搅拌式反应器中生物催化降解含硫杂环化合物

论文题目: 搅拌式反应器中生物催化降解含硫杂环化合物

论文类型: 博士论文

论文专业: 环境工程

作者: 王妙冬

导师: 汪大翚

关键词: 生物脱硫,二苯并噻吩,表面活性剂,棒杆菌,分歧杆菌

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 矿物燃料燃烧后产生的SO2是形成酸雾、酸雨等环境污染的重要原因。随着燃料油（汽油、柴油）用量的不断增加,由此造成的环境污染也日趋严重。目前从石油及其产品中脱除有机硫普遍采用的方法为加氢脱硫（Hydrodesulfurization, HDS）。对于杂环类含硫化合物,如二苯并噻吩（DBT）等,HDS的催化剂很难脱除这部分硫。国际上近年来迅速发展中的生物脱硫（biodesulfurization, BDS）技术,可以选择性地脱除这类化合物中的硫而不损失燃料的热值,并以其温和的反应条件,较低的操作成本而将成为21世纪降低石油产品硫含量的有效途径。 以DBT作为模型脱硫化合物,从炼油厂污泥中分离出一株专一脱硫的棒杆菌Corynebacterium ZD-1,能降解DBT,终产物为2-HBP。DBT为硫源,甘油为碳源,摇瓶中30℃培养45小时后,棒杆菌ZD-1的质量浓度达到最大,并且指数生长后期收集的菌体具有最高的脱硫活性。对ZD-1生长条件如初始pH,温度等进行了优化。ZD-1适宜生长条件为:pH 6.0～7.5,30℃,10.0g/l的甘油,5.0g/l的氯化铵,0.20 mmol/l的DBT。同时首次在Tween-80存在下,研究了ZD-1对底物DBT的生长动力学,发现ZD-1对DBT的生长动力学符合Monod方程,其中μmax为0.134 hr-1,km为0.016 mmol/l。 ZD-1通过“4S”途径降解DBT,反应终产物2-HBP和Na2SO4对DBT的降解均有抑制作用,而且2-HBP对菌体的生长也有抑制作用。该菌株休止细胞降解DBT的最佳浓度为9.2gdry cell/l,其脱硫活力随着菌体浓度的降低而增大,同时休止细胞的脱硫活性随放置时间的延长变化不大,稳定性好。 考察了ZD-1在油-水双液相体系中降解DBT时油水比、水相介质、反应器中通气量以及搅拌速率等因素对该反应的影响。ZD-1脱硫时的最佳油水比为1:2,而水相介质以培养液为佳,通气量越高越好,但搅拌速度以1300 r/min比较适宜。在定时更换培养液的情况下,ZD-1生长细胞在间歇式搅拌反应器中能够持续高活性脱硫200小时以上。 由于在水相和有机相中,后来分离到的菌株ZD-M2的脱硫活性都高于ZD-1,并且ZD-M2具有更广的底物范围,后续的实验也对ZD-M2作了进一步的研究。 ZD-M2休止细胞脱硫时,最佳油/水两相配比为1:1,在生长介质和非生长介质中具有几乎相同的脱硫活性,休止细胞脱硫时,茵体浓度在5.6g dry cell/l到14.0g dry cell/l范围时,ZD-M2在油-水双液相体系中降解DBT的脱硫活性基本相同,可以达到0.200 mmol（DBT）/kg dry cell/min,即2.2ling（DBT）/g/h。搅拌式反应中ZD-M2休止细胞降解正十六烷中的DBT内,在实验所选的条件下,通气量也是越高越好,而最佳的搅拌速率为1140r/min。 正十六烷中DBT的浓度过高对ZD-M2脱硫有抑制作用,ZD-M2降解DBT的生化反应动力学符合底物抑制模型,其中最大降解速率rmax为0.806 mmol/kg dry cell/min,米氏常数KM为4.395 mmol/l,底物抑制的解离常数Ks为1.984 mmol/l。 为了促进微生物在油-水双液相体系中对DBT的降解,并探讨表面活性剂的作用机理。选择了Brij35、Tween-80、Triton-100X和β-环糊精等四种表面活性剂,考察了不同表面活性剂对水溶液中DBT的增溶效应,同时研究了不同表面活性剂对ZD-1和ZD-M2两种不同

论文目录:

摘要

Abstract

1 课题背景

2 文献综述

2.1 原油和燃料油中的硫

2.2 油品中硫的危害及燃油质量的发展

2.3 燃料油脱硫工艺和技术

2.3.1 催化加氢脱硫

2.3.2 氧化脱硫

2.3.3 吸附脱硫

2.3.4 选择性氧化／萃取法脱硫

2.3.5 膜分离技术

2.3.6 生物脱硫

2.4 生物催化脱硫过程

2.4.1 生物催化脱硫的代谢途径

2.4.2 生物催化脱硫机理

2.5 生物催化脱硫研究进展

2.5.1 脱硫菌种筛选

2.5.2 分子生物学和酶学的研究

2.5.3 微生物脱硫的动力学研究

2.5.4 生化反应器的设计

2.5.5 生物脱硫工艺

2.5.6 其他

2.6 存在问题

2.7 本论文的研究目的及工作设想

参考文献

3 实验材料和方法

3.1 仪器与试剂

3.2 脱硫菌株培养

3.2.1 培养基

3.2.2 实验用生物菌种制备

3.3 实验装置

3.4 分析方法

3.4.1 细胞浓度

3.4.2 产物测定

3.4.3 有机物浓度测定

3.4.4 脱硫活力测定

3.4.5 含硫杂环化合物的脱硫特性

3.4.6 生长条件的优化

参考文献

4 脱硫菌ZD-1生长条件优化

4.1 有效脱硫菌株的分离和鉴定

4.2 以DBT为唯一硫源的生长脱硫曲线

4.3 初始pH对菌株生长的影响

4.4 温度的影响

4.5 氮源对生长的影响

4.6 碳源的选择及其浓度的影响

4.7 硫源及投加浓度的确定

4.8 初始菌体浓度的影响

4.9 表面活性剂存在下ZD-1的底物生长动力学

4.10 本章小结

参考文献

5 脱硫菌ZD-1降解水相中的DBT

5.1 ZD-1的脱硫代谢途径

5.2 休止细胞脱硫曲线和最适菌体浓度

5.3 产物2-HBP对生长和脱硫影响

5.4 硫酸盐对脱硫影响

5.5 休止细胞放置时间对菌体脱硫能力的影响

5.6 本章小结

参考文献

6 ZD-1非休止细胞脱硫

6.1 最佳相比的确定

6.2 摇床转速对反应的影响

6.3 休止细胞与非休止细胞脱硫能力的比较

6.4 通气量对生长细胞脱硫的影响

6.5 搅拌速度对脱硫的影响

6.6 搅拌式反应器中的非休止细胞脱硫

6.7 本章小结

参考文献

7 搅拌式反应器中ZD-M2休止细胞脱硫特性

7.1 脱硫活性的比较

7.2 最佳油水比的确定

7.3 休止细胞与非休止细胞脱硫能力的比较

7.4 菌体浓度的影响

7.5 搅拌式反应器中通气量的确定

7.6 搅拌速度的影响

7.7 初始DBT浓度的影响

7.8 生化反应动力学

7.9 本章小结

参考文献

8 表面活性剂对生物脱硫的促进

8.1 表面活性剂的溶解度实验

8.2 表面活性剂对不同菌株脱硫的影响

8.3 表面活性剂对菌体生长的影响

8.4 表面活性剂浓度的影响

8.5 本章小结

参考文献

9 DBT在双液相体系中传质的理论分析

9.1 液滴直径的理论预测模型

9.2 DBT传质速率的理论计算

9.3 影响体积传质速率的因素

9.4 搅拌功率输入

9.5 体积传质速率与生化反应速率的比较

9.6 本章小结

参考文献

10 结论与建议

10.1 结论

10.2 建议与展望

攻读博士期间发表论文

致谢

发布时间: 2005-07-21

参考文献

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• [2].模拟柴油生物脱硫机理及动力学研究[D]. 陈晗.浙江大学2010
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