脱硫功能微生物在剩余油原位改质中的应用潜力分析

刘天宇，王蒲金，童启强，曲瑞雪，孙珊珊,3*

(1.非常规油气省部共建协同创新中心，湖北 武汉 430100；2.油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100；3.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

随着全球工业的迅速发展，人们对石油产品的需求不断增加。石油产品燃烧所产生的SOx若直接排放，不但影响空气质量，而且形成酸雨后对生态系统和土壤都有严重的破坏作用；另外，石油产品中的硫化物对输送管线、泵和炼油设备也有腐蚀作用。因此，各国对石油产品质量的要求越来越高，尤其是对硫含量的规定日趋严格，部分国家和地区如美国加利福尼亚州、新加坡要求燃料油中的硫含量要低于0.0005%。目前，原油及其产品的脱硫已成为该领域急需解决的问题，各国政府都在不断增加石油脱硫技术的研发投入。随着我国绿色发展政策的推行，更加环保高效的脱硫技术成为研究热点。生物脱硫在反应条件、能耗和环境保护等方面都优于其它脱硫方式，具有广阔的应用前景。由于原油含硫组分需要有水存在时才能被生物降解，地层中原油与水共存，如果在油藏中对剩余油进行生物脱硫，可节约大量的成本。为此，作者从脱硫方法、生物脱硫技术、生物脱硫机理及应用现状几方面出发，分析脱硫功能微生物在剩余油原位改质中的应用潜力，为石油产品脱硫技术的研发提供帮助。

1 原油中的含硫组分及脱硫方法

根据硫含量的不同，可以将原油分为低硫原油、含硫原油和高硫原油。低硫原油的硫含量小于0.5%，含硫原油的硫含量为0.5%～2.0%，高硫原油的硫含量大于2.0%。我国的胜利油田、南疆油田、中原油田及江汉油田均有含硫原油区块，其中南疆油田和江汉油田的部分区块原油硫含量超过了2.0%。

原油中的含硫组分可分成两类：有机硫和无机硫。有机硫的种类很多，包括硫醇、硫醚和含硫杂环化合物，如噻吩、苯并噻吩(benzothiophene，BT)、二苯并噻吩(dibenzothiophene，DBT)及更复杂的含硫有机化合物共13 类近200种不同结构；少量无机硫，如溶解或悬浮在原油中的元素硫、H2S、FeS[1]。原油中一些极不稳定的多硫组分在温度较低时便会分解产生硫化物，如H2S；原油中的某些含硫组分如脂肪硫醚会在催化和加热条件下分解产生硫化物；除此之外，噻吩类含硫组分在加氢过程中也可分解产生硫化物[2]，但是这些杂环化合物中的硫很难被脱除，难以满足环保要求[3-4]。同时，由于沉积、注水开发或热力采油，地层和原油的性质发生了变化，部分原油变成了酸性原油，而酸性原油在开采和加工过程中易分解产生H2S。原油中的含硫化合物对生产的危害主要表现在：(1)酸性的含硫原油在集输过程中加快了设备及管道的腐蚀速率，增加了设备及管道的维护费用；(2)开采及排污过程中若发生H2S泄漏则会危害施工人员健康安全，并对环境造成污染；(3)添加大量的液体脱硫剂是常规的含硫原油处理方式，但脱硫剂是碱性物质，不仅价格较高，而且会增加下游产品处理难度。

目前，应用于原油的脱硫技术[2]有：多级分离脱硫、分馏脱硫、气提脱硫、普通原油脱硫剂脱硫、新型原油脱硫剂脱硫、超声波氧化脱硫、生物脱硫等，如表1所示。

2 生物脱硫技术

生物脱硫(biodesulfurization，BDS)是近60年来发展的一种新型石油脱硫技术，它是利用微生物产生的酶选择性地将原油中的含硫化合物转化为水溶性硫化物，然后经油水分离达到脱硫的目的。生物脱硫可以在常温常压下进行，生产工艺清洁无害，投资少，被广泛应用于煤炭脱硫[5]、再生废橡胶脱硫[6]、炼化气体脱硫[7]、燃料油脱硫[8-9]等领域。

表1 原油脱硫技术

噻吩及其衍生物是原油中的主要含硫化合物，其硫含量占原油有机硫总量的 50%～90%。BT和DBT占噻吩类的70%以上，是含硫杂环化合物中最典型的代表。噻吩类物质结构复杂，化学性质稳定，尤其是4位和6位有取代基的DBT，由于具有空间位阻效应，是公认的最难脱除的有机硫化物[3]，很难通过加氢完全脱除，但生物脱硫技术则可以利用微生物代谢产生的酶特异性地裂解DBT的C-S键，将硫从杂环上脱除，变成无机硫，同时保持碳骨架和燃烧值不变。 目前多以DBT作为模式化合物进行生物脱硫研究，也有以含硫的汽油、柴油为对象进行生物脱硫研究，少部分研究针对原油进行生物脱硫研究。已报道的脱硫功能微生物及其作用底物列于表2。

表2 已报道的脱硫功能微生物及其作用底物

噻吩及其衍生物的脱硫途径主要有4S途径和Kodama途径。已发表公布的属于4S途径的脱硫功能微生物大多为革兰氏阳性菌，如红球菌属(Rhodococcussp.)、芽孢杆菌属(Bacillussp.)、棒杆菌属(Corynebacteriumsp.)、节杆菌属(Arthrobactersp.)、微杆菌属(Micobacteriumsp.)、戈登氏菌属(Gordonasp.)、诺卡氏菌属(Nocardiasp.)等；属于Kodama途径的脱硫功能微生物包括假单胞菌属(Pseudomonassp.)、拜叶林克氏菌属(Beijerinckiasp.)、不动杆菌属(Acinetobactersp.)、根瘤菌属(Rhizobiumsp.)等[4]。脱硫功能微生物多为有机化能异养型，大部分从油田、煤矿等样品中富集筛选获得，脱硫微生物大部分为细菌和古细菌，也有部分真菌[24]。

3 生物脱硫机理

含硫杂环化合物生物脱硫机理有4种：C-S裂解(硫特异性裂解，4S途径)、C-C裂解(Kodama途径)、C-C和C-S裂解、硫氧化[25]。4S途径和Kodama途径[24，26]如图1所示。

以碳代谢为目的的Kodama途径(图1b)，也叫非专一性代谢脱硫途径。在该途径中脱硫酶选择性断裂DBT的C-C键，但C-S键却被保留下来。虽然最后产生的有机硫产物能溶于水，但并没有将S从杂环上脱除，因此该途径并没有破坏含硫化合物基体。由于该途径断裂的是C-C键，使碳骨架含碳量下降，即热值降低，因此工业应用价值不大。

图1 DBT生物脱硫的两种主要途径Fig.1 Two main biodesulfurization pathways of dibenzothiophene

4 生物脱硫应用现状

脱硫功能微生物的研究始于20世纪30年代。1935年，Maliyantz开展了用硫还原菌脱除原油中硫的研究；1950年，Stawinski公布了第一个原油生物脱硫专利；此后随着众多专利的公开，生物脱硫技术发展达到高潮，脱硫功能微生物及其相关脱硫特性研究也不断扩展，但工业应用还属空白。1980 年以后，生物技术的飞速发展给脱硫功能微生物的研发带来了新的生机，越来越多学者研究DBT为模式化合物的生物脱硫过程，脱硫机理逐渐清晰明了[1]，美国、日本等发达国家均投巨资资助该领域研究；1990年左右，美国天然气研究所成功地分离到一株红平红球菌，该菌可有效脱除双苯噻吩结构中的有机硫，且不会损失该有机物的热值，该菌后来被休斯顿的能源生物公司用于石油炼制[27]。

随着分子生物学的不断发展，脱硫功能微生物的功能基因逐步被破解。1996年，Denome等通过对紫红红球菌(Rhodococcusrhrhodochrous)的DNA测序分析，发现了脱硫菌的3个脱硫基因(dszA、dszB、dszC)，与之对应的3种脱硫酶(DszA、DszB、DszC)在噻吩类有机硫化合物的代谢途径中发挥着关键作用[28]。分子生物学的发展不仅使学者们从酶学和遗传学角度认识了生物脱硫过程的分子机理，并将相关脱硫基因克隆、测序，纯化相关脱硫功能酶，且已有学者利用基因工程技术构建了新型的工程菌株，使脱硫功能微生物具有更高的脱硫效率[1，29]。

除了构建工程菌提高生物脱硫效率，还可以将多种微生物复配、生物脱硫与其它脱硫技术联用达到提高脱硫效率的目的。如Ansari等[30]将脱硫菌(RhodococcuserythropolisIGST8)与磁性Fe3O4纳米颗粒复配，将脱硫菌固定在纳米颗粒上，磁性纳米颗粒通过提高脱硫菌细胞膜的渗透性提高底物和代谢产物进出菌体的效率，进而提高脱硫效率。Hou等[31]通过固定化的方法，提高脱硫功能微生物对DBT的脱硫效率。此外，环境条件、营养物质均可以影响生物脱硫效率。

目前用于筛选脱硫功能微生物的底物多为DBT及其衍生物、汽油或柴油，原油的生物脱硫研究仍较少。许平教授课题组[22]早在2006年利用筛选到的红球菌将柴油中的含硫化合物去除94.5%，该菌对原油的含硫化合物去除率最高可以达到62.3% 。Peng等[11]利用热葡糖苷酶地芽孢杆菌(GeobacillusthermoglucosidasiusW-2)对初始硫含量为0.46%的稠油进行脱硫，脱硫效率高达55%。Bhatia等[13]将分离得到的克雷伯氏菌(Klebsiellasp.13T)在45 ℃下对重油进行脱硫，脱硫效率可以达到33%。Adegunlola等[32]利用固定化的黄曲霉(Aspergillusflavus)在最优条件下可以使原油中的含硫化合物去除率达到94.7%，但固定化黄曲霉用量大，且不适合原油油藏内原位脱硫。

虽然生物脱硫应用潜力巨大，但只有在有水存在时微生物才能增殖代谢、原油中的含硫组分才能被降解。研究表明，当油水比为1∶9或更低时脱硫才会进行，而当油水比升高时脱硫效率则会降低[33]。传统的柴油或汽油的生物脱硫必须在脱硫完成后将油水分离，这不仅会增加成本，还会导致水资源的巨大浪费。由于地层中原油与水共存， 且由于注水开发油藏中的水含量较高，部分水驱开采后期的油藏含水率可以达到90%以上，如果在油藏中对剩余油进行生物脱硫，可以节约大量的成本。因此，与柴油和汽油的生物脱硫相比，油藏内原油的生物脱硫更加实用。生物脱硫过程不仅可以降低硫含量，同时还可以产生具有表面活性剂性能的磺酸盐类化合物[27]，该类化合物可用于提高剩余油的采油率。但即使原油生物脱硫是可行的，目前针对该研究的报道仍较少，尤其是剩余油原位脱硫的研究更少。

5 结语

随着绿色发展政策的推行，更加环保高效的脱硫技术成为研究热点。生物脱硫在反应条件、能耗和环境保护等方面都优于其它脱硫方式，但目前的研究多集中在生物脱硫机理方面，而对生物脱硫在原油等实际油品的应用研究较少。因为，在应用脱硫功能微生物的过程中还有很多问题和关键技术亟需解决和突破，如：如何拥有脱硫功能更好的微生物菌株，这些菌株应具有超高的有机硫脱硫功能、脱硫活性和良好的脱硫稳定性；油藏条件对生物脱硫效率的影响如何；怎样建立方便、准确的有机硫检测方法；原油生物脱硫副产物是否可以起到提高采收率的作用等。若能解决上述问题，将会推进剩余油原位脱硫工业化进程。