脫硫功能微生物在剩余油原位改質(zhì)中的應(yīng)用潛力分析

劉天宇，王蒲金，童啟強(qiáng)，曲瑞雪，孫珊珊,3*

(1.非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100；3.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

隨著全球工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對石油產(chǎn)品的需求不斷增加。石油產(chǎn)品燃燒所產(chǎn)生的SOx若直接排放，不但影響空氣質(zhì)量，而且形成酸雨后對生態(tài)系統(tǒng)和土壤都有嚴(yán)重的破壞作用；另外，石油產(chǎn)品中的硫化物對輸送管線、泵和煉油設(shè)備也有腐蝕作用。因此，各國對石油產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，尤其是對硫含量的規(guī)定日趨嚴(yán)格，部分國家和地區(qū)如美國加利福尼亞州、新加坡要求燃料油中的硫含量要低于0.0005%。目前，原油及其產(chǎn)品的脫硫已成為該領(lǐng)域急需解決的問題，各國政府都在不斷增加石油脫硫技術(shù)的研發(fā)投入。隨著我國綠色發(fā)展政策的推行，更加環(huán)保高效的脫硫技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。生物脫硫在反應(yīng)條件、能耗和環(huán)境保護(hù)等方面都優(yōu)于其它脫硫方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于原油含硫組分需要有水存在時(shí)才能被生物降解，地層中原油與水共存，如果在油藏中對剩余油進(jìn)行生物脫硫，可節(jié)約大量的成本。為此，作者從脫硫方法、生物脫硫技術(shù)、生物脫硫機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀幾方面出發(fā)，分析脫硫功能微生物在剩余油原位改質(zhì)中的應(yīng)用潛力，為石油產(chǎn)品脫硫技術(shù)的研發(fā)提供幫助。

1 原油中的含硫組分及脫硫方法

根據(jù)硫含量的不同，可以將原油分為低硫原油、含硫原油和高硫原油。低硫原油的硫含量小于0.5%，含硫原油的硫含量為0.5%～2.0%，高硫原油的硫含量大于2.0%。我國的勝利油田、南疆油田、中原油田及江漢油田均有含硫原油區(qū)塊，其中南疆油田和江漢油田的部分區(qū)塊原油硫含量超過了2.0%。

原油中的含硫組分可分成兩類：有機(jī)硫和無機(jī)硫。有機(jī)硫的種類很多，包括硫醇、硫醚和含硫雜環(huán)化合物，如噻吩、苯并噻吩(benzothiophene，BT)、二苯并噻吩(dibenzothiophene，DBT)及更復(fù)雜的含硫有機(jī)化合物共13 類近200種不同結(jié)構(gòu)；少量無機(jī)硫，如溶解或懸浮在原油中的元素硫、H2S、FeS[1]。原油中一些極不穩(wěn)定的多硫組分在溫度較低時(shí)便會分解產(chǎn)生硫化物，如H2S；原油中的某些含硫組分如脂肪硫醚會在催化和加熱條件下分解產(chǎn)生硫化物；除此之外，噻吩類含硫組分在加氫過程中也可分解產(chǎn)生硫化物[2]，但是這些雜環(huán)化合物中的硫很難被脫除，難以滿足環(huán)保要求[3-4]。同時(shí)，由于沉積、注水開發(fā)或熱力采油，地層和原油的性質(zhì)發(fā)生了變化，部分原油變成了酸性原油，而酸性原油在開采和加工過程中易分解產(chǎn)生H2S。原油中的含硫化合物對生產(chǎn)的危害主要表現(xiàn)在：(1)酸性的含硫原油在集輸過程中加快了設(shè)備及管道的腐蝕速率，增加了設(shè)備及管道的維護(hù)費(fèi)用；(2)開采及排污過程中若發(fā)生H2S泄漏則會危害施工人員健康安全，并對環(huán)境造成污染；(3)添加大量的液體脫硫劑是常規(guī)的含硫原油處理方式，但脫硫劑是堿性物質(zhì)，不僅價(jià)格較高，而且會增加下游產(chǎn)品處理難度。

目前，應(yīng)用于原油的脫硫技術(shù)[2]有：多級分離脫硫、分餾脫硫、氣提脫硫、普通原油脫硫劑脫硫、新型原油脫硫劑脫硫、超聲波氧化脫硫、生物脫硫等，如表1所示。

2 生物脫硫技術(shù)

生物脫硫(biodesulfurization，BDS)是近60年來發(fā)展的一種新型石油脫硫技術(shù)，它是利用微生物產(chǎn)生的酶選擇性地將原油中的含硫化合物轉(zhuǎn)化為水溶性硫化物，然后經(jīng)油水分離達(dá)到脫硫的目的。生物脫硫可以在常溫常壓下進(jìn)行，生產(chǎn)工藝清潔無害，投資少，被廣泛應(yīng)用于煤炭脫硫[5]、再生廢橡膠脫硫[6]、煉化氣體脫硫[7]、燃料油脫硫[8-9]等領(lǐng)域。

表1 原油脫硫技術(shù)

噻吩及其衍生物是原油中的主要含硫化合物，其硫含量占原油有機(jī)硫總量的 50%～90%。BT和DBT占噻吩類的70%以上，是含硫雜環(huán)化合物中最典型的代表。噻吩類物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，尤其是4位和6位有取代基的DBT，由于具有空間位阻效應(yīng)，是公認(rèn)的最難脫除的有機(jī)硫化物[3]，很難通過加氫完全脫除，但生物脫硫技術(shù)則可以利用微生物代謝產(chǎn)生的酶特異性地裂解DBT的C-S鍵，將硫從雜環(huán)上脫除，變成無機(jī)硫，同時(shí)保持碳骨架和燃燒值不變。 目前多以DBT作為模式化合物進(jìn)行生物脫硫研究，也有以含硫的汽油、柴油為對象進(jìn)行生物脫硫研究，少部分研究針對原油進(jìn)行生物脫硫研究。已報(bào)道的脫硫功能微生物及其作用底物列于表2。

表2 已報(bào)道的脫硫功能微生物及其作用底物

噻吩及其衍生物的脫硫途徑主要有4S途徑和Kodama途徑。已發(fā)表公布的屬于4S途徑的脫硫功能微生物大多為革蘭氏陽性菌，如紅球菌屬(Rhodococcussp.)、芽孢桿菌屬(Bacillussp.)、棒桿菌屬(Corynebacteriumsp.)、節(jié)桿菌屬(Arthrobactersp.)、微桿菌屬(Micobacteriumsp.)、戈登氏菌屬(Gordonasp.)、諾卡氏菌屬(Nocardiasp.)等；屬于Kodama途徑的脫硫功能微生物包括假單胞菌屬(Pseudomonassp.)、拜葉林克氏菌屬(Beijerinckiasp.)、不動桿菌屬(Acinetobactersp.)、根瘤菌屬(Rhizobiumsp.)等[4]。脫硫功能微生物多為有機(jī)化能異養(yǎng)型，大部分從油田、煤礦等樣品中富集篩選獲得，脫硫微生物大部分為細(xì)菌和古細(xì)菌，也有部分真菌[24]。

3 生物脫硫機(jī)理

含硫雜環(huán)化合物生物脫硫機(jī)理有4種：C-S裂解(硫特異性裂解，4S途徑)、C-C裂解(Kodama途徑)、C-C和C-S裂解、硫氧化[25]。4S途徑和Kodama途徑[24，26]如圖1所示。

以碳代謝為目的的Kodama途徑(圖1b)，也叫非專一性代謝脫硫途徑。在該途徑中脫硫酶選擇性斷裂DBT的C-C鍵，但C-S鍵卻被保留下來。雖然最后產(chǎn)生的有機(jī)硫產(chǎn)物能溶于水，但并沒有將S從雜環(huán)上脫除，因此該途徑并沒有破壞含硫化合物基體。由于該途徑斷裂的是C-C鍵，使碳骨架含碳量下降，即熱值降低，因此工業(yè)應(yīng)用價(jià)值不大。

圖1 DBT生物脫硫的兩種主要途徑Fig.1 Two main biodesulfurization pathways of dibenzothiophene

4 生物脫硫應(yīng)用現(xiàn)狀

脫硫功能微生物的研究始于20世紀(jì)30年代。1935年，Maliyantz開展了用硫還原菌脫除原油中硫的研究；1950年，Stawinski公布了第一個(gè)原油生物脫硫?qū)＠?；此后隨著眾多專利的公開，生物脫硫技術(shù)發(fā)展達(dá)到高潮，脫硫功能微生物及其相關(guān)脫硫特性研究也不斷擴(kuò)展，但工業(yè)應(yīng)用還屬空白。1980 年以后，生物技術(shù)的飛速發(fā)展給脫硫功能微生物的研發(fā)帶來了新的生機(jī)，越來越多學(xué)者研究DBT為模式化合物的生物脫硫過程，脫硫機(jī)理逐漸清晰明了[1]，美國、日本等發(fā)達(dá)國家均投巨資資助該領(lǐng)域研究；1990年左右，美國天然氣研究所成功地分離到一株紅平紅球菌，該菌可有效脫除雙苯噻吩結(jié)構(gòu)中的有機(jī)硫，且不會損失該有機(jī)物的熱值，該菌后來被休斯頓的能源生物公司用于石油煉制[27]。

隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，脫硫功能微生物的功能基因逐步被破解。1996年，Denome等通過對紫紅紅球菌(Rhodococcusrhrhodochrous)的DNA測序分析，發(fā)現(xiàn)了脫硫菌的3個(gè)脫硫基因(dszA、dszB、dszC)，與之對應(yīng)的3種脫硫酶(DszA、DszB、DszC)在噻吩類有機(jī)硫化合物的代謝途徑中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[28]。分子生物學(xué)的發(fā)展不僅使學(xué)者們從酶學(xué)和遺傳學(xué)角度認(rèn)識了生物脫硫過程的分子機(jī)理，并將相關(guān)脫硫基因克隆、測序，純化相關(guān)脫硫功能酶，且已有學(xué)者利用基因工程技術(shù)構(gòu)建了新型的工程菌株，使脫硫功能微生物具有更高的脫硫效率[1，29]。

除了構(gòu)建工程菌提高生物脫硫效率，還可以將多種微生物復(fù)配、生物脫硫與其它脫硫技術(shù)聯(lián)用達(dá)到提高脫硫效率的目的。如Ansari等[30]將脫硫菌(RhodococcuserythropolisIGST8)與磁性Fe3O4納米顆粒復(fù)配，將脫硫菌固定在納米顆粒上，磁性納米顆粒通過提高脫硫菌細(xì)胞膜的滲透性提高底物和代謝產(chǎn)物進(jìn)出菌體的效率，進(jìn)而提高脫硫效率。Hou等[31]通過固定化的方法，提高脫硫功能微生物對DBT的脫硫效率。此外，環(huán)境條件、營養(yǎng)物質(zhì)均可以影響生物脫硫效率。

目前用于篩選脫硫功能微生物的底物多為DBT及其衍生物、汽油或柴油，原油的生物脫硫研究仍較少。許平教授課題組[22]早在2006年利用篩選到的紅球菌將柴油中的含硫化合物去除94.5%，該菌對原油的含硫化合物去除率最高可以達(dá)到62.3% 。Peng等[11]利用熱葡糖苷酶地芽孢桿菌(GeobacillusthermoglucosidasiusW-2)對初始硫含量為0.46%的稠油進(jìn)行脫硫，脫硫效率高達(dá)55%。Bhatia等[13]將分離得到的克雷伯氏菌(Klebsiellasp.13T)在45 ℃下對重油進(jìn)行脫硫，脫硫效率可以達(dá)到33%。Adegunlola等[32]利用固定化的黃曲霉(Aspergillusflavus)在最優(yōu)條件下可以使原油中的含硫化合物去除率達(dá)到94.7%，但固定化黃曲霉用量大，且不適合原油油藏內(nèi)原位脫硫。

雖然生物脫硫應(yīng)用潛力巨大，但只有在有水存在時(shí)微生物才能增殖代謝、原油中的含硫組分才能被降解。研究表明，當(dāng)油水比為1∶9或更低時(shí)脫硫才會進(jìn)行，而當(dāng)油水比升高時(shí)脫硫效率則會降低[33]。傳統(tǒng)的柴油或汽油的生物脫硫必須在脫硫完成后將油水分離，這不僅會增加成本，還會導(dǎo)致水資源的巨大浪費(fèi)。由于地層中原油與水共存， 且由于注水開發(fā)油藏中的水含量較高，部分水驅(qū)開采后期的油藏含水率可以達(dá)到90%以上，如果在油藏中對剩余油進(jìn)行生物脫硫，可以節(jié)約大量的成本。因此，與柴油和汽油的生物脫硫相比，油藏內(nèi)原油的生物脫硫更加實(shí)用。生物脫硫過程不僅可以降低硫含量，同時(shí)還可以產(chǎn)生具有表面活性劑性能的磺酸鹽類化合物[27]，該類化合物可用于提高剩余油的采油率。但即使原油生物脫硫是可行的，目前針對該研究的報(bào)道仍較少，尤其是剩余油原位脫硫的研究更少。

5 結(jié)語

隨著綠色發(fā)展政策的推行，更加環(huán)保高效的脫硫技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。生物脫硫在反應(yīng)條件、能耗和環(huán)境保護(hù)等方面都優(yōu)于其它脫硫方式，但目前的研究多集中在生物脫硫機(jī)理方面，而對生物脫硫在原油等實(shí)際油品的應(yīng)用研究較少。因?yàn)?，在?yīng)用脫硫功能微生物的過程中還有很多問題和關(guān)鍵技術(shù)亟需解決和突破，如：如何擁有脫硫功能更好的微生物菌株，這些菌株應(yīng)具有超高的有機(jī)硫脫硫功能、脫硫活性和良好的脫硫穩(wěn)定性；油藏條件對生物脫硫效率的影響如何；怎樣建立方便、準(zhǔn)確的有機(jī)硫檢測方法；原油生物脫硫副產(chǎn)物是否可以起到提高采收率的作用等。若能解決上述問題，將會推進(jìn)剩余油原位脫硫工業(yè)化進(jìn)程。