脫硫功能微生物在剩余油原位改質中的應用潛力分析

劉天宇，王蒲金，童啟強，曲瑞雪，孫珊珊,3*

(1.非常規油氣省部共建協同創新中心，湖北 武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100；3.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

隨著全球工業的迅速發展，人們對石油產品的需求不斷增加。石油產品燃燒所產生的SOx若直接排放，不但影響空氣質量，而且形成酸雨后對生態系統和土壤都有嚴重的破壞作用；另外，石油產品中的硫化物對輸送管線、泵和煉油設備也有腐蝕作用。因此，各國對石油產品質量的要求越來越高，尤其是對硫含量的規定日趨嚴格，部分國家和地區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，原油及其產品的脫硫已成為該領域急需解決的問題，各國政府都在不斷增加石油脫硫技術的研發投入。隨著我國綠色發展政策的推行，更加環保高效的脫硫技術成為研究熱點。生物脫硫在反應條件、能耗和環境保護等方面都優于其它脫硫方式，具有廣闊的應用前景。由于原油含硫組分需要有水存在時才能被生物降解，地層中原油與水共存，如果在油藏中對剩余油進行生物脫硫，可節約大量的成本。為此，作者從脫硫方法、生物脫硫技術、生物脫硫機理及應用現狀幾方面出發，分析脫硫功能微生物在剩余油原位改質中的應用潛力，為石油產品脫硫技術的研發提供幫助。

1 原油中的含硫組分及脫硫方法

根據硫含量的不同，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塊，其中南疆油田和江漢油田的部分區塊原油硫含量超過了2.0%。

原油中的含硫組分可分成兩類：有機硫和無機硫。有機硫的種類很多，包括硫醇、硫醚和含硫雜環化合物，如噻吩、苯并噻吩(benzothiophene，BT)、二苯并噻吩(dibenzothiophene，DBT)及更復雜的含硫有機化合物共13 類近200種不同結構；少量無機硫，如溶解或懸浮在原油中的元素硫、H2S、FeS[1]。原油中一些極不穩定的多硫組分在溫度較低時便會分解產生硫化物，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生硫化物[2]，但是這些雜環化合物中的硫很難被脫除，難以滿足環保要求[3-4]。同時，由于沉積、注水開發或熱力采油，地層和原油的性質發生了變化，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生H2S。原油中的含硫化合物對生產的危害主要表現在：(1)酸性的含硫原油在集輸過程中加快了設備及管道的腐蝕速率，增加了設備及管道的維護費用；(2)開采及排污過程中若發生H2S泄漏則會危害施工人員健康安全，并對環境造成污染；(3)添加大量的液體脫硫劑是常規的含硫原油處理方式，但脫硫劑是堿性物質，不僅價格較高，而且會增加下游產品處理難度。

目前，應用于原油的脫硫技術[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

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

表1 原油脫硫技術

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硫總量的 50%～90%。BT和DBT占噻吩類的70%以上，是含硫雜環化合物中最典型的代表。噻吩類物質結構復雜，化學性質穩定，尤其是4位和6位有取代基的DBT，由于具有空間位阻效應，是公認的最難脫除的有機硫化物[3]，很難通過加氫完全脫除，但生物脫硫技術則可以利用微生物代謝產生的酶特異性地裂解DBT的C-S鍵，將硫從雜環上脫除，變成無機硫，同時保持碳骨架和燃燒值不變。 目前多以DBT作為模式化合物進行生物脫硫研究，也有以含硫的汽油、柴油為對象進行生物脫硫研究，少部分研究針對原油進行生物脫硫研究。已報道的脫硫功能微生物及其作用底物列于表2。

表2 已報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化能異養型，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菌和古細菌，也有部分真菌[24]。

3 生物脫硫機理

含硫雜環化合物生物脫硫機理有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。雖然最后產生的有機硫產物能溶于水，但并沒有將S從雜環上脫除，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，因此工業應用價值不大。

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

4 生物脫硫應用現狀

脫硫功能微生物的研究始于20世紀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公布了第一個原油生物脫硫專利；此后隨著眾多專利的公開，生物脫硫技術發展達到高潮，脫硫功能微生物及其相關脫硫特性研究也不斷擴展，但工業應用還屬空白。1980 年以后，生物技術的飛速發展給脫硫功能微生物的研發帶來了新的生機，越來越多學者研究DBT為模式化合物的生物脫硫過程，脫硫機理逐漸清晰明了[1]，美國、日本等發達國家均投巨資資助該領域研究；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構中的有機硫，且不會損失該有機物的熱值，該菌后來被休斯頓的能源生物公司用于石油煉制[27]。

隨著分子生物學的不斷發展，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，發現了脫硫菌的3個脫硫基因(dszA、dszB、dszC)，與之對應的3種脫硫酶(DszA、DszB、DszC)在噻吩類有機硫化合物的代謝途徑中發揮著關鍵作用[28]。分子生物學的發展不僅使學者們從酶學和遺傳學角度認識了生物脫硫過程的分子機理，并將相關脫硫基因克隆、測序，純化相關脫硫功能酶，且已有學者利用基因工程技術構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]。

除了構建工程菌提高生物脫硫效率，還可以將多種微生物復配、生物脫硫與其它脫硫技術聯用達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胞膜的滲透性提高底物和代謝產物進出菌體的效率，進而提高脫硫效率。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，環境條件、營養物質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%的稠油進行脫硫，脫硫效率高達55%。Bhatia等[13]將分離得到的克雷伯氏菌(Klebsiellasp.13T)在45 ℃下對重油進行脫硫，脫硫效率可以達到33%。Adegunlola等[32]利用固定化的黃曲霉(Aspergillusflavus)在最優條件下可以使原油中的含硫化合物去除率達到94.7%，但固定化黃曲霉用量大，且不適合原油油藏內原位脫硫。

雖然生物脫硫應用潛力巨大，但只有在有水存在時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，當油水比為1∶9或更低時脫硫才會進行，而當油水比升高時脫硫效率則會降低[33]。傳統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，還會導致水資源的巨大浪費。由于地層中原油與水共存， 且由于注水開發油藏中的水含量較高，部分水驅開采后期的油藏含水率可以達到90%以上，如果在油藏中對剩余油進行生物脫硫，可以節約大量的成本。因此，與柴油和汽油的生物脫硫相比，油藏內原油的生物脫硫更加實用。生物脫硫過程不僅可以降低硫含量，同時還可以產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道仍較少，尤其是剩余油原位脫硫的研究更少。

5 結語

隨著綠色發展政策的推行，更加環保高效的脫硫技術成為研究熱點。生物脫硫在反應條件、能耗和環境保護等方面都優于其它脫硫方式，但目前的研究多集中在生物脫硫機理方面，而對生物脫硫在原油等實際油品的應用研究較少。因為，在應用脫硫功能微生物的過程中還有很多問題和關鍵技術亟需解決和突破，如：如何擁有脫硫功能更好的微生物菌株，這些菌株應具有超高的有機硫脫硫功能、脫硫活性和良好的脫硫穩定性；油藏條件對生物脫硫效率的影響如何；怎樣建立方便、準確的有機硫檢測方法；原油生物脫硫副產物是否可以起到提高采收率的作用等。若能解決上述問題，將會推進剩余油原位脫硫工業化進程。