電極の使用の可能
性を示唆していると考えられる。

第３表　炭′ｆ：電極を用いた生物電気化学的脱硫後の
原油中の硫黄成分の含量変化 〈実施例４〉 原油の他に石油製品中の一つであるディーゼル油（ｄｉ
ｅｓｅｌ　ｏｉｌ）を用いて実施例２と同様の条件下で
脱硫実験を行った。

実験に使用する硫酸塩還元細菌は土壌から分離したデサ
ルフォビブリオ属Ｍ６を、還元力源としては、水素ガス
または電気化学的エネルギーを各々用いた。

硫黄成分の分析は６日間反応させた後、ポンプ法（ｂｏ
ｍｂ　ｍｅｔｈｏｄ）で測定した。

表４に示したように電気化学的エネルギーまたは水素ガ
スを還元力源として供給する場合、対照試料よりそれぞ
れ２３．２％、３９．１％の硫黄成分の減少が見られた
。

この実施例は原油の場合よりディーゼル油の場合の方が
脱硫の程度が少し増加し、また還元力源として水素ガス
を用いる方が電気化学的エネルギーを用いるより脱硫が
効率的であることを示していると思われる。

また、本発明は原油それ自体よりも、チオフェン（ｔｈ
ｉｏｐｈｅｎｅ）系の硫黄成分が多量に含まれている石
油製品などに効果的に適用することができることを示唆
している。

第４表　デサルフォビブリオ属Ｍ６菌株を用いた生物電
気化学的脱硫のディーゼル油 （ｄｉｅｓｅｌ　ｏｉｌ）中の硫黄成分の含量変化

【図面の簡単な説明】

第１図：硫黄塩還元細菌を利用する微生物学的脱硫に用
いられた電気分解装置の説明 第２図：ブタノールにより抽出されたジベンゾチオフェ
ン（ＤＢＴ）の分解産物のガスクロマトグラフィーの図 第３図；電気化学的装着内で６日間反応後ガスクロマト
グラフィーにより分離したジベンゾチオフェンの主要な
産物の質量スペクトルの図 第４図：本装置内で６日間反応後、薄層クロマトグラフ
ィーにより分離したジベンゾチオフェンの主要な産物の
赤外線スペクトルの図 第５図：本装置内で原油脱硫の際発生する硫化水素の量
を反応時間の経過より示した図 １：電解セル　　２：ボテンシオスタット３：電流計　
　４：記録計　　５：スターシー６：寒天ａ　　７：水
浴　　８：ガス精製オーブン９：低圧力調節器　　ｌＯ
：窒素ガス １１；硫化水素吸収管

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）硫酸塩還元細菌デサルフォビブリオ属（ＤＥＳＵ
   ＬＦＯＶＩＢＲＩＯ　ＳＰ．）細菌を用いて電気化学エ
   ネルギーを還元力源として利用し、原油およびその製品
   中の有機硫黄成分を硫化水素の形態に還元させることに
   よる有機硫黄の脱硫方法。 （２）還元力として電気化学的エネルギーを用いて実施
   する請求項１の脱硫方法。 （３）電子媒介体としてメチルバイオロゲン（ｍｅｔｈ
   ｙｌＶｉｏｌｏｇｅｎ）またはその他の人工電子伝達体
   を用いて実施する請求項１の脱硫方法。 （４）硫酸塩還元細菌が中温性細菌デサルフォビブリオ
   （Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ　Ｓｐ．）属である請求
   項１の脱硫方法。 （５）中温性とは３０℃〜３７℃の条件で培養すること
   を意味する請求項４の脱硫方法。（６）電極として白金
   または炭素電極を用いて実施する請求項１の脱硫方法。 （７）硫酸塩還元細菌の代わりに原油タンク中の嫌気性
   スラッジ（Ｓｌｕｄｇｅ）を用いて実施する請求項１の
   脱硫方法。