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油品固定化細胞脫硫研究進展

文檔作者：羅明芳高紅帥李玉光邢建民李信劉會洲文檔來源：中國科學院研究生院化學與化學工程學院中國科學院過程工程研究所中國農業(yè)科學院研究生院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月15日
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·1986·
化 工 進 展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2009年第28卷第1 1期
油品固定化細胞脫硫研究進展
羅明芳 ，高紅帥 ，李玉光 ，邢建民 ，李信3 劉會洲
( 中國科學院研究生院化學與化學工程學院，北京100049； 中國科學院過程工程研究所，北京100190； 中國
農業(yè)科學院研究生院，北京100081)
摘要：發(fā)展固定化技術實現(xiàn)油品的生物深度脫硫，可以提高生物催化劑的穩(wěn)定性，簡化油水分離工藝和生物催
化劑的回收工藝，降低生物催化劑的生產(chǎn)成本，對促進油品生物深度脫硫技術的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。本文
綜述了固定化細胞油品生物脫硫方法及固定化反應器研究進展，指出了目前存在的問題及可能的解決方案，并對
油品生物脫硫技術今后的發(fā)展方向進行了展望
關鍵詞：二苯并噻吩；固定4b；生物反應器；生物脫硫；油品
中圖分類號：TQ 033 文獻標識碼：A 文章編號：1000—6613(2009)11—1986—05
Research advances in biodesulfurization of petroleum feedstocks by
immobilized cells
LUO Mingfang ，GAO Hongshuai 2，Li Yuguang 。 。，XING Jianmin ，LIXin ，LIU Huizhou
( Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China： Institute of Process Engineering，
Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China． Graduate School of Chinese Academy ofAgricultural Sciences
Beijing 100081，China)
Abstract：W hO1e cell immobilization can improve the stability of biocatalysts， simplify the separation
process of oil and biocatalysts from the aqueous medium ， and then lower the production costs of the
biocatalysts．Therefore， the immobilization technique is of great importance for accelerating the
industrialization process of deep biodesulfurization of petroleum feedstocks．The development of whole
cell immobilization methods and reactors for biodesulfurization of petroleum feedstocks are reviewed．
Current problems existed and corresponding suggestions are discussed．
Key words：dibenzothiophene：immobilization bioreactor；biodesulfurization；petroleum feedstocks
隨著世界石油資源短缺，高硫石油加工量逐年
增加，環(huán)保法規(guī)日益嚴格，超低硫清潔汽柴油的生
產(chǎn)已成為當今煉油廠面臨的重大難題Il J。生物脫硫
(即微生物催化脫硫，簡稱BDS)能在溫和的條件
下選擇性脫除加氫脫硫技術難以脫除的含硫稠環(huán)類
化合物f如 苯并噻吩(DBT)及其烷基取代化合
物]，且對燃料的熱值影響很小。從能源和環(huán)保兩方
面綜合考慮，微生物催化脫硫是實現(xiàn)超低硫石油產(chǎn)
品生產(chǎn)的最有效的技術之一，有望與加氫脫硫技術
耦合實現(xiàn)超低硫清潔汽柴油的生產(chǎn)要求。
目前，限制油品BDS技術工業(yè)化的主要因素除
了活性和脫硫特異性之外，從工程的角度來說主要
問題是反應器設計及高的水油比和生物催化劑成
本 J。BDS過程是一個好氧、多酶、多相(油／水
／生物催化劑)反應體系，并且需要輔因子的參與。
就BDS催化劑而言，采用固定化細胞比采用游離細
胞、粗酶或純酶的優(yōu)勢非常明顯。一方面，細胞固
收稿日期：2009—04—16；修改稿日期：2009—05—16。
基金項目：國家自然科學基金(20606036)、中國科學院“優(yōu)秀博士學
位論文、院長獎獲得者科研啟動專項資金”及中國科學院院 B類基金。
第一作者簡介：羅明芳(1972一)，女，博士，副教授。聯(lián)系人：劉會
洲，博士，教授。電話010—62554264；E—mailhzliu@l~ome．ipe．a(chǎn)c．cn。
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第l1期 羅明芳等：油品固定化細胞脫硫研究進展 ·1987·
定化可以簡化反應后期油品及生物催化劑的回收問
題，提高生物催化劑的有機溶劑耐受能力和酶活穩(wěn)
定性，實現(xiàn)生物催化劑長時間重復穩(wěn)定使用，從而
降低生物催化劑的生產(chǎn)成本。另一方面，固定化細
胞的使用還可能降低水／油比，從而減少反應后廢水
的分離和處置費用L4Io1】。因此，固定化細胞是油品
BDS技術工業(yè)化的最佳形式， 已成為近年來油品
BDS技術研究熱點之一。目前，國內外關于BDS
技術研究進展的綜述很 z_ 8-101，但未見BDS固
定化細胞研究進展綜述。本文從固定化細胞的方法
和反應器等方面對脫硫的相關研究進展進行綜述。
1 包埋法固定化細胞脫硫
就微生物細胞固定化而言， 目前常用固定化方
法主要有包埋法和吸附法兩種。包埋法是將微生物
細胞截留在水不溶性聚合物凝膠的網(wǎng)絡中，從而使
微生物細胞固定化。包埋材料可分為天然高分子多
糖和合成高分子化合物兩大類。天然高分子多糖包
括瓊脂、卡拉膠、海藻酸鈉等，其中應用最多的是
海藻酸鈉和卡拉膠。它們具有固化、成型方便，對
微生物毒性小，固定化細胞密度大，可生物降解等
優(yōu)點。合成高分子化合物有聚乙烯醇(PVA)、聚
丙烯酰胺、光硬化樹脂等。它們的突出優(yōu)點是抗微
生物分解性能好，機械強度高，化學性能穩(wěn)定。但
聚丙烯酰胺和光硬化樹脂聚合物網(wǎng)絡的形成條件比
較強烈，對微生物的損害較大，而且成型的多樣性
和可控性不好。適用于細胞固定化的光硬化樹脂聚
合物一般尚未商品化，且固定化的操作條件也較嚴
格。PVA作為新型的微生物包埋載體，具有強度高、
化學穩(wěn)定性好、抗微生物分解性能強、對微生物無
毒、價格低廉等優(yōu)點【l 。
目前，在包埋法固定化細胞脫硫研究中，選擇
的固定化介質主要是海藻酸鈉[12-15]和PVA【l 。通過
改變海藻酸鈉或／和PVA濃度、細胞濃度、操作溫度
等固定化條件進行篩選、優(yōu)化，可以提高固定化細胞
的脫硫活性、穩(wěn)定性及可操作性。Hou等 以海藻酸
鈉作為包埋介質，研究了固定化條件對Psudomonas．
stutzeri UP一1脫硫活性的影響，通過中間活化將固定
化細胞的壽命提高到600 h。彭雅娟等【l 3】采用正交法
對海藻酸鈉包埋固定化Gordon~sp．WQ一01A進行
了條件優(yōu)化，并在發(fā)酵罐中考察了固定化wQ一01A
細胞對不同硫濃度模擬油脫硫的影響，40 h能完全
降解初始濃度0．5 mmol／L的DBT，且當DBT初始
濃度提高l0倍時，降解時問只提高了2．5倍。Naito
等? 考察了在模擬油(DBT溶于十四烷烴)中分別
采用海藻酸鈉、光交聯(lián)樹脂預聚體(ENT-4000和
ENTP．4000)和尿烷預聚體(PU一3和PU一6)作為載
體時，對脫硫菌Rhodococcus．erythropolis KA2．5—1
進行包埋固定化后，不同包埋載體對固定化細胞脫
硫活性的影響。結果表明，最佳的固定化載體為光
交聯(lián)樹脂ENT．4000。所用固定化細胞直接同模擬油
相接觸，不另外加入水相，每脫硫一次將固定化細
胞在培養(yǎng)基中活化20 h。如此重復批次脫硫，脫硫
與活化總時間為900 h左右。同游離細胞相比，固定
化細胞的活性減小，相關數(shù)據(jù)未見報道。
包埋法固定化細胞油品脫硫時，通過包覆、減
小固定化細胞粒徑、添加表面活性劑等方法可強化
相際傳質過程(即硫化物從有機相到微生物細胞表
面)。羅明芳等u 8】采用聚氨酯親油膜對海藻酸鈣固
定化尸．delafieldiiR一8細胞進行包覆，改善了固定化
細胞在油水相中的分散性，提高固定化R．8細胞的
脫硫活性，同時提高了油水比及固定化細胞的機械
強度。Li等u 采用gas jet extrusion technique制備得
到粒徑為1．5 mill左右的海藻酸鈉固定化P．delafieldii
R．8細胞，減小了固定化細胞粒徑，有效提高了底物
及氧的傳質過程。與粒徑為4 inin固定化細胞相比，
脫硫活性提高了40％。Li等 還通過加入0．5％非離
子表面活性劑Span一80，將固定化細胞的脫硫活性提
高了80％。但是，與游離細胞相比，固定化導致細
胞脫硫活性一定程度的降低。另外，對于油品生物
脫硫而言，磷酸鹽的存在會影響脫硫菌的生長及所
得細胞脫硫活性。當磷酸鹽濃度小于100 mmol／L時，
隨磷酸鹽濃度增加，細胞生長速率增加，所得細胞
脫硫活性增加【l引。由于海藻酸鈉固定化細胞在磷酸
鹽存在下穩(wěn)定性較差，因此單一的海藻酸鈉并不是
油品生物脫硫細胞理想的固定化載體。
PVA作為新型的微生物包埋載體，具有強度高、
化學穩(wěn)定性好、抗微生物分解性能強、對微生物無
毒、價格低廉等優(yōu)點，但PVA固定化細胞的成型困
難。為此，馬挺等 ]采用PVA和海藻酸鈉混合介質
共固定化方法以改善固定化細胞的成型條件及強
度。固定化最佳操作條件為4℃交聯(lián)，8％ PVA和
2％海藻酸鈉混合，細胞在膠液中的濃度為0．1 g／mL，
氯化鈣含量為2％，此時固定化細胞不但具有良好
的脫硫性能，而且脫硫重復性好，其壽命可以達到
250 h以上。固定化細胞在3次循環(huán)后能使模擬柴油
中的DBT含量從0．5 mmol／L降至0．011 mmol／L，總
脫硫率達到93％。同樣條件下能將精制柴油的硫含
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·1988· 化 工 進 展 2009年第28卷
量由340mg／L降到42mg／L，總脫硫率為87．64％。
結合文獻報道結果及作者自己的研究經(jīng)驗【l圳，
作者認為目前包埋法固定化細胞脫硫仍存在如下問
題：①與游離細胞相比，包埋法固定化細胞的活性
都會有不同程度的降低；② 固定化細胞的壽命不足
以滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求，同時需進一步提高固定化
細胞的單次脫硫時間，減少活化時間?？赡艿慕鉀Q
的方案有：① 開發(fā)微米級(幾十微米到幾百微米)
包埋法固定化細胞制備技術，通過減小固定化細胞
的粒徑強化傳質過程(包括溶氧和硫化物等)；②
改善固定化細胞的親水親油性，提高硫化物及脫硫
產(chǎn)物的傳質過程；③優(yōu)化固定化細胞脫硫條件，最
好采用在線活化技術，而不是間歇活化技術，從而
減少活化時間，簡化脫硫工藝；④進一步篩選或合
成合適的載體，提高固定化細胞的強度及使用壽命。
另外， 由于油品的生產(chǎn)規(guī)模一般很大，因此，需開
發(fā)快速、價廉的大規(guī)模固定化細胞制備技術。
2 吸附法固定化細胞脫硫
吸附法固定化細胞的原理是利用載體和細胞表
面所帶電荷的靜電引力，使細胞吸附于載體上。該
法操作簡單，固定化過程對細胞活性影響小。通常
可采用向載體床中泵入細胞懸浮液的簡單操作方法
達到固定化的目的。此外， 由于該過程不添加化學
物質，細胞的固定化發(fā)生在細胞的正常生理條件下，
故可維持細胞的存活及其酶的催化活性，且傳質阻
力小。若采用天然載體，則固定化細胞的生產(chǎn)成本
較低，工藝放大比較容易，易于實現(xiàn)工業(yè)化。用于
吸附固定化微生物的載體很多，包括無機物(如磚
塊、微孔玻璃、燒結多孔玻璃、多孔陶瓷、水泥、
砂、黏土、硅藻土、石棉、不銹鋼等)和有機物(如
離予交換樹脂、木條、活性炭、聚丙烯等)。
Setti等 采用海藻酸鈉、殼聚糖和瓊脂凝膠小
球(直徑均為4mm)作為吸附載體，對DBT降解
菌Pseudomonas sp．CP89進行吸附固定化。CP89
在這3種凝膠小球上的吸附容量分別為3~10-4 g
(微生物細胞)／g(濕凝膠小球)、5x10-4 g(微生
物細胞)／g(濕凝膠小球)和7~10-4 g(微生物細
胞)／g(濕凝膠小球)。海藻酸鈉固定化細胞的活性
[0．01～0．03 g DBT／(g干細胞．h )】高于殼聚糖和瓊
脂固定化細胞。固定化細胞的DBT降解比活性約
為游離細胞的1／10，LI~DD氫脫硫催化活性低10 ～
10。數(shù)量級。CP89能以烷烴如十二烷烴和十六烷烴
等作為碳源，因此該菌在脫硫的同時將消耗大量的
油品。
Chang z2 以硅藻土為載體，對DBT脫硫菌
Gordona sp．CYKS1和Nocardia sp．CYKS2進行吸
附固定化。并用此硅藻土固定化細胞對十六烷烴模
擬油中的DBT(10 mmol／L，相當于硫含量0．32 g／L)
及輕汽油(硫含量為3．0 g／L)進行了重復批次脫硫。
油水比為1：20。每次反應24h，共進行了7～8次
重復脫硫試驗，總脫硫時間分別為192 h和186 h。
對十六烷烴模擬油來說，第一次脫硫反應，單位液
相體積(油水混合物體積)的平均脫硫活性為0．24
m (L液相．h)，第8次脫硫反應的平均脫硫活性為
0．48 mg／(L液相·h)。脫硫活性的增加可能是由于
細胞在硅藻土上的吸附量增加，因為細胞在硅藻土
上的初始吸附容量為1．5 mg／g(硅藻土)，8次重復脫
硫后增加到4．3 mg／g(硅藻土)。
吸附法固定化細胞時，脫硫穩(wěn)定性、油品及生物
催化劑的分離等需加以考慮。羅明芳n 81采用硫饑餓方
法對硅藻土固定化 delafieldii R-8細胞進行活化，
提高了硅藻土固定化細胞的脫硫穩(wěn)定性。經(jīng)過l9次
重復脫硫，仍保持較好的脫硫活性，有效脫硫時間可
達550 h以上，最大比脫硫活性為0．47 mmol／(kg固
定化細胞．h)。同時還采用殼聚糖同磁性納米四氧化
三鐵和硅藻土共沉淀的簡單方法，制備得到較強磁性
的復合載體，彌補了硅藻土固定化細胞在多次重復脫
硫過程中易碎、導致分離困難的不足之處。用這種載
體吸附固定化的脫硫細胞具有很好的脫硫活性和較
好的穩(wěn)定性。Shan 弱 采用磁性載體固定化細胞，
以進一步簡化和加速油品及生物催化劑的分離與回
收。他們用共沉淀方法制備了親水性磁流體，將
delafieldiiR一8固定在磁性聚乙烯醇(PVA)顆粒中。
固定化細胞具有超順磁性，與非磁性PVA 固定化細
胞相比，磁性PVA固定化細胞脫硫活性略有增加，
操作穩(wěn)定性提高，分離回收更容易。
油品BDS速率除了受催化劑本身活性影響之
外， 同時與相際傳質速率密切相關。為了改善PVA
固定化細胞的傳質特性，Shan等 】制備得到水相分
散性和穩(wěn)定性非常好的油酸胺改性磁性Fe304納米顆
粒， 以此作為P delafieldii R-8細胞固定化載體。結
果表明，油酸胺改性磁性Fe 0 納米顆粒固定化
delafieldii R-8細胞與游離細胞具有相同的脫硫活性，
可以重復5次以上。另外，與硅藻土固定化細胞相比，
油酸胺改性磁性Fe O4納米顆粒固定化 delafieldii
R．8細胞具有更高的脫硫活性和操作穩(wěn)定性。Shan
等r25】還開發(fā)了一步法吸附脫硫與生物脫硫耦合工藝。
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第11期 羅明芳等：油品固定化細胞脫硫研究進展 ·1989·
先制備得到能選擇性吸附DBT 的y-A12O3納米吸附
劑，該吸附劑能快速吸附油相中的DBT，吸附速率
[446 mmol／(kg．h)】遠遠高于生物脫硫速率。然后將
該吸附劑白組裝到脫硫菌P delafieldii R-8細胞表面，
見圖1。采用1LAl2o3納米固定化P delafieldii R-8細
胞進行模擬油脫硫，納米吸附劑改善了含硫化合物的
從油相到細胞表面的傳質速率，提高表觀生物脫硫速
率可達兩倍以上。但是，由于細胞與油相直接接觸，
本質上相當于游離細胞反應，因此，存在脫硫細胞分
離回收及再循環(huán)利用困難等缺點。
(a)自由細胞 (b)T-A1203納米吸附劑組裝細胞
圖1 自由細胞和1LA12O3納米吸附劑組裝細胞的TEM 圖
與包埋法相比，吸附法固定化對細胞的脫硫活
性影響較小，但細胞容易從載體中脫落成為游離細
胞，從而導致細胞及油水相分離回收困難； 另外，
目前所用吸附載體的固定化細胞容量小(如每克硅
藻土只能固定化幾毫克細胞)，強度低，如硅藻土
易破碎等，從而導致單位反應器體積的生產(chǎn)能力較
低，固定化細胞的使用壽命較短(不到600 h)。因
此，需開發(fā)微米級(幾十微米到幾百微米)小顆粒、
大吸附容量、高強度吸附介質的制備技術。
3 固定化細胞脫硫反應器
由于油品固定化細胞脫硫涉及的是由油、水、
固定化生物脫硫催化劑組成的液一液一固三相體系，
因此，反應器的選型設計主要應從以下方面考慮：
在低能耗條件下實現(xiàn)良好的相際傳質過程，提高總
的脫硫速率；降低水／油比，提高單位反應器的處理
能力；提高反應器的可操作性等。
目前，油品固定化細胞脫硫主要集中在基礎研究
階段，即工藝條件的優(yōu)化，對于反應器的研究報道非
常少。生物流化床反應器具有容積負荷高、傳熱傳質
速度快、抗沖擊能力強、占地面積小、運行穩(wěn)定等優(yōu)
點，在化工、石化、生化及環(huán)境工程中廣泛使用 】，
也很有希望用于油品的脫硫。1997年，美國阿爾貢國
家實驗室(Argonne National Laboratory，ANL)在美
國能源部生物脫硫聯(lián)合會議中提出了兩相流化床反
應器(FBR)工藝用于汽油BDS(見圖2)，但相關
研究一直未見報道 m,27 ]。該系統(tǒng)的特點包括：①氧
氣／空氣與汽油在外部管道中進行混合分散，利用非
機械化的攪拌減少爆炸和泄漏；②采用吸附法固定化
細胞作為BDS催化劑；③易于實現(xiàn)油相和生物催化劑
的分離回收與再生；④連續(xù)操作。劉會洲等I29】設計了
一種新型固定化酶(或細胞)內循環(huán)流化床生化反應
器。該流化床反應器具有許多優(yōu)點：①采用了錐形流
化床，既保證大顆粒易于流化，也防止小顆粒的帶出；
②操作方式靈活，可以分批操作，也可以連續(xù)操作；
③流化速度低；④剪切力小，能耗低，氣液固傳質快，
溶氧效率高，易于放大，特別適合于固定化好氧微生
物在有機相中的生物催化反應。Lee等L3 采用氣升式
反應器，研究了油水比及蔗糖濃度對纖維載體固定化
G nitida CYKS1細胞柴油脫硫性能的影響。結果表
明，當柴油含量為10％ (體積分數(shù))時，反應72 h，
硫含量從202~250 mg／L降到76～90 mg／L，脫硫率為
61％ ～ 67％ 。
新鮮汽
油進料
空氣或
氧氣
循環(huán)汽油 脫油汽油
]
面
物反l l糸統(tǒng)L一物催化
應器‘I—— =r_J 劑和水
壹生 查 催質 劑顆粒再。 生生物催
生物膜 ? ??一
圖2 流化床汽油生物脫硫流程圖 一
4 展 望
細胞固定化技術從工藝的角度提高了脫硫微生
物細胞的穩(wěn)定性，很容易實現(xiàn)生物催化劑的在線再
生，并簡化油水分離及催化劑回收工藝，從而降低
BDS催化劑的成本，促進油品生物脫硫技術工業(yè)化
發(fā)展。從現(xiàn)有文獻報道來看，油品BDS技術固定化
技術在固定化細胞的制備方面取得了很大的進步。
但是，如何實現(xiàn)高強度、小顆粒包埋法固定化脫硫
細胞的高效制備，或小顆粒、大吸附容量、高強度
吸附介質的篩選或合成，提高固定化細胞的脫硫穩(wěn)
定性以及固定化細胞反應器研究等仍然是目前油品
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化 工 進 展 2009年第28卷
BDS固定化技術所面臨的問題。
另外， 目前油品BDS技術還沒有實現(xiàn)工業(yè)化，
作者認為仍存在如下技術方面的問題。① 生物脫硫活
性有待進一步提高。與加氫脫硫技術相比，盡管通過
培養(yǎng)和反應條件優(yōu)化，結合基因工程手段，將生物脫
硫催化劑的活性從野生菌提高了200多倍，但要與加
氫脫硫技術競爭，BDS催化活性還有待進一步提高。
②傳質過程限制了生物脫硫速率。如油水界面?zhèn)髻|過
程、氧氣的氣液傳質過程等需要進一步強化。③ 反應
器沒計及BDS技術放大。BDS是好氧過程，放大之
后需通入大量氧氣或空氣，安全性是首先要考慮的問
題，為此，美國能源生物系統(tǒng)公司等中試及概念設計
均采用將氧與油在進入反應器之前混合，而不是直接
通入反應器中[10I2卜 】。這種設計帶來的問題是，反應
器中供氧不足，降低了脫硫效率；而若采用直接通氣
方式，將造成大量油品的揮發(fā)、油品乳化嚴重導致油
品回收困難等問題。作者認為，將己在廢水處理和動
植物細胞培養(yǎng)過程中開展了較多研究[31 32]的無泡曝
氣的概念引入油品生物脫硫過程，采用膜曝氣方式實
現(xiàn)氧氣的無泡曝氣，從技術、經(jīng)濟及安全性考慮，可
能是解決油品BDS中傳氧限制及放大問題的一種很
好的解決方式。
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