专利名称：磁性聚乙烯醇载体固定化德氏假单胞菌r－8进行油品脱硫的方法
技术领域：
本发明属于生物技术领域，特别涉及利用磁性聚乙烯醇载体固定化德氏假单胞菌R-8进行油品脱硫的方法。
背景技术：
生物脱硫(以下简称BDS)是利用微生物对硫源的特殊需要或代谢方式来实现石油及其产品中硫脱除的方法。它具有反应专一、效率高、常温常压操作及受烷基空间位阻影响小的特点。其设备投资仅为已工业化的加氢脱硫技术的30％，反应过程没有有害产物生成，可以实现深度脱硫，是一种具有广阔发展前途的清洁燃料生产技术。要实现BDS的工业化，必须优化BDS的工艺过程，其中限制BDS工业化的主要因素为生物催化剂的生产成本，油水比等。BDS可以采用游离细胞或酶，或固定化细胞或酶对油品进行脱硫。由于游离细胞或酶在油水相脱硫过程中油水相乳化严重，导致后期分离及生物催化剂的回收再利用非常困难。为了克服这些问题，固定化生物催化剂是最好的解决方法。另外，BDS是一个多酶反应过程，需要辅因子NADH的参与，因此采用固定化酶的方法会导致生物催化剂的生产成本大幅度上升。由此可见，固定化细胞是促进BDS工业化不可缺的先决条件。应用于柴油或汽油中微生物催化脱硫的菌株有很多，如红球菌RhodococcusATCC53968(CN1066285A，1992-11-18.)，Rhodococcus ATCC 55309和ATCC 55310(U.S.Pat.No.5607857，1997-3-4.)，Rhodococcus erythropolis KA 2-5-1(JP2000-144149A，2000-5-26.)；芽孢杆菌Bacillus sphaericus ATCC 53969(U.S.Pat.No.5002888.)；分枝杆菌MycobacteriumgoodiiDSM44492(CN1379084A，2002-11-13.)。上述专利只是为这些菌株申请了专利和说明它们具有脱除柴油或汽油中有机硫化合物的能力。虽然微生物脱硫工艺有少数报道，但主要是报道应用自由细胞进行柴油或汽油的脱硫工艺，如专利US5358870A报道了R.rhodochrous ATCCNo.53968自由细胞和液态石油的反相微乳化脱硫过程；专利US5910440A报道了微生物Rhodococcus ATCC 55309和ATCC 55310催化脱硫过程的机理；JP2002-259A(2002-1-8)报道了试管中静息细胞分解环硫磺化合物的方法；JP2001-186875A(2001-7-10)报道了脱硫微生物的培养方法。这些报道都没有采用固定化技术，脱硫细胞不能够进行重复使用，也没有解决脱硫工艺中的乳化现象。目前，韩国的Chang等人(Chang etal.FEMS Microbiol.Lett.，2000，182309-312.)采用硅藻土吸附的方法对Gordona sp.CYKS1和Nocardia sp.CYKS2进行了固定化，并用此固定化细胞进行了模拟油(DBT溶于十六烷)体系和轻汽油的脱硫。该方法是采用的吸附固定化方法。Naito 等人(Naito et al.Appl Microbiol.Biotechnol.2001，55374-378.)尝试了凝胶包埋的方法对R.erythropolis KA2-5-1进行了固定化研究，得到比较好的脱硫结果。其所选ENT-4000载体固定化的细胞在模拟油(DBT溶于十四烷)水相体系中的活性最好，该催化剂可重复使用达900h。罗明芳等人(罗明芳，刘会洲，邢建民，缑仲轩，李珊，陈家镛。一种利用海藻酸钙固定化德氏假单胞菌R-8进行油品脱硫的方法。中国专利，申请号No.02117766.x，2002年5月)研究了海藻酸钙固定化德氏假单胞菌R-8，并用于模拟体系生物脱硫。这些报道都显示了固定化微生物应用于微生物脱硫工艺中具有良好的应用前景。但是固定化材料的选择和固定化细胞的分离回收工艺需要进一步优化。
本专利主要结合磁性载体和固定化技术的优势，使得BDS工艺逐步得到完善、工艺简单。磁性载体固定化细胞用于BDS过程中不但具有一般固定化细胞的优势而且还能方便快速的回收，其中磁性组份的存在不影响微生物的脱硫活性。
到目前为止，还没有有关采用磁性载体固定化微生物用于脱硫的报道和专利。由于聚乙烯醇生物相容性好，价格便宜，因此常用作生物催化剂固定化载体。本专利发明了磁性聚乙烯醇载体固定化本实验室已申请专利的德氏假单胞菌R-8(姜成英，刘会洲，邢建民等。德氏假单胞菌菌株及其在脱除含硫有机化合物中硫的应用[P].中国专利，ZL01115921.9，2001-05-28)的方法和应用于油品脱硫。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用磁性聚乙烯醇固定化德氏假单胞菌R-8进行油品脱硫的方法，即采用磁性聚乙烯醇载体包埋德氏假单胞菌R-8(保藏号CGMCC 0570)进行固定化，并用此固定化细胞脱除油相中的有机硫化合物；具有固定化细胞活性高，稳定性好，能有效降低油水比提高体积反应速率；在外加磁场的作用下，易于实现生物催化剂的回收、再生和重复使用的优点；聚乙烯醇价格便宜，生物相容性好，制备工艺简单，生产成本低，易于在工业上应用。
本发明的实施方案如下本发明提供的利用磁性聚乙烯醇载体固定化德氏假单胞菌R-8进行油品脱硫的方法，其工艺步骤如下1)保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8对数生长期或静止期细胞的制备；挑取1～2环斜面保存或0.5-1毫升甘油保存的德氏假单胞菌R-8菌株，加入到体积为20-50毫升的培养基中，在30℃，170r/min的条件下培养1～2天后，再将培养后的德氏假单胞菌R-8菌株接种至含150ml上述培养基的500ml三角瓶中，摇床或发酵罐培养，5000rpm离心6min获得德氏假单胞菌R-8对数生长期或静止期细胞；将收集到的细胞用生理盐水洗涤2～3次，所得菌体悬浮于生理盐水中，得保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8菌体的生理盐水菌悬液；在4℃冰箱中放置待用；
所用培养基组成如下去离子水1000ml，KH2PO42.44g；Na2HPO4·12H2O 12.03g；NH4Cl 2.0g；MgCl2·6H2O 0.4g；CaCl2·2H2O 0.001g；FeCl3·6H2O 0.001g；MnCl2·4H2O 0.004g；甘油10g，硫源为二苯并噻吩。
2)亲水性磁流体的制备在盛有500ml蒸馏水的1升搅拌式反应器中按2∶1的比例加入0.086mol氯化亚铁(FeCl2·4H2O)和0.173mol三氯化铁(FeCl3·6H2O)，在氮气N2保护下升温至90℃，倾入含0.956molNH3·H2O水溶液，并滴加油酸约15ml，继续恒温30min，用磁铁分离后，经去离子水反复清洗，得到黑色团块状磁性Fe3O4凝胶体，加入去离子水，在搅拌下升温至50℃，加入25％的NH3·H2O数滴，凝胶溶解形成亲水性磁性Fe3O4流体。
3)用磁性聚乙烯醇载体包埋保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8菌体称取聚乙烯醇溶于去离子水、生理盐水或增殖培养基中，制成质量百分比浓度为8～20％的聚乙烯醇水溶液，加入一定体积的磁流体使其质量百分浓度为1～10％，然后与含德氏假单胞菌R-8菌体的生理盐水菌悬液均匀混合；将此混合液用针筒、滴定管或其它装置挤入到装有液氮的保温瓶或保温杯中，形成直径为1-5mm用磁性聚乙烯醇载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8细胞的小球；保温杯密封24-96h；然后，将保温杯敞开，自然解冻；解冻完成后，再次加入液氮密封24-96h。这个冷冻-解冻过程重复1-5次；用去离子水或生理盐水洗涤2-4次。
4)增殖培养上述固定化细胞；将第3步中所制得的磁性聚乙烯醇载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8的固定化细胞悬浮于固定化细胞增殖培养基中，硫源为二苯并噻吩；于30℃，170r/min条件下摇床培养1-3天。
所用增殖培养基组成如下去离子水1000ml，KH2PO40.24g；Na2HPO4·12H2O 1.20g；NH4Cl2.0g；MgCl2·6H2O 0.4g；CaCl2·2H2O 0.001g；FeCl3·6H2O 0.001g；MnCl2·4H2O 0.004g；甘油10g。
5)油品的脱硫；取增殖培养活化后的磁性聚乙烯醇载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8的固定化细胞，倾去培养液，加入含硫油相和水相，进行脱硫反应，水相的体积占油水相总体积的0～50％。当硫含量降到0-30ppm以后，在外加磁场的作用下，磁性PVA固定化的细胞分离；油水相采用常用的液液分离手段分离。所述水相为生理盐水、PH＝6.0-7，0的磷酸缓冲溶液或增殖培养基。
6)上述固定化细胞的重复使用；在经5)步反应后的固定化细胞中加入含硫油相和水相，进行脱硫反应，水相的体积占油水相总体积的0～50％。当硫含量降到0-30ppm以后，在外加磁场的作用下，磁性PVA固定化的细胞分离；油水相采用常用的液液分离手段分离。所述水相为生理盐水、PH＝6.0-7.0的磷酸缓冲溶液或增殖培养基；重复此过程，实现磁性聚乙烯醇载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8的固定化细胞对油品脱硫的多次使用。
本发明提供的利用磁性聚乙烯醇固定化德氏假单胞菌R-8进行油品脱硫的方法，适用于溶有DBT的十二烷、十四烷或十六烷的油相或柴油、加氢脱硫柴油、汽油等油相的油品脱硫；具有固定化细胞活性高，稳定性好，能有效降低油水相体积比提高体积反应速率；聚乙烯醇价格便宜，生物相容性好；其工艺简单，生产成本低，易于在工业上应用；在外加磁场的作用下，磁性载体固定化的细胞能够迅速、方便的分离，而且适合于磁性稳定硫化床中使用。
附图1为模型化合物DBT分子结构图；附图2磁性聚乙烯醇(PVA)固定化微球的扫描电镜(SEM)照片；(i)磁性PVA固定化R-8细胞微球 (ii)磁性PVA固定化微球表面局部放大图附图3为磁性聚乙烯醇固定化R8细胞的磁滞曲线；附图4为磁性聚乙烯醇载体固定化R8细胞脱除模拟油(十二烷)中的二苯并噻酚(DBT)中的硫；附图5为重复使用磁性聚乙烯醇载体固定化R8细胞脱除模拟油(十二烷)中的二苯并噻吩(DBT)中的硫；具体实施方式
实施例11.培养保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8的对数生长期细胞挑取营养斜面培养的德氏假单胞菌R-8菌株，加入体积为25毫升的培养基中，在30℃，170r/min的条件下培养2天，再将培养后的德氏假单胞菌R-8菌株接种至含150ml上述培养基的500ml三角瓶中，摇床培养至对数生长期，5000rpm离心6min获得德氏假单胞菌R-8菌体；将其用生理盐水洗涤2～3次，所得德氏假单胞菌R-8菌体悬浮于生理盐水中，在4℃冰箱中放置；培养基的组成如下去离子水1000ml，KH2PO42.44g；Na2HPO4·12H2O 12.03g；NH4Cl 2.0g；MgCl2·6H2O 0.4g；CaCl2·2H2O 0.001g；FeCl3·6H2O 0.001g；MnCl2·4H2O 0.004g；甘油10g，二苯并噻吩0.1mmol/L；2.亲水性磁流体的制备在盛有500ml蒸馏水的1升搅拌式反应器中按2∶1的比例加入0.086mol氯化亚铁(FeCl2·4H2O)和0.173mol三氯化铁(FeCl3·6H2O)，在氮气N2保护下升温至90℃，倾入含0.956molNH3·H2O水溶液，并滴加油酸约15ml，继续恒温30min，用磁铁分离后，经去离子水反复清洗，得到黑色团块状磁性Fe3O4凝胶体，加入去离子水，在搅拌下升温至50℃，加入25％的NH3·H2O数滴，凝胶溶解形成水溶性磁性Fe3O4流体。
3.用磁性聚乙烯醇载体包埋保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8菌体称取聚乙烯醇溶于去离子水、生理盐水或增殖培养基中，制成质量百分比浓度为8～12％的聚乙烯醇水溶液，加入一定体积的磁流体使其质量百分浓度为1～10％，然后与含德氏假单胞菌R-8菌体的生理盐水菌悬液均匀混合；将此混合液用针筒、滴定管或其它装置挤入到装有液氮的保温瓶或保温杯中，形成直径为1-5mm用磁性聚乙烯醇载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8细胞的小球；保温杯密封24-96h；然后，将保温杯敞开，自然解冻；解冻完成后，再次加入液氮密封24-96h。这个冷冻-解冻过程重复1-5次；用去离子水或生理盐水洗涤2-4次。
4.增殖培养上述固定化细胞将第3步中所制得的磁性聚乙烯醇载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8的固定化细胞悬浮于固定化细胞增殖培养基中，硫源为0.1mmol/L二苯并噻吩；于30℃，170r/min条件下摇床培养2天。
所用增殖培养基组成如下去离子水1000ml，KH2PO40.24g；Na2HPO4·12H2O 1.20g；NH4Cl 2.0g；MgCl2·6H2O0.4g；CaCl2·2H2O 0.001g；FeCl3·6H2O 0.001g；MnCl2·4H2O 0.004g；甘油10g。
5.油品的脱硫处理用步骤4得到的增殖培养活化后的磁性聚乙烯醇载体固定化细胞脱除十二烷模拟油(十二烷)相中的DBT的硫，其具体步骤如下取步骤4得到的增殖培养活化后的磁性聚乙烯醇载体固定化细胞(细胞含量相当于0.1g干细胞)于100ml三角瓶中，加10ml增殖培养基和10ml十二烷(溶解了0.2mmol/L DBT)，水相体积占油水相总体积的50％；在30℃，170r/min条件下，摇床反应；十二烷中的DBT及脱硫产物2-羟基联苯(2-HBP)含量采用高效液相色谱(HPLC)分析测定；反应12h，DBT残留量仅为0.01mmol/L，生成0.18mmol/L 2-HBP。
实施例2重复使用实施例1得到的增殖培养活化后的磁性聚乙烯醇载体固定化细胞脱除模拟油(十二烷)中的二苯并噻吩(DBT)中的硫；取实施1得到的增殖培养活化后的磁性聚乙烯醇复合载体固定化细胞数克(含0.1g干细胞)于100ml三角瓶中，加l0ml生理盐水和10ml十二烷(溶解了0.2mmol/L DBT)，水相体积占油水相总体积的50％。30℃，170r/min摇床反应。反应12h后，倾去油水相，用HPLC分析油相中DBT的含量；固定化细胞采用生理盐水洗涤3次，然后加入新鲜的生理盐水10ml和10ml十二烷(溶解了0.2mmol/L DBT)，反应24h，倾去油水相，用HPLC分析油相中DBT的含量；将上述磁性PVA固定化细胞，在30℃，170r/min，基础培养基中，活化36h；重复上述过程，此重复脱硫结果见附图5。
实施例3采用磁性聚乙烯醇固定化R-8细胞脱除直馏柴油(由新疆独山子石化公司中国石油独山子石化公司研究院提供)中的含硫化合物。反应体系中在水相中油水比为1∶2反应时间为24h，固定化细胞用量为1kg/L，。
柴油总硫采用WK-2B微库仑分析仪(江苏电分析仪器厂)分析初始总硫含量为852.1mg/L。磁性聚乙烯醇固定化R-8细胞在水相中的浓度为1kg/L，油水比为1∶2。反应24h后，柴油的硫含量从852.1mg/L降到569.9mg/L。硫脱除率为40.14％。
柴油硫组分分布采用气相色谱-原子发射光谱(GC-AED)分析柴油脱硫前后的分析结果见附表1。总硫含量为1007.2mg/L，经过脱硫后的总硫含量为584.5mg/L，总脱除率为41.97％附表1磁性聚乙烯醇载体固定化细胞脱硫前后直馏柴油中主要硫化物的分布处理后硫含量，硫化物 处理前硫含量，mg/Lmg/LC4or C5C4H4S0.99917 1.23667C5C4H4S or CH3BT 9.16583 /CH3C6H5C4H4S17.7141721.13667C9，C10ether2.09083 0.87667C2C6H5C4H4S61.2158342.1925C3C6H5C4H4S124.34167 71.93333C4C6H5C4H4S91.9916745.93583C5，C6C6H5C4H4S 107.85417 108.54DBT 50.42 30.60083C1DBT or C6BT 55.535 29.974-CH3DBT 68.887552.11417C1DBT or C6BT 120.02417 57.890834-C2H5DBT 14.5925 6.00754，6-DMDBT26.63417 14.93917C2DBT4.8725 1.75252，4-DMDBT16.814179.136672，6-DMDBT44.3508324.82333
2-C2H5DBT 1.925/3，6-DMDBT 7.8225 3.5852，8-or 3，8-or 3，7-DMDBT 44.37583 10.525831，3-DMDBT 7.88083 3.723333，4-DMDBT 9.52 1.65751，9-DMDBT 16.49083 7.759172，3-DMDBT 27.7225 13.68083C2DBT 7.81833 1.1551，2-DMDBT 15.54917 9.12667C3DBT 9.8955.26752，4，6-TMDBT8.8375 1.35417C3DBT 8.0525 1.269172，4，8-TMDBT10.35917 2.03083C#DBT 3.33417 /C3DBT 10.12583 4.2675总硫含量，mg/L 1007.2 584.权利要求
1.一种利用磁性聚乙烯醇固定化德氏假单胞菌R-8进行油品脱硫的方法，其特征如下1)保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8对数生长期或静止期细胞的制备挑取1～2环斜面保存或0.5-1毫升甘油保存的德氏假单胞菌R-8菌株，加入到体积为20-50毫升的培养基中，在30℃，170r/min的条件下培养1～2天后，再将培养后的德氏假单胞菌R-8菌株接种至含150ml上述培养基的500ml三角瓶中，摇床或发酵罐培养，5000rpm离心6min获得德氏假单胞菌R-8对数生长期或静止期细胞；将收集到的细胞用生理盐水洗涤2～3次，所得菌体悬浮于生理盐水中，得保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8菌体的生理盐水菌悬液；在4℃冰箱中放置待用；所用培养基组成如下去离子水1000ml，KH2PO42.44g；Na2HPO4·12H2O 12.03g；NH4Cl 2.0g；MgCl2·6H2O 0.4g；CaCl2·2H2O 0.001g；FeCl3·6H2O 0.001g；MnCl2·4H2O 0.004g；甘油10g，硫源为二苯并噻吩，硫酸钠或二甲基亚砜；2)亲水性磁流体的制备在盛有500ml蒸馏水的1升搅拌式反应器中按2∶1的比例加入0.086mol氯化亚铁(FeCl2·4H2O)和0.173mol三氯化铁(FeCl3.6H2O)，在N2保护下升温至90℃，倾入含0.956mol NH3·H2O水溶液，并滴加油酸约15ml，继续恒温30min，用磁铁分离后，经去离子水反复清洗，得到黑色团块状磁性Fe3O4凝胶体，加入去离子水，在搅拌下升温至50℃，加入25％的NH3·H2O数滴，凝胶溶解形成亲水性磁性Fe3O4流体3)用磁性聚乙烯醇复合载体包埋保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8菌体称取聚乙烯醇溶于去离子水、生理盐水或增殖培养基中，制成质量百分比浓度为8～20％的聚乙烯醇水溶液，加入一定体积的磁流体使其质量百分浓度为1～10％，然后与含德氏假单胞菌R-8菌体的生理盐水菌悬液均匀混合；将此混合液用针筒、滴定管或其它装置挤入到装有液氮的保温瓶或保温杯中，形成直径为1-5mm用磁性聚乙烯醇载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8细胞的小球；保温杯密封24-96h；然后，将保温杯敞开，自然解冻；解冻完成后，再次加入液氮密封24-96h；这个冷冻-解冻过程重复1-5次；用去离子水或生理盐水洗涤2-4次4)增殖培养上述固定化细胞将第3步中所制得的磁性聚乙烯醇复合载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8的固定化细胞悬浮于固定化细胞增殖培养基中，硫源为二苯并噻吩；于30℃，170r/min条件下摇床培养1～3天；所用增殖培养基组成如下去离子水1000ml，KH2PO40.24g；Na2HPO4·12H2O 1.20g；NH4Cl2.0g；MgCl2·6H2O 0.4g；CaCl2·2H2O 0.001g；FeCl3·6H2O 0.001g；MnCl2·4H2O 0.004g；甘油10g5)油品脱硫；取增殖培养活化后的磁性聚乙烯醇复合载体固定化的保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8的固定化细胞，倾去培养液，加入含硫油相和水相，进行脱硫反应，水相的体积占油水相总体积的0～50％；当硫含量降到0-30ppm以后，在外加磁场的作用下，磁性PVA固定化的细胞分离；油水相采用常用的液液分离手段分离；所述水相为生理盐水、PH＝6.0-7.0的磷酸缓冲溶液或增殖培养基。
2.按权利要求1所述的利用磁性聚乙烯醇载体由水溶性磁流体、聚乙烯醇组成。
3.按权利要求2所述的亲水性磁流体是采用共沉淀法制备的表面有油酸胺修饰的纳米尺度的Fe3O4。
4.按权力要求1所述的磁性聚乙烯醇载体的固定化程序为冷冻-解冻程序。
5.按权利要求1所述的利用磁性聚乙烯醇载体固定化保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8进行油品脱硫的方法，其特征在于，所述的油品为有机硫含量50～1000ppm的汽油，柴油和加氢脱硫柴油。
6.按权利要求1所述的利用磁性聚乙烯醇载体固定化保藏号为CGMCC 0570的德氏假单胞菌R-8进行油品脱硫的方法，其特征在于，步骤5)分离得到的固定化细胞用于含硫油品的脱硫处理，其步骤为在步骤5)分离得到的固定化细胞中加入含硫油相和水相，进行脱硫反应，水相的体积占油水相总体积的0～50％，所述水相为生理盐水或增值培养基。
7.按权力要求1所述的磁性聚乙烯醇固定化细胞，具有超顺磁性特征，能在外加磁场的作用下，方便、迅速地分离、收集。
8.按权力要求7所述的外加磁场为磁场强度为0～6000奥斯特的永磁场或电磁场。
全文摘要
本发明涉及磁性聚乙烯醇复合载体固定化德氏假单胞菌R－8进行油品脱硫的方法，将德氏假单胞菌R－8的细胞悬液、亲水性磁流体、聚乙烯醇水溶液混合均匀，通过重复的冷冻－解冻程序制得磁性聚乙烯醇固定化细胞颗粒；然后增殖培养该固定化细胞用于油品脱硫；该磁性固定化细胞可以多次重复使用。上述方法的固定化细胞活性高、稳定性好、易于回收生物催化剂重复使用，并可避免游离细胞脱硫反应所产生色素对油品的污染；聚乙烯醇价格便宜，生物相容性好；在外加磁场作用下，磁性载体分离迅速、方便。制备工艺简单，回收简单快速，生产成本低，并易于在工业上应用。
文档编号C12S1/00GK1616604SQ200310113440
公开日2005年5月18日 申请日期2003年11月11日 优先权日2003年11月11日
发明者单国彬, 邢建民, 刘会洲 申请人:中国科学院过程工程研究所