利用分枝杆菌深度脱除化石燃料中有机硫的方法 (一)技术领域
本发明涉及利用耐热菌脱除化石燃料中有机硫的方法，具体地说涉及利用分枝杆菌深度脱除化石燃料中有机硫的方法。(二)背景技术
随着汽车排放控制新技术的发展和应用，以及对燃油质量的深入研究，国际上对燃料油的硫含量要求越来越严格。化石燃料的燃烧，产生大量的有毒气体SO2进入大气，造成严重的空气污染，同时也是产生酸雨的主要原因。为了保护环境，要求使用低硫含量的化石燃料。目前世界上低硫含量的化石燃料储备正在急剧减少，需要对含硫高的化石燃料进行脱硫处理。化学脱硫方法—加氢脱硫(Hydrodesulfurization，HDS)通过催化过程，将有机硫转化成H2S气体，反应是在1～20Mpa的压力和290～450℃的温度下进行的。由于对化石燃料中的硫含量有严格规定，再加上HDS方法耗费比较高，而且难以深度脱去化石燃料中的有机硫，而生物催化法脱硫(Biodesufurization，BDS)便宜，在常温下即可进行，并且具有高专一性，因此发展一种化石燃料的生物脱硫方法已是十分必要。这使得BDS方法成为一种可供选择的方法，和HDS方法一起或者直接代替该方法进行石油的深度脱硫。
化石燃料中的有机硫主要是二苯并噻吩(Dibenzothiophene，DBT)，于是生物脱有机硫的研究也就以DBT为模式化合物进行。现在已经发现许多微生物，沿着烃降解途径(Hydrocarbon degradative pathway)降解DBT，在脱去有机硫的同时，往往也破坏碳-碳键，从而导致燃料热值减少而不可取。同时，也发现一些微生物如红球菌属(Rhodococcus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、棒杆菌属(Corynebacterium)和节杆菌属(Arthrobacter)等，能够沿着硫专一途径(Sulfur-specific pathway)降解DBT，它们不打开环，从而保留了燃料地热值，成为近年来研究的热点。
据相关报道：戈登氏(Gordona)菌对于中馏分的脱硫率为70％，对于轻的瓦斯油为50％；红球菌(Rhodococcus sp.)ECRD-1能够将直馏油的中组分的硫脱除30％，同时将另外35％的硫变成氧化的形式。美国的能源生物系统公司(EnergyBiosystems Corp.)使用一株经过基因工程改造的菌株红平红球菌(Rhodococcuserythropolis)I-19，将一种经过加氢处理的中馏分的石油的硫含量从1850ppm降到615ppm，达到67％的脱除率。日本的研究者曾经筛选到一株能够在50℃条件下以DBT为唯一硫源生长的菌株，但是脱除硫的效率比较差，而且在常温下几乎没有活力。上述诸菌及其在脱硫的实际应用中，存在如：对温度要求比较严格，工艺复杂，脱硫率比较低等不足。
由于大多石油化合物的处理是在高温高压下进行，那么把原料冷却下来再进行生物过程处理就不太经济；耐热微生物抗热能力强、酶系统稳定性好；提高温度有利于脱硫反应的进行。因此，围绕筛选一些较有价值的、可专一性地脱除DBT和其他噻吩类化合物中有机硫的菌株，并进一步应用于化石燃料的脱硫中的工作，也是目前本领域急需研究和解决的课题。经检索关于利用兼性耐热菌分枝杆菌深度脱除化石燃料中的有机硫的方法的专利及相关文献，至今未见报道。(三)技术方案
本发明的目的是针对上述不足，提供一种利用兼性耐热菌分枝杆菌深度脱除化石燃料中有机硫的方法。
本发明的利用分枝杆菌深度脱除化石燃料中有机硫的方法，其步骤顺序如下：
(1)菌种选择：选用分枝杆菌中古的分枝杆菌(Mycobacterium goodii)DSM44492，〖该菌株保藏于德国典型微生物收藏中心(Deutsche Sammlung vonMikroorganismen und Zellkulturen GmbH，Braunschweig，Germany)〗，草分枝杆菌(Mycobacterium phlei)ATCC 354〖该菌株保藏于美国典型微生物收藏中心(12301Park Lawn Drive，Rockville，Md.20852)〗，草分枝杆菌(Mycobacterium phlei)ATCC11728〖该菌株保藏于美国典型微生物收藏中心(12301 Park Lawn Drive，Rockville，Md.20852)〗，分枝杆菌(Mycobacterium sp.)ATCC 9823〖该菌株保藏于美国典型微生物收藏中心(12301 Park Lawn Drive，Rockville，Md.20852)〗，分枝杆菌(Mycobacterium sp.)ATCC 11761〖该菌株保藏于美国典型微生物收藏中心(12301Park Lawn Drive，Rockville，Md.20852)〗之一；
(2)斜面培养：将上述菌株接种于含有1.5～2.0％的琼脂糖并加有0.1～2.0mmol/L DBT的MAM固体斜面培养基上，25～50℃培养菌体20～30小时；
(3)一级种子培养：将步骤(2)培养的菌株，无菌条件下用接种环接1～4环于20～100mL含有0.1～2.0mmol/L DBT的MAM液体培养基中(使用300～500mL三角摇瓶)，25～50℃条件下，在摇床上振荡培养20～30小时，制得一级种子；
(4)扩大培养：以5％(体积比)接种量，接一级种子于300～1000mL含有0.1～2.0mmol/L DBT的MAM液体培养基中(使用1～5L三角摇瓶)，25～50℃条件下，在摇床上振荡培养20～30小时，制得二级种子；
(5)发酵罐培养：以5％(体积比)接种量，接二级种子于1.8～8L含有0.1～2.0mmol/L DBT的MAM液体培养基中(使用2～10L德国贝朗全自动发酵罐)，25～50℃条件下，培养20～30小时；
(6)收集菌体：在5000转/分条件下离心5～8分钟，收集步骤(5)制得的菌体，并用生理盐水洗涤2～3次；再将菌体溶于120mL的20～100mmol/L的磷酸钾缓冲液中，调节pH至7.5，使菌体的浓度达到10～30克干细胞/升，即制得生物催化剂，在-20℃储存，备用；
(7)处理样品：加入12～40mL含硫化石燃料样品或10～30克固体含硫化石燃料样品，以3～10∶1的比例，将步骤(6)中的生物催化剂与化石燃料混合(Water-to-oil ratio，WOR)，在25～50℃条件下，180转/分钟振荡24～30小时；
(8)分离样品：以10,000转/分离心5～10分钟，分离步骤(7)中处理的样品，得到油相；
(9)样品检测：待步骤(8)中的样品分离完之后，取1～5μL样品进样(WK-2D微机综合动态微库仑分析仪，江苏电分析仪器厂)，测定化石燃料中残留的硫含量，得出脱除率。
在上述利用分枝杆菌深度深度脱除化石燃料中有机硫的方法中，步骤(1)中所述的菌种选择古的分枝杆菌(Mycobacterium goodii)DSM 44492。
步骤(2)、(3)、(4)、(5)中所述的菌体培养温度是37～45℃。
步骤(2)、(3)、(4)、(5)中所述的菌体培养时间是24～28小时。
步骤(2)、(3)、(4)、(5)中所述的二苯并噻吩(DBT)浓度为0.2～0.5 mmol/L。
步骤(6)中所述的生物催化剂是指休止细胞、含有脱硫酶的细胞组分、分离纯化脱硫酶系之一或其组合物。
步骤(6)中所述的生物催化剂的菌体浓度是15～25克干细胞/升。
步骤(7)中所述的化石燃料是石油，煤，褐煤，沥青之一。
步骤(7)中所述的生物催化剂与化石燃料的比例为5～8∶1。
步骤(7)中处理样品的温度为37～45℃，样品振荡时间为25～28小时。
在上述利用分枝杆菌深度脱除化石燃料中有机硫的方法中，涉及的菌株使用改良A培养基(Modification of A Medium，MAM)，配方如下：
葡萄糖 10克
KH2PO4 0.5克
K2HPO4 4克
NH4Cl 1克
1％CaCl2 2毫升
10％MgCl2·6H2O 2毫升
1％FeCl3 200微升
5％NaCl 200微升
1％酵母膏 5毫升
维生素混合液 200微升
金属离子混合液 5毫升
加蒸馏水到1升，115℃条件下灭菌20分钟。
上述培养基中金属离子混合液的配方如下：
ZnCl2 0.5克
FeCl2 0.5克 加蒸馏水到1升。
MnCl2·4H2O 0.5克 上述培养基中维生素混合
Na2MoO4·2H2O 0.1克 物的配方如下：
CuCl2·2H2O 0.05克
Na2WO4·2H2O 0.05克
HCl 120mmol/L
泛酸钙(Calcium pantothenate) 400毫克
肌醇(Inositol) 200毫克
尼克酸/烟酸(Niacin) 400毫克
VB6(Pyridoxine hydrochloride) 400毫克
对氨基苯甲酸(p-aminobenzoic acid) 200毫克
VB12(Cyanocobalamin) 0.5毫克
加蒸馏水到1升。
在上述培养基中添加二苯并噻吩(DBT)或者二甲基亚砜，使其浓度为0.5mmol/L，作为培养菌株的硫源。
由于大多石油化合物的处理是在高温高压下进行，那么把原料冷却下来再进行生物过程处理就不太经济。本发明涉及的分枝杆菌，能够在25～50℃宽泛的条件下生长、脱硫，达到了较高的脱除率。其脱硫的主要途径反应式如下：其中，DszC：DBT单加氧酶；DszA：DBT-砜单加氧酶；DszB：HBPS脱亚磺酸酶
经过加氢精制处理的柴油，其中大部分含硫化合物如硫醇、硫化物都已经通过加氢处理除去，硫含量只有205ppm，剩余的主要是加氢过程难以处理的噻吩型含硫有机化合物(实验用加氢精制柴油由抚顺石油研究院提供)。本发明采用的古的分枝杆菌能够在比较宽泛的温度条件下进行深度脱硫，将加氢精制柴油的硫含量从205ppm降到19.8ppm，脱除率达到了90.3％，能够在脱硫后直接应用，完全达到严格的环保要求。而对比实验中的下述几株菌株，对加氢精制柴油的处理结果显示脱除率较低，红球菌lawq为80％，红平红球菌IG为69.1％，假单胞菌ZCR为58.5％(结果见表1)。
表1 细菌处理加氢精制柴油的结果
分析结果使用细菌
处理前 处理后 脱除量 脱除率(％)红球菌lawqa 205# 41.0 164.0 80.0红平红球菌IGa 205 63.3 141.7 69.1古的分枝杆菌b 205 19.8 185.2 90.3假单胞菌ZCRa 205 85.0 120.0 58.5#单位是ppm硫；a是30℃，b是45℃。(四)具体实施方式实施例1：利用分枝杆菌深度脱除柴油中有机硫的方法
(1)菌种选择：选用分枝杆菌中古的分枝杆菌(Mycobacterium goodii)DSM44492；
(2)斜面培养：将上述菌株接种于含有1.8％的琼脂糖并加有0.5mmol/L DBT的MAM固体斜面培养基上，45℃培养菌体30小时；
(3)一级种子培养：将步骤(2)培养的菌株，无菌条件下用接种环接2环于50mL含有0.5mmol/L DBT的MAM液体培养基中(使用300mL三角摇瓶)，45℃条件下，在摇床上振荡培养24小时，制得一级种子；
(4)扩大培养：以5％(体积比)接种量，接一级种子于300mL含有0.5mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用1L三角摇瓶)，45℃条件下，在摇床上振荡培养24小时，制得二级种子；
(5)发酵罐培养：以5％(体积比)接种量，接二级种子于1.8L含有0.5mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用2L德国贝朗全自动发酵罐)，45℃条件下，培养30小时；
(6)收集菌体：在5000转/分条件下离心5分钟，收集步骤(5)制得的菌体，并用生理盐水洗涤2次；再将菌体溶于120mL的20mmol/L的磷酸钾缓冲液中，调节pH至7.5，使菌体的浓度达到10克干细胞/升，即制得生物催化剂，在-20℃储存，备用；
(7)处理样品：加入26mL含有205ppm的硫的柴油(由抚顺石油研究院提供)，以6∶1的比例，将步骤(6)中的生物催化剂与化石燃料混合(Water-to-oil ratio，WOR)，在43℃条件下，180转/分钟振荡25小时；
(8)分离样品：以10,000转/分离心5分钟，分离步骤(7)中处理的样品，得到油相；
(9)样品检测：待步骤(8)中的样品分离完之后，取3μL样品进样(WK-2D微机综合动态微库仑分析仪，江苏电分析仪器厂)，测定柴油中残留的硫含量，得出脱除率为90.3％。实施例2：利用分枝杆菌深度脱除中馏分油中有机硫的方法
(1)菌种选择：选用分枝杆菌中草分枝杆菌(Mycobacterium phlei)ATCC11728：
(2)斜面培养：将上述菌株接种于含有1.5％的琼脂糖并加有0.2mmol/L DBT的MAM固体斜面培养基上，50℃培养菌体28小时；
(3)一级种子培养：将步骤(2)培养的菌株，无菌条件下用接种环接1环于25mL含有0.2mmol/L DBT的MAM液体培养基中(使用300mL三角摇瓶)，50℃条件下，在摇床上振荡培养28小时，制得一级种子；
(4)扩大培养：以5％(体积比)接种量，接一级种子于500mL含有0.2mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用2L三角摇瓶)，50℃条件下，在摇床上振荡培养28小时，制得二级种子；
(5)发酵罐培养：以5％(体积比)接种量，接二级种子于8L含有0.2mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用10L德国贝朗全自动发酵罐)，50℃条件下，培养24小时；
(6)收集菌体：在5000转/分条件下离心5分钟，收集步骤(5)制得的菌体，并用生理盐水洗涤2次；再将菌体溶于120mL的35mmol/L的磷酸钾缓冲液中，调节pH至7.5，使菌体的浓度达到30克干细胞/升；
(7)用超声波破碎上述制得的菌体细胞，功率600瓦，作用5秒，停5秒，破碎40分钟，然后10,000转/分离心10分钟，收集上清液制得含有脱硫酶的细胞组分作为生物催化剂；
(8)处理样品：加入15mL含有310ppm硫的中馏分油，以9∶1的比例，将步骤(7)中的生物催化剂与化石燃料混合(Water-to-oil ratio，WOR)，在45℃条件下，180转/分钟振荡26小时；
(9)分离样品：以10,000转/分离心5分钟，分离步骤(8)中处理的样品，得到油相；
(10)样品检测：待步骤(9)中的样品分离完之后，取3μL样品进样(WK-2D微机综合动态微库仑分析仪，江苏电分析仪器厂)，测定中馏分油中残留的硫含量，得出脱除率为86.3％。实施例3：利用分枝杆菌深度脱除汽油中有机硫的方法
(1)菌种选择：选用分枝杆菌中草分枝杆菌(Mycobacterium phlei)ATCC 354；
(2)斜面培养：将上述菌株接种于含有2.0％的琼脂糖并加有0.4mmol/L DBT的MAM固体斜面培养基上，37℃培养菌体30小时；
(3)一级种子培养：将步骤(2)培养的菌株，无菌条件下用接种环接4环于100mL含有0.4mmol/L DBT的MAM液体培养基中(使用500mL三角摇瓶)，37℃条件下，在摇床上振荡培养24小时，制得一级种子；
(4)扩大培养：以5％(体积比)接种量，接一级种子于600mL含有0.4mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用2L三角摇瓶)，37℃条件下，在摇床上振荡培养24小时，制得二级种子；
(5)发酵罐培养：以5％(体积比)接种量，接二级种子于6L含有0.4mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用10L德国贝朗全自动发酵罐)，45℃条件下，培养26小时；
(6)收集菌体：在5000转/分条件下离心5分钟，收集步骤(5)制得的菌体，并用生理盐水洗涤3次；再将菌体溶于120mL的26mmol/L的磷酸钾缓冲液中，调节pH至7.5，使菌体的浓度达到20克干细胞/升，即制得生物催化剂；
(7)处理样品：加入40mL含有260ppm的硫的汽油，以3∶1的比例，将步骤(6)中的生物催化剂与化石燃料混合(Water-to-oil ratio，WOR)，在35℃条件下，180转/分钟振荡28小时；
(8)分离样品：以10,000转/分离心8分钟，分离步骤(7)中处理的样品，得到油相；
(9)样品检测：待步骤(8)中的样品分离完之后，取2μL样品进样(WK-2D微机综合动态微库仑分析仪，江苏电分析仪器厂)，测定柴油中残留的硫含量，得出脱除率为83.3％。实施例4：利用分枝杆菌深度脱除柴油中有机硫的方法
(1)菌种选择：选用分枝杆菌中分枝杆菌(Mycobacterium sp.)ATCC 9823；
(2)斜面培养：将上述菌株接种于含有1.5％的琼脂糖并加有1.3mmol/L DBT的MAM固体斜面培养基上，25℃培养菌体30小时；
(3)一级种子培养：将步骤(2)培养的菌株，无菌条件下用接种环接1环于25mL含有1.3mmol/L DBT的MAM液体培养基中(使用300mL三角摇瓶)，27℃条件下，在摇床上振荡培养28小时，制得一级种子；
(4)扩大培养：以5％(体积比)接种量，接一级种子于700mL含有1.3mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用3L三角摇瓶)，25℃条件下，在摇床上振荡培养29小时，制得二级种子；
(5)发酵罐培养：以5％(体积比)接种量，接二级种子于7L含有1.3mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用10L德国贝朗全自动发酵罐)，27℃条件下，培养30小时；
(6)收集菌体：在5000转/分条件下离心6分钟，收集步骤(5)制得的菌体，并用生理盐水洗涤3次；再将菌体溶于120mL的80mmol/L的磷酸钾缓冲液中，调节pH至7.5，使菌体的浓度达到30克干细胞/升，即制得生物催化剂；
(7)处理样品：加入15mL含有205ppm硫的柴油(由抚顺石油研究院提供)，以8∶1的比例，将步骤(6)中的生物催化剂与化石燃料混合(Water-to-oil ratio，WOR)，在27℃条件下，180转/分钟振荡29小时；
(8)分离样品：以10,000转/分离心9分钟，分离步骤(7)中处理的样品，得到柴油相；
(9)样品检测：待步骤(8)中的样品分离完之后，取4μL样品进样(WK-2D微机综合动态微库仑分析仪，江苏电分析仪器厂)，测定柴油中残留的硫含量，得出脱除率为88.7％。实施例5：利用分枝杆菌深度脱除在中馏分油中有机硫的方法
(1)菌种选择：选用分枝杆菌中分枝杆菌(Mycobacterium sp.)ATCC 11761；
(2)斜面培养：将上述菌株接种于含有1.5％的琼脂糖并加有1.8mmol/L DBT的MAM固体斜面培养基上，30℃培养菌体27小时；
(3)一级种子培养：将步骤(2)培养的菌株，无菌条件下用接种环接1环于25mL含有1.8mmol/L DBT的MAM液体培养基中(使用300mL三角摇瓶)，30℃条件下，在摇床上振荡培养27小时，制得一级种子；
(4)扩大培养：以5％(体积比)接种量，接一级种子于900mL含有1.8mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用4L三角摇瓶)，30℃条件下，在摇床上振荡培养27小时，制得二级种子；
(5)发酵罐培养：以5％(体积比)接种量，接二级种子于8L含有1.8mmol/LDBT的MAM液体培养基中(使用10L德国贝朗全自动发酵罐)，30℃条件下，培养28小时；
(6)收集菌体：在5000转/分条件下离心7分钟，收集步骤(5)制得的菌体，并用生理盐水洗涤2次；再将菌体溶于120mL的35mmol/L的磷酸钾缓冲液中，调节pH至7.5，使菌体的浓度达到30克干细胞/升；
(7)用超声波破碎上述制得的菌体细胞，功率600瓦，作用5秒，停5秒，破碎40分钟，然后10,000转/分离心10分钟，收集上清液制得含有脱硫酶的细胞组分作为生物催化剂；
(8)处理样品：加入30mL含有310ppm硫的中馏分油，以7∶1的比例，将步骤(7)中的生物催化剂与化石燃料混合(Water-to-oil ratio，WOR)，在40℃条件下，180转/分钟振荡27小时；
(9)分离样品：以10,000转/分离心8分钟，分离步骤(8)中处理的样品，得到油相；
(10)样品检测：待步骤(9)中的样品分离完之后，取5μL样品进样(WK-2D微机综合动态微库仑分析仪，江苏电分析仪器厂)，测定中馏分油中残留的硫含量，得出脱除率为84.5％。