應用微生物第二章-第二節(jié)-微生物脫硫、濕法冶金和燃料電池-課件(1)

1、第二章 微生物與能源第二節(jié) 微生物脫硫、濕法冶金、燃料電池微生物冶金生物氣和生物質燃料生物電池能源生物技術在能源開采、加工、制造過程中建立起的生物技術方法微生物油氣勘探微生物煉制微生物采油 微生物脫硫（MBDS）技術Microbial desulfurization定義：生物脫硫技術是一種在常溫常壓下利用需氧或厭氧菌去除結合在雜環(huán)化合物中的有機硫的一種新技術。原理：脫硫細菌中的酶可以有選擇地氧化硫原子進而切開碳硫鍵，而利用脫除的硫作為生長所需的硫源。一、燃料油脫硫的必要性全球工業(yè)化進程的迅猛發(fā)展使國內外燃料油用量越來越大燃料油主要來自原油不同來源的燃料油硫含量重量0.03-10%含硫固體燃料或

2、液體燃料 H2S，SO3，SO2危害：1、腐蝕作用。H2S遇水成酸H2S酸MgCl2或CaCl2 HCl酸（腐蝕設備）2、SO2或SO3與水蒸氣化合成H2SO3或H2SO4酸雨，嚴重影響生態(tài)環(huán)境和人們的正常生活限制燃料油中的含硫量法規(guī)：1990年，美國“大氣清潔法修正案”規(guī)定汽油硫含量不大于燃燒100mg/L，柴油硫含量不大于350mg/L；1996年，美國加州規(guī)定燃料油硫含量的標準不大于30mg/L；目前我國石化公司和環(huán)保局規(guī)定柴油含硫最高800mg/L，汽油最高300mg/L；歐美規(guī)定柴油50mg/L，汽油15mg/L。二、原油中的含硫組分三、燃料油脫硫的常用方法 長期以來，煉油工業(yè)一般采

3、用堿洗的辦法來脫除油品中的硫化物，這一方法較為簡單，但存在環(huán)境污染嚴重，脫硫效率低等諸多問題。原油通過堿洗，可以去除絕大部分硫化物，但卻產生大量的含硫廢水，如果不加以妥善處理，對環(huán)境的危害會相當嚴重。此外，由于堿洗對有機硫化物的脫除率不高，油品中還含有不同程度的有機硫化物。 加氫脫硫法（Hydro-Desulfurization，簡稱HDS）是從燃料油中脫硫的一種傳統技術。在加氫脫硫過程中，石油餾分在無機催化劑和氫氣的催化下在高溫高壓下將有機硫分子轉化成H2S，H2S經過處理生成元素硫。但是加氫脫硫成本高，而且效率很低。特別是它對脫除有機硫，尤其是帶苯環(huán)的硫化合物效果很差。四、燃料油生物脫硫的

4、機理1. Kodama途徑1973年Korki KodamaP. alcaligenes 1974年VEB缺點2.“4S”途徑脫硫菌可以經過4步反應將硫原子從DBT上脫下來，生成硫酸根，而烴結構以二羥聯苯（2-HBP）的形式得以保持，因此這條途徑被稱之為“4S”途徑。五、脫硫細菌能以4S途徑脫硫的菌種：1988年，Kilbane首次分離玫瑰紅球菌（Rhodococcus rhodochrous IGTS8）。1994年，Izumi等分離出紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis D-1）。1998年，Rhee等分離到戈登氏菌（Gordona sp. CYKS1）。2001年

5、，李福利等分離到古地分支桿菌（Mycobacterium goodii X7B）其它Paenibacillus sp.，Godona sp., Nocardia sp., Bacillus sp., Pseudomonas sp.和Corynebacterium sp. 經4S途徑的脫硫細菌不能以DBT作碳源，以脫下的SO32-作硫源，因此DBT只作硫源。思考：R. erythropolis能否在如下培養(yǎng)基上生長？KH2PO4，Na2HPO4，FeCl3，CaCl2，MgCl2，NH4Cl，DBT菌株篩選：好氣培養(yǎng)富集培養(yǎng)： KH2PO4，Na2HPO4，FeCl3，CaCl2，MgCl2，N

6、H4Cl，Glc，DBT（乙醇溶），pH 7.2平板分離：加入Glc能否生長？脫硫效果評價： DBT2羥基聯苯（與Gibbs試劑反應在OD610下呈藍色）菌株Gibbs試劑：2,6-二氯醌-4-氯酰亞胺用2羥基聯苯生成量，菌體細胞生長量評價脫硫效果六、生物脫硫的轉運模型七、工程菌的遺傳改造DszA:DszB:DszC=11:3.3:1Overlap七、工程菌的遺傳改造dszAdszBdszCS10 3.3 111 5 1DBT2-HBPDBTO2DszCDszADszBP2-HPBS七、工程菌的遺傳改造Fig. Amplification plots of rearranged dsz ope

7、ron in the recombinant Rhodococcus sp.DRBA dszB, B NADH dehydroxygenase gene, C dszC, D dszA.DszB:DszC:DszA=11:5:1七、工程菌的遺傳改造八、生物脫硫工藝生長細胞：微生物在生長過程中利用脫除的硫作為硫源供自身生長繁殖需要，此時細胞所需硫源有限，且有反饋抑制。固定化細胞（immobilized cells）是將具有活性的微生物細胞包埋或吸附在固相介質上，通過介質傳遞底物和催化劑進行反應。其優(yōu)點是可利用疏水性載體接近油相，提高底物接觸效率；此外脫硫后催化劑和反應體系便于分離。休止細胞（re

8、sting cells）法發(fā)酵是利用微生物自身生長代謝產酶的特點或是誘導產酶的特性將微生物培養(yǎng)到對數生長末期，分離菌體并以一定濃度重懸在生理緩沖液中，利用菌體已經大量產生的酶作用底物的方法，此時微生物已經基本停止生長代謝，但保持有系列酶的活性。休止細胞的主要優(yōu)點是反應專一性強，可以提高底物轉化率，不易污染雜菌，可以減少產物對菌體生長及酶合成的抑制，是提高生物脫硫效率的途徑之一。4飽和硼酸-CaCl2溶液恒流泵包埋劑磁力攪拌器 恒流泵固定化細胞DBT緩沖液海藻酸鈉-PEG、海藻酸鈉-PVA 瓊脂 、Dowex-1樹脂 、有機硅橡膠油水比例的選擇：15%休止細胞與生長細胞脫硫效果比較：平均脫硫率比

9、生長細胞高出15以上 。休止細胞對柴油的重復脫硫實驗固相化細胞處理：PVA-海藻酸鈉作固定化載體平均使用5次，每次作用柴油24小時脫硫速率：0.142mg/g cell 純重/小時第四節(jié) 細菌濕法冶金 微生物濕法冶金（MBDS）技術Microbial hydromtallurgy定義：生物冶金技術，又稱生物浸出技術，通常指礦石的細菌氧化或生物氧化，由自然界存在的微生物進行。微生物冶金的原理 細菌直接作用浸礦 細菌對礦石存在著直接氧化的能力，細菌與礦石之間通過物理化學接觸把金屬溶解出來。某些靠有機物生活的細菌，可以產生一種有機物，與礦石中的金屬成分嵌合，從而使金屬從礦石中溶解出來。 細菌間接作用

10、浸礦 細菌能把金屬從礦石中溶浸出來是細菌生命活動中生成代謝物的間接作用 ，例如細菌作用產生硫酸和硫酸鐵，然后通過硫酸或硫酸鐵作為溶劑浸提出礦石中的有用金屬。一、研究和開發(fā)應用概況1958年美國用細菌浸出銅研究和工業(yè)應用成功；1996年加拿大用細菌浸出鈾研究和工業(yè)應用成功；目前，南非金科公司用細菌浸金法日處理金礦石35t，細菌浸出時間12天，金浸出率95以上；世界有20多個國家開展了微生物在礦冶工業(yè)中的應用研究我國1094年就有微生物濕法冶金的記載：北宋張甲撰著浸銅要略：用“膽水浸銅”，“以鐵投之，銅色立變”Cu2S CuSO4 CuSO4+Fe FeSO4+Cu輝銅礦 藍色，可溶性Cu2+19

11、72年，用細菌法浸出銅/鈾伴生礦1976年，完成高硫錳礦細菌浸出半工業(yè)性試驗1977年，完成高硫錫礦細菌浸出半工業(yè)性試驗1994年，在陜西首先進行大噸位黃鐵礦型貧金礦細菌堆浸試驗1995年，在云南省對堆浸金礦細菌氧化預處理試驗二、濕法冶金的微生物學原理FeCuSO4 FeSO4CuCu2SFe2(SO4)3 CuSO4FeSO4S 外加入啟動反應 Cu+1、S2-被氧化，Fe+3被還原4FeSO42O22H2SO4 2Fe2(SO4)32S3O22H2O 2H2SO4氧化亞鐵硫桿菌氧化硫硫桿菌銅氧化浸出劑推動循環(huán)反應的兩類化能自養(yǎng)菌：氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferroxida

12、ns）化能無機自養(yǎng)型：Fe2+ Fe3+ATP，CO2為碳源G-，棒狀，單極生鞭毛，運動，有纖毛與粘液層，菌體可吸附到礦石上，中溫嚴格嗜酸菌顯微鏡下小菌落，周圍有褐色Fe3+沉淀；Fe3+濃度升高，菌落長大1mm，Fe3+鹽沉淀，菌落變硬。FeSO4固體培養(yǎng)，pH2.0氧化硫硫桿菌（Thiobacillus thiooxidans）化能無機自養(yǎng)型：S S6+ATP，CO2為碳源G-，短桿，極生鞭毛運動，含硫磺，pH 4.0培養(yǎng)基生長三、濕法冶金有關菌類1、中溫硫桿菌屬（Thiobacillus）2、中溫鉤端螺菌屬（Leptospirillum） 鐵氧化鉤端螺菌（L. ferrooxidans）

13、 專一性鐵氧化無機化能自養(yǎng)菌：Fe2+ Fe3+ATP 在浸礦系統中常和亞鐵氧化硫桿菌協同作用3、嗜高溫硫化桿菌屬（Sulfobacillus） 有的種類以Fe2+為能源，有的種類以硫磺為能源4、嗜酸嗜熱古生菌（Thermoacidophili archaebacteria） 四個屬的菌均為好氧，極度嗜熱嗜酸 氧化硫化物產能四、菌種的篩選與馴化1、采樣（浸礦微生物可能存在的地點） 礦山、礦堆、尾礦中流淌出來的酸性水；礦石本身；熱泉或礦漿熔巖2、富集與馴化 氧化亞鐵硫桿菌，氧化硫硫桿菌兼性營養(yǎng)培養(yǎng)基 (NH4)2SO4, K2HPO4, MgSO47H2O, Ca(NO3)2, CaCl2, K

14、Cl, FeSO4, 硫磺, 酵母膏或其它有機物, Cu2S礦石粉, pH 3。 加入采集樣品 菌體細胞 菌體細胞 108109/ml菌液（完全自養(yǎng)，對Cu2+耐受）好氣培養(yǎng)，30加大Cu2S量減少酵母膏等去除酵母膏等加大Cu2S量五、細菌浸出擴大試驗（工業(yè)級）1、攪拌浸出耐酸反應罐：攪拌，加熱，通氣，冷卻化能自養(yǎng)培養(yǎng)基，外加Fe2(SO4)3Cu2S破碎顆粒，混合菌種CuSO4溶液（Cu2+浸出液）2、堆浸處理大噸位貧礦，廢礦，尾礦美國紐蒙特礦業(yè)公司黃金公司100萬噸級處理低品味難選冶金礦生物堆浸場閘門斜面地基營養(yǎng)液菌液3、原位浸出礦床自然形成或人工爆破形成裂縫注入營養(yǎng)液菌液使金屬溶解到細菌

15、浸液中浸銅、浸鈾第五節(jié) 微生物燃料電池 微生物燃料電池（MFC）Microbiological fuel cell定義：是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。原理：在陽極室厭氧環(huán)境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流。新的發(fā)電方式：細菌發(fā)電一、化學燃料電池陽極陰極e-e-AH2e-+H+催化劑被還原物質燃料：液體H2催化劑電極反應產生電流H2作為電極活性物質微生物電池（Microbial fuel cell）： 燃料（營養(yǎng)物）在微生物作用下，產生電極活性物質，經電極化學反應產

16、生電流的裝置 微生物電池是由微生物作催化劑引發(fā)的氧化還原反應。生物電池分類：按催化劑分類 微生物電池：微生物細胞作催化劑，營養(yǎng)物作原料 酶生物電池：酶作催化劑，底物作燃料 光合生物電池：藻類和光合細菌作催化劑，有機供氫體和光能作燃料二、微生物電池陽極：燃料Glc；催化劑：E. coli；電極活性物質：2H陰極：接受電子的氧化劑O2經典的生物電池三、有機廢水微生物電池陽極陰極e-e-AH+IIH2有機廢水BOD660ppm 水 IIIBOD 50ppm空氣O2II：產氫細菌反應器（固相化細胞）II：氫氧型電池：H2是電極活性物質III：好氣型細菌反應器（固相化細胞）I，III：廢水處理II：發(fā)電聯合裝置四、光合微生物電池陽極陰極光照A2H+2e- H2深紅螺菌GlcNH3e-光照e-e-無機鹽培養(yǎng)基非放氧光合作用固氮酶海水培養(yǎng)基電子受體O2Glc藻類放氧光合作用陽極區(qū)：無機鹽培養(yǎng)基作陽性溶液，深紅螺菌作催化劑， Glc作燃料，固氮時產生的H2作電極活性物質。陰極區(qū)