Штамм микроорганизма arthrobacter sp., используемый для избирательного извлечения серы из ископаемого топлива, и способ избирательного извлечения органической серы из ископаемого топлива

Предметом настоящего изобретения является штамм АггЬгоЬашег р. способный селективно разрывать С-5 связь сульфурированных органических молекул, присутствующих в углеродсодержащих материалах, а также способ избирательного извлечения органической серы из содержащего ее ископаемого топлива с использованием указанного штамма.К ИСКОПЗСМЫМ ТОПЛИВЗМ ОТНОСЯТСЯ сырая нефть и ее фракции, продукты перегонки нефти,остаточные продукты перегонки нефти и т.д.В настоящее время хорошо известно, что применение ископаемого топлива с высоким содержанием серы является основной причиной феномена кислотных дождей, которые создают экологические проблемы, приобретающие временами чрезвычайно серьезный характер. По этой причине законодательства, уже пршштые или обсуждаемые в Северной Америке, Европе и Японии, стараются максимально ограничить потребление ископаемого топлива с высоким содержанием серы. Например, в Соединенных Штатах Агентство по Охране Окружающей Среды (ЕРА) постановило, чтобы процент серы в дизельном топливе был понижен с 0,27% до значений, меньших 0 О 5%.Кроме того, инструкцией ЕЕС также предусмотрено снижение содержания серы в соответствии с тем, как это уже было установлено в США. Намного более жесткие ограничения действуют в Скандинавских странах (Швеции и Финляндии).Очевидно, что быстро будут использованы запасы ископаемого топлива, соответствующего НОВЫМ ИНСТРУКЦИЯМ, И ВОЗНИКНСТ НСОбХОДИмость поиска эффективных и экономичных технологий извлечения серы из ископаемого топлива перед СГО КОНСЧНЫМ ПрИМСНСНИСМ.Сырая нефть, так же как и фракции нефти и различные нефтепродукты, действительно содержит значительные количества серы. Например, в сырой нефти сера присутствует в количестве, варьирующемся от 0,025 до 5%, а в тяжелых фракциях оно достигает 10%. В сырой нефти сера присутствует в следовых количествах в форме элементарной серы, сульфатов и сероводорода, но в органическую матрицу она включена главным образом в виде сульфидов,тиолов, тиофенов, бензо- и дибензотиофенов с различными заместителями. В частности, в неКОТОрЫХ НСОЧИЩСННЪ 1 Х продуктах, таких как нефть из Техаса, около 70% серы находится в форме дибензотиофена (ДБТ) и его алкильных производных.В то время как соединения неорганической серы могут быть с легкостью удалены посредством физико-химической обработки, удаление органической серы представляет собой серьезную проблему.В традрщионных способах промышленной десульфурации нефти, практикуемых в настоящее время, применяют технологию гидроде 000284сульфурации (ГДС), которая заключается в восстановлении С-З связей до сероводорода (Н 2 З) посредством реакции взаимодействия водорода С ТОПЛИВОМ ПрИ ВЫСОКИХ ДЗВЛСНИЯХ И температурах в присутствии металлических катализаторов. В то время как ГДС, по-видимому, не создает проблем технического характера при десульфурации так называемых лабильных соединений, дальнейшее разделение напротив оказывается затрудненным из-за устойчивости к гидродесульфурации органических молекул с ароматической структурой, содержащей гетероатомы (огнеупорные молекулы). Подобные огнеупорные молекулы обычно требуют таких рабочих реясимов проведения процессов гидродесульфурации (глубокая ГДС), которые являются НЗСГОЛЬКО ЖССТКИИИ, ЧТО ВЫЗЫВЗЮТ деградацию и довольно значительного количества углеводородов. Кроме того, высокая концентрация тяжелых металлов в нефти ограничивает применение процесса гидродесульфурации, поскольку тяжелые металлы, как известно, отравляют катализаторы, применяемые в этом процессе. Поскольку в процессе переработки нефти значительно возрастают концентрации как сульфурированных соединений, так и тяжелых металлов, то проблема извлечения органической серы из остаточного масла представляется даже еще более трудноразрещимой. По этой причине подобные известные процессы не представляют собой приемлемого решения данной проблемы.Поэтому в последние пятьдесят лет проводятся интенсивные исследования возможности применения микроорганизмов для извлечения сульфурированных органических веществ, присутствующих в топливе, перед стадией сгораНИЯ.Описаны МНОГОЧИСЛСННЪ 1 С СПОСОбЫ ИЗВЛСчения органической серы, основанные на применении как анаэробных сульфатвосстанавлиВЗЮЩИХ микроорганизмов, КОТОрЫС ВЬВЫВЗЮТ образование Н 2 З, так и аэробных окисляющих микроорганизмов, которые вызывают образоваъше неорганических форм, растворимых в воде,таких как сульфат и серная кислота. Большинство аэробных микроорганизмов расщепляет дибензотиофен (ДБТ), применяемый в качестве модельной молекулы, по метаболическому пути,огШсанному Кодаша (Аг. В 1 о 1. СЬепъ, 34, 1320Согласно данному варианту метаболизма,ДБТ разрушается, начиная с одного из бензольных колец, с образованием производных бензотиофена и молекул, в состав которых еще входит сера. Несмотря на то, что извлечение этого СОСДИНСНИЯ ТСХНИЧССКИ ОСУЩССТВИМО ПУТСМ ЭКСтракции водой в силу его водорастворимости,процесс десульфурации, который включает переработку нефти с помощью указанных микроорганизмов с последующим удалением водорастворимых продуктов, содержащих серу, был бы слишком дорогостоящим из-за затрат электро энергии на удалеъше углеродсодержащей структуры ДБТ и ДБТ подобных соединений.Аналогичный результат был бы получен и в случае индукции метаболизма, приводящего к полной деградации исходной сульфурированной молекулы.Недавно были описаны Микроорганизмы,способные извлекать серу из бензотиофена путем реализации метаболического пути "сульфоксид-сульфон-сульфонат-сульфат", (назь 1 ваемого также "4"), который, как оказалось, специфичен для десульфурации, поскольку в ходе реализации этого пути происходит извлечение серы из ДБТ при сохранении интактной углеродной структуры и накопление 2-гидроксибифенила (фиг. 1).Например, описано выделение штамма Кьодососсиз гьодосшоиз, способного извлекать серу из дибензотиофена посредством реализации метаболического "45" пути с получением 2 гидроксибифенила (ИЗ 5.358.870, ИЗ 5.132.219,РСТ/ПЗ 92/01868, ЕР О 445 896 А 2).Однако при работе с этим микроорганизмом следует применять сурфактанты, необходимые для поддержания тесного контакта нефтепродуктов с микробной суспензией. ПримеНСНИС УКЗЗЗННЫХ агентов, ПОМИМО ЗНЗЧИТСЛЬНОго увеличения общей стоимости процесса, создает большие трудности на последующей стадии разделения фаз.Процессы с применением этого микроорганизма обычно проводятся посредством реализации следующих стадий:1. Ферментация микроорганизма в присутствии источников углерода и других питательных веществ.2. Отделение биомассы от культуральной среды.3. Пршиенеъше биомассы в качестве катализатора реакции десульфурации, которую проВОДЯТ В реакторах С ПОЛНЫМ ПСРСМСШИВЗНИСМ И в присутствии больших количеств воды (объемное соотношение воды и масла составляет по меньшей мере 1:1).5. Возвращение пастообразной фазы, состоящей из катализатора, в реактор для десульфурации после промывки и количественного восстановления для сохранения постоянных характеристик катализатора.6. Отфильтровывание водной фазы для максимального восстановления катализатора.7. Добавление к водному потоку на выходе солей кальция (гашеной или негашеной извести) или солей аммония (ион гидроксида) для того,чтобы можно было перейти к удалению сульфата, получаемого путем окисления серы (примеНСНИС иона ЗММОНИЯ ПОДДСрЭКИВЗСТ концентрацию раствора таким образом, чтобы можно бь 1 000284ло осуществлять отделение сульфата аммония в силу высокой растворимости этой соли).8. Удаление воды из десульфурированной масляной фазы с применением вЬ 1 сокоэффективных сепараторов (электростатические сепараторы).Эти известные специалистам процессы характеризуются следующими основными недосТЗТКЗМИ:- ПрИМСНСНИС бОЛЬШИХ КОЛИЧССТВ ВОДЫ ДЛЯ поддержания характеристик биокатализатора,который сохраняет свою активность в превалирующем водном окружении;- применение высокой концентрации сурфактантов в реакционной смеси (0,5%) для облегчения дисперсии масляной фазы в водной фазе и усиления явления переноса субстрата к биокатализатору;- применение высокоэффективного оборудования для разделения фаз на выходе из биореактора для разрушения эмульсий, образующихся из-за применения сурфактанта;- высокая стоимость осаждения получающегося сульфата кальция либо необходимость СОЗДННИЯ КОММСрЧССКОЙ ТСХНОЛОГРШ ЛИКВИДЗЦИИ получаемого сульфата аммония;- значительное возвращение сульфата в реактор для десульфурации (растворимость сульфата кальция при 20 С составляет О,2/ 100 г, в то время как сульфат аммония хорошо растворим) и вследствие этого возможное ингибирование продукта.В литературе описан штамм Вгеутьасгегтиш эр. ВО (Чан Айегбеп ет а 1., АгсЬ. М 1 сгоЬ 1 о 1., 153: 324-328, 1990), способный посредством "45" метаболического пути в ходе трех первых стадий обеспечить достаточно полную минерализацию ДБТ, а в результате следующей метаболической стадии - получение бензоата согласно диаграмме, представлеъшой на фиг.2.Недавно описан процесс биологической десульфурации, основанный на применении штаммов Агшгоьасгег, способных извлекать серу из ДБТ и 4,6-диэтилдибензотиофена (СА 2097217; Арр 1. апб Епуйгоп. М 1 сгоЬ 1 о 1., 61: 43624366, 1995).Однако этот процесс также имеет свои недостатки. В действительности десульфурируюЩая активность этих штаммов ингибируется ъшзкими концентрациями (1 мМ) сульфатного иона.Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в получении технологичного десульфурирующего микробного штамма и разработке эффективного и экономичного способа избирательного извлечения органической серы из ископаемого топлива с использованием этого ШТЗММЗ.Предложенный штамм микроорганизма АгшгоЬастег эр. СВЗ 208.96 способен селективно разрывать С-З связи сульфурированных органических молекул ископаемого топлива без раз рушения их углеродной структуры. Штамм используется для избирательного извлечения серы из ископаемого топлива.Способ избирательного извлечения органической серы из ископаемого топлива путем селективного разрыва С-5 связи в сульфурированных органических молекулах, основанный на применении указанного штамма, включает следующие стадии:а) обеспечение контактирования эмульсии или суспензии указанного ископаемого топлива с катализатором, представляющим собой штамм микроорганизма Агшгоьастег эр. или его ферментные производные, при рН 5-9 и температуре 20-40 С в окисляющей среде при давлении,варьирующемся от атмосферного до 3 бар;б) разделение фаз, образующихся в процессе реакции на стадии а), представляющих собой десульфурированную масляную фазу,водную фазу и слизистую фазу, состоящую из катализатора, ассоциированного с маслом и водой;в) возвращение слизистой фазы на стадию а);г) обеспечение контакта водной фазы с анаэробными и аэробными организмами, способными извлекать сульфат и трансформировать его в элементарную серу; иДля осуществления стадии а) эмульсию или суспензию ископаемого топлива целесообразно получать путем его смешивания с водой без применения сурфактантов при объемном соотношении ископаемого топлива и воды, лежащем в диапазоне 1:1-7:1, предпочтительно 3:1.При реализации заявленного способа перед возвращением слизистой фазы на стадию а) ее предпочтительно промывают водой, а промывные воды обрабатывают, как описано на стадиях г) и д). Предпочтительно рН реакционной смеси на стадии а) составляет 6,5 - 7,5, а температура реакционной смеси составляет 25-35 С.Способ десульфурации, разработанный согласно настоящему изобретению, предпочтительно осуществляют при использовании сырой нефти, или фракций нефти, или продуктов перегонки нефти, или остаточных продуктов перегонки нефти, например газойлей, выходящих из ГДС-установок, подлежащих обязательной десульфурации.Заявленный способ может быть осуществлен в периодическом или непрерывном режиме,предпочтительно непрерывным способом.Для выделения микробного штамма, способного утилизировать ДБТ посредством "45" метаболического пути, использовали почву, извлеченную из пилотной установки для биовосстановления, расположенной на территории,загрязненной сырой нефтью с высоким содержанием серы.Выделение осуществляли путем последовательного обогащения и очистки в среде, содержащей источник углерода и ДБТ в качестве единственного источника серы. В результате было показано наличие штаммов, способных утилизировать ДБТ. Последующее выделение чистой Культуры мшсроорганизмов при индивидуальном рекультивировантш в среде, содержащей ДБТ в качестве единственного источника серы, позволило отобрать отдельный штамм,способный утилизировать ДБТ в качестве источника серы. Этот штамм был предварительно обозначен как 1357.Для подтверждения того факта, что ДБТ не утилизировался также в качестве источника углерода, штамм 1357 культивировали в двух средах 1353 и 1354, содержащих в одном случае ДБТ в качестве единственного источника углерода, а в другом - в качестве источника углерода и серы. Отсутствие роста в этих средах позволило предположить, что щтамм утилизирует только посредством "45" метаболического пути.Для подтверждения указанного Штамм культивировали в 1352 среде (ДБТ в качестве единственного источника серы). Продукты реакции экстрагировали этилацетатом и анализировали посредством ЖХВР и ГХ/МС. РезультаТЫ ЗНЗЛИЗОВ ПОДТВСрДИЛИ НЗЛИЧИС ПРОМСЯСУТОЧных СОСДИНСНИЙ и конечного продукта деградации (2-гидроксибифенила) ДБТ в соответствии сКинетику продуцирования ферментов,включеъшых в процесс десульфурации на различных стадиях роста, изучали путем культивирования штамма 1357 в культуральной среде,содержащей источник углерода и ДБТ в качестве единственного источника серы (фиг. 5). Полученные результаты показали следующее:- бактерии экспрессируют максимальную ферментативную активность, начиная приблизительно с середины экспоненциальной фазы роста (28 ч);- стабильность ферментативной системы достаточно высока, поскольку ее обнаруживают даже после длительных периодов консервации биомассы (7 суток при 4 С);- штамм 1357 активен по отношению к основным группам сульфурированных молекул,присутствующих в полученном прямой перегонкой газойле, газойле после гидродесульфурации И ГЛЗВНЪ 1 Х ПОТОКЗХ, ВЫХОДЯЩИХ ПОСЛС ЭТмосферной перегонки нефти (фракции: 70-160; 160-230 и 230-350 С);- штамм 1357 способен продуцировать такие эмульгирующие агенты, с помощью которых без добавления внешних агентов могут образовываться стойкие микроэмульсии/мшсродисперсии;- фаза, образующая мшсроэмульсии/мшсродисперсии, может быть легко отделена.Для характеристики штамма 1357 использовались рекомендации, описанные в Вег 3 еу'Мапиа 1 от Зузтешайс Вас 1 ег 1 о 1 о 3 у (уошшез 1-4), Ед. 1989, Штшашз 7/1111 п, ВаШшоге.Окраска по Грамму Морфотип РазмерыКолонии на питательном атаре Форма поверхности Хромогенезис Пигмент (с кислотами)Размеры (диаметр) Способность к эмульгированию Изменение окраски в ЖЕ. питательном бульонебежевые, волнистые края, влажные выпуклая отсутствует отсутствуетБ-галактозидаза + Цитохром-оксидаза Каталаза + Уреаза + Желатиназа Аргинштдегидролаза Лизиндекарбоксилаза Триптофандеаминаза Нитрат нитрит восста- новлениеЛактоза Мелибиоза Сахароза ТрегалозаИнулин Мелезитоза В-рафиноза Растворимый крахмал Гликоген Ксилитол Гентиобиоза В-тураноза В-лизоза В-тагатоза В-фукоза В-арабитол Ь-арабитол Амигдалин В-Метил-ксилозид МалатНа основании результатов морфологичеСКИХ И культуральнЫх ТССТОВ МОЯШО ЗЗКТПОЧИГЬ,что штамм ВЗ 7, полученный согласно настоящему изобретению, не может принадлежать к видам МусоЬасгегшш, Ыосагайа, Мосатшотбез,Оегзкоута и Агасппйа. Действительно, в отличие от этих видов, для 057 не характерно наличие строгих требований к питательным веществам,он развивается за короткие промежутки времени, не образует нитевидных образований (гифы,воздушный мицелий) на атаризованной питательной среде, не устойчив к обработке кислотой согласно реакции Циля-Нилсена.