二苯并噻吩脱硫菌株的研究进展及展望

明龙 崔俊涛

(吉林农业大学资源与环境学院 吉林长春 130018)

1 前言

21世纪是环保的世纪,作为当今世界的主要能源之一的石油是各个国家工业发展的首选。在全世界的范围内炼油工业在环保和工艺改进方面都面临着很大压力与挑战。石油经过燃烧所产生硫的危害也渐渐地被人们所知晓。石油及其炼制品中的硫元素经过燃烧会以硫氧化物的形式排放到大气中,还会引起严重的环境危害和人类健康问题。石油及其炼制品燃烧所产生的污染气体和颗粒在环境中经过各种各样的化学反应,并对环境造成二次污染。

2 生物脱硫技术的发展

生物催化脱硫简称生物脱硫(简写BDS),BDS可以在常温常压下利用某些特殊菌种对含硫化合物的燃料油具有高效的消化能力,可以使燃料中的非水溶性的含硫有机物在微生物的作用下转化为水溶性化合物,使硫从燃料中分离出来。

BDS与HDS相比较的优点如下:第一,低温常压下可进行反应。第二,无需制氢装置可降低费用。第三,BDS脱出的硫是以水溶性的SO42-离子存在,可以保护环境,防止二次污染。第四,BDS可以去除赛分类含硫化合物,而HDS则不能。第五,对于难的物料时BDS也可以进行脱硫,而且还不损失辛烷的燃烧值。第六,BDS与HDS在催化剂方面可以减少重金属中毒的发生。结合以上优点,微生物脱硫技术是非常有前景的新技术。

在1948年美国就公开了第一个生物脱硫技术的专利[1]。1988年到1989 年期间美国一家天然气技术研究所的研究院Kilbane成功地分离出来一株特殊的菌株,该菌株可以去除二苯并噻吩(DBT)中的硫元素[2～4],该菌株代谢过程中可以专一性地断开二苯并噻吩分子中的C-S键,说明部分微生物能够有脱除硫元素的能力并且在脱除硫元素的同时不减损燃料的热值。随后美国能源部开始对生物脱硫技术的支持逐渐地加大。在1992年美国能源生物系统公司在微生物脱硫剂技术上得到了历史性的突破进展。[5]。EBC的生物脱硫技术可以使柴油和混合柴油中的含硫有机物转化成硫酸盐的形式去除。

我国有关微生物脱硫技术的研究比发达国家晚,我国是在上个世纪90年代末才逐渐开始,近些年来才渐渐活跃起来,但是大多数都停留在实验室的研究水平。李珊等人[6]成功的分离出来了一株可以有选择的、专一性的脱除DBT中硫元素的红平红球菌LLSE8-1,并且该菌株的代谢产物为2-HBP。马挺等人[7]通过DBT为底物,经过反复筛选从而得到一株能够专一性的断开C-S键的菌种—红球菌-DS-3。将三角瓶放入摇床经过多次实验对柴油进行脱硫,将0号柴油通过5次循环脱硫后可以脱除52.13%的含硫有机物,而二苯并噻吩转化率为87.53%,代谢产物是不含有硫的2-HBP。经过试验分析表明,燃油中的含烃类的物质在脱除硫元素的前后基本上保持不变,也证实该菌株是沿着经典的4S途径代谢。该实验是我国第一次利用生物脱硫技术对柴油的实验报道。

3 4S途径概述

4S途径是硫选择性的氧化过程,在微生物的催化作用下,可以有选择的断开硫化物中的C-S键,将硫原子氧化成为水溶性的无机硫,有机硫化物在脱除硫原子之后仍可以留在油相,并且不减损燃热值。4S途径一共有4种催化剂的酶,分别为DszA、B、C和D,这四种酶均参加该氧化过程,二苯并噻吩及其衍生物将渐渐被氧化成为砜、亚砜和亚磺酸盐。而在最后一个步骤被氧化成为邻苯基苯酚和硫酸钠[8、9]。

4 展望

综上所述,生物脱硫已经取得了国内外科学家的认可并且得到了快速发展,但是,如何提高生物脱硫的稳定性、脱硫菌株的活性,是我们面临的首要问题。想要让生物脱硫技术能够走向工业化的道路,当务之急就是要如何解决筛选出的菌株具有高效专一性的降解能力,不降解烷烃类物质,不损失燃料的燃烧值,同时可以脱除掉石油燃料中的噻吩类化合物,这是我们急需解决的问题。我国在生物脱硫技术研究方面相比较欧美日本等发达国家起步的比较晚,并存在一定的差距。但是随着国家经济的飞速发展,国家对环境问题逐渐的重视,相信生物脱硫产业化道路一定会在我国成为现实。

[1]浜野治.New breakthrough in biocatalytic desulfurization.Biotech-nol of Japan,1989,20(11):2~7.

[2]Kilbane J J,Bielaga B A.Toward sulfur free fuels.Chemtech,1990,12:747~751.

[3]Kilbane J J.Mutant microorganisms useful for cleavage of organic C-S bonds.USP 5002888,1991.

[4]Kilbane J J.Mutant microorganisms useful for cleavage of organic C-S bonds.USP 5104801,1992.

[5]钱伯章.生物化工技术发展现状和趋势.江苏化工,2004,32(3):1~ 4.

[6]李珊,邢建民,仲轩,等.红平红球菌 LSSE8- 1 的培养及其对二苯并噻吩中硫元素脱除的影响.过程工程学报,2002,2(3):257~261.

[7]马挺,王仁静,刘健,等.柴油循环生物脱硫的实验研究.炼油技术与工程, 2004,34(1):52~54.

[8]Gray K A, Pogrebinsky O S, Mrachko G T,et al .Molecular mechanisms of bioatalytic desulfurization of fossil fuel .NatBiotechnol,1996, 14(13): 1705~1709.

[9]Gray K A,Squires C H, Monticello D J.DszD utilization in desul-furization of DBT by rhodococcus sp IGTS8.USP 5846813.1998.