张易航

（长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100）

微生物技术在石油炼化中的研究应用

张易航

（长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100）

微生物处理技术作为石油领域中的技术新方向，如今在石油的生产、炼制、加工处理以及污染防治等方面开始逐步崭露头角。早期生物技术在石油领域中的应用仅限于在提高原油采收率上，而如今生物技术在石油领域的发展已经延伸至原油的炼制及加工处理等方面，本文综述了微生物处理技术在石油开发生产下游领域中的研究运用，并展望了其良好的应用前景及发展潜力。

石油领域；微生物处理技术；炼制；下游领域

生物技术是指人们基于现有生命科学中的科学原理，对生物体或生物原料加以技术改造以获得人们所需产品或达到某种目的的一种新兴技术手段。在现今社会中，是农业、食品业、医药业以及环境保护业中不可或缺的重要组成部分[1,2]。其中，在以微生物菌种作为生物催化剂的应用中，因其表现出了较强的抗温抗压能力，且具有成本低、污染小、副产物少等诸多优点[3，4]，使得微生物处理技术在过去的20年中开始逐渐渗透至石油加工炼制及防污处理等方面。

原油的结构组成复杂，存在像钒（V）和镍（Ni）这样一些金属络合所形成的有机金属化合物[5]和一些含氮/硫化合物以及一些降低油品且污染环境难以降解的重质组分。对此通常采用物理馏分或化学方法对原油进行加工炼制以及防污处理，但这类方法成本相对较高，且容易造成二次污染。不过，随着生物技术的飞速发展和不断深入普及，目前已广泛开展了以微生物及微生物酶对原油进行加工处理的相关研究，诸如微生物脱硫、微生物吸氧脱氮、微生物除金属杂质、微生物稠油降粘等[6，7]。可以预见的是，在不久的将来，生物技术将延伸至油气开发的其他领域，例如烃裂解、聚合作用、生物催化烷基化等[8]。在本文段中，笔者综述并点评了目前较为先进且广为发展的生物技术在石油领域炼制加工及污染治理方面的作用及优势，并展望了其未来发展中所面临的一系列挑战。

1 微生物除硫

由于绝大多数硫以噻吩、硫醚、硫醇等有机硫化物的形式存在于原油中，采用传统加氢脱硫（HDS）的方法从原油中除硫成本高昂、条件苛刻，且在对杂环分子中的硫处理效果较差。而微生物脱硫技术（BDS）因其较低的操作成本，反应条件简单等优点，有望逐步取代传统加氢脱硫的过程[9]。

自1988年美国气体技术研究院成功分离了能选择性降解二苯并噻吩（DBT）的红球菌开始，化石能源的生物脱硫工业化应用便开始逐步展开[10]。其中以红球菌为媒介，并通过结合其它菌种使DBT同单氧酶和脱亚磺酸酶进行一系列分解代谢反应生成二苯并噻吩氧化物（DBTO）、二苯并噻吩砜（DBTO2）、羟基联苯亚磺酸盐（HPBS）以及羟基联苯（HBP）来实现联合脱硫[11]。或通过基因重组和定向演化来拓宽菌体基质的特异性以提升微生物菌对DBT和苯并噻吩（BT）的作用效果[12]。也可以采用胞外过氧化物酶来作为石油炼制过程中的生物催化剂，在水溶液体系中，利用过氧化物酶处理并结合蒸馏法降低原油中的含硫量，同样具有较为可观的应用前景。CaroA[13]等通过调查研究研究发现，相比于传统水溶液体系，微生物脱硫在两相水溶性烷烃溶剂体系中表现出更高的脱硫率，对原始原油的微生物脱硫的脱硫程度提高了20%～90%不等，这说明反应体系对微生物脱硫效果也起着极大的作用。

进行微生物脱硫反应的相关设备主要有乳化液相接触反应器、搅拌式反应器及气升式反应器。由于原油料和生物催化剂在生物反应器中要求能悬浮于水相之上且形成连续相以保证充分的接触，在反应起始阶段，不同类型的环流生物反应器需尽量避免由于机械搅拌和剪切作用而导致微生物细胞结构发生破坏[14]。目前针对该情况使用较广的是多级气升式反应器，该反应器能有效减少混合成本，具备较强的反应动力且能获得更多的氧气利用率，在同一体系中能保证生物催化剂的持续增长和再生。此外，利用纳米材料（酶/微生物菌同纳米材料协同作用）的包覆作用使酶/微生物菌的抗机械剪切提升也是一种较为前沿的改进方式，并已逐步展开了相应的实验研究[15]。

2 微生物除氮

原油中的含氮化合物是由吡咯类、吲哚类和咔唑组成。其中咔唑不仅有毒且致癌，而且是HDS过程中的引发抑制剂。其转化为碱性衍生物后会吸附于裂解酶的催化活性中心，毒害催化剂，同时所产生的含氮化合物对环境也会造成一定污染。

常用的除氮微生物菌种有产碱杆菌、芽孢杆菌、拜叶林克氏菌、伯克氏菌、丛毛单胞菌、分枝杆菌、假单胞菌、沙雷氏菌以及黄单胞菌等，这些菌种主要针对于吲哚、吡啶、喹啉以及咔唑化合物的处理，其中吡咯和吲哚能够被轻易降解，但咔唑对微生物催化作用则表现出一定的抗性[16]。为此，Castorena G[17]等通过将伯克霍尔德氏菌通过生物膜固定于填充式反应器中，利用其在填充式反应器中所呈现出的较高活性，实现了对存在于含气原油和轻质油混合物中咔唑的降解，但还存在降解不完善等问题。目前也有研究证实假单胞菌属中含有可降解咔唑的相关基因，或可通过克隆的手段以产生能够转化芳香族化合物（如咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、二苯并呋喃、二苯并噻吩、二苯并对二噁英、芴、萘、菲、蒽和荧蒽）的重组菌株，也可使假单胞菌通过双重氧化、裂解以及水解作用将咔唑降解为邻氨基苯甲酸和2-羟基-2,4-二烯酸[18]。

然而在实际操作处理中，脱氧和脱硫过程还需要相互结合考虑，有效的生物脱硫和生物脱氮过程需要通过特定的酶对C-N和C-S键分别进行攻击以除去硫和氮，但又不能对C-C键进行攻击，以避免残余相中化石能源物质的流失。针对该项问题，有报道称戈尔多尼亚菌株F.5.25.8在实验研究阶段具备同时代谢DBT和咔唑的能力[19]。

3 微生物除金属杂质

沥青质是含有芳香族、脂肪族以及一些杂原子和重金属的高分子化合物。其复杂的分子结构中包含硫（0.3%～10.3%）、氧（0.3%～4.8%）、氮（0.6%～3.3%）以及一些金属元素（Fe、Ni和V）。尽管目前已经证实了微生物可以同沥青或沥青质相结合，但仅限于部分易受酶或微生物作用影响的馏分组成。Jack TR[20]等实验发现，来自芽孢杆菌、大肠杆菌中的一些血红蛋白如氯化物过氧化物酶，细胞色素C过氧化物酶，细胞色素还原酶和木质素过氧化物酶均可以实现对沥青质部分的生物催化，同时能从石油卟啉和沥青质中除去Ni和V。这是因为生物催化剂与重油在杂原子和有机金属位点处存在相互作用，将重极性馏分重新分散和分裂成更轻的馏分，从而促进除去Ni和V。Yap CL[21]等在相关实验中发现使用氯化物过氧化物酶进行酶催化处理，从镍八乙基卟吩中除去了高达93%的Ni，从钒基八乙基卟吩中除去了53%的V，占据了重质原油沥青质Ni、V总含量的20%。

同样用酶类也可以处理除金属外的其他化石能源，包括原油、馏分物、沥青、焦油和其余衍生物。尽管细胞色素还原酶和氯化物过氧化物酶在原油金属去除方面确实具有一定的潜在价值，但要真正进行商业化推广还需对微生物处理金属杂质的效果方面做进一步改进和完善。

4 微生物稠油降黏

近年来，随着原油生产开发力度的不断增大，使得高品质轻质原油逐年匮乏，从而形成了利用细菌菌种（诸如硫杆菌、无色杆菌、假单胞菌和硫化叶菌等）进行重质原油生物化学转化为轻质原油的研究[22]。该处理过程也称为生物裂解作用，是利用生物技术来改善重油油品以满足市场对高品质轻质油需求的一项新兴途径[23]。其具体方法是通过提高这些细菌在高温高压、不同矿化度以及不同碳氢化合物浓度下的生物适应性，随后将其引入至含原油的水溶液中，并在50～65℃下进行细菌培养催化，这样处理后的原油仍含有约24%～40%的硫，氮，氧和金属杂质。经过相关研究推断，在该反应中，微生物主要是针对于杂原子和有机金属氧化物以及碳氢化合物的降解，通过缩短烷烃链并允许释放较小的分子以实现对沥青质的解聚。Le Borgne S[24]等在实验中也验证了该项推论，通过实验发现饱和链的浓度从C8到C26的增量足以说明高分子量烃发生了降解，这极可能是烷烃发生降解所致，具体结果还需从微生物反应过程中分子的转化和代谢途径入手。

5 含油污泥的生物降解

原油及其炼化后的污泥中大多数分子微粒是可通过微生物进行降解分离的，且具有该能力的微生物菌种普遍存在。但对复杂烃类进行生物降解通常需要多种降解型微生物共同作用，这是由于单一的微生物菌种只能代谢有限的烃类。为此通常需要整合具有全面而广泛的代谢降解能力的混合菌群来增加含油污泥的降解速率和降解程度。微生物菌落中有一些起重要作用的降解酶、生长因子，而其他一些可以产生生物表面活性剂，导致疏水性烃的增溶性加强，以便更好地降解。同时，由于成藏环境以及化合物的性质和化学特征等因素影响，含油污泥中常包含萘、、菲等环芳香族碳氢化合物(PAHs)以及苯、甲苯、乙苯和二甲苯异构体等BTEX化合物，而这两类化合物在诸多国家已被列为首要污染物之一[25]。PAH和BTEX化合物的生物利用度和生物降解程度受土壤颗粒中污染物的分布状况以及被污染土壤的老化情况的影响。在自然环境中，碳氢化合物可被包括细菌，酵母和丝状真菌，藻类，蓝细菌和一些在自然界广泛分布的微生物所降解。其中最为常见和有效的烃降解杆菌菌属有不动杆菌、产碱杆菌、节杆菌、无色杆菌、芽孢杆菌、黄杆菌，而酵母菌菌属则有假丝酵母菌、红酵母菌以及孢子菌[26]。

对于含油污泥中存在的饱和烃类，正烷烃通常是较易降解的组分之一[27]。正烷烃以链长度为划分依据可分为3类：低级烷烃（C8～C16），中等烷烃（C17～C28）和高级烷烃（C28）。目前，关于正烷烃进行微生物降解处理的相关研究结果较为乐观，主要由于微生物处理后使得溶解度增加且界面张力开始降低造成正链烷烃能更快地降解至C16碳链长度。

而含油污泥中的树脂和沥青质通常难以被生物所降解，同时其降解代谢的途径也还不为所知。不过，近年来Mousavi SM[28]等通过以假单胞菌和芽孢杆菌的细菌菌株为基础原料，并分别进行单一和混合式培养，结果发现混合式培养后的菌种对沥青质的降解率达到了48%，该实验结果的出现使得含油污泥中的重质组分的清除成为可能，为微生物降解代谢的广泛普及提供了可能性。

6 展望

目前，尽管微生物在原油炼制方面的研究已经取得了很大的进展，但离商业化并投入实际生产仍有一定差距，一些菌种的作用效果仍有待改改进和提升，相关的实验研究还需全面完善。尽管如此，这种以生物物质为原料，通过生物转换作用来结合原油炼化及污染治理的方式却以其低成本、污染小等诸多优势，对传统炼化方式造成了一定程度的冲击，有效克服了传统物理蒸馏、化学炼化中所呈现的诸多缺点，也迎合了国家推行的产业结构升级、经济结构战略性调整的发展模式，有着良好的发展前景。

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Research progress of microbial technology in petroleum refining and chemical engineering

ZHANG Yi-hang
（Petroleum Engineering College of Yangtze University，Wuhan 430100,China）

As a new direction in the field of oil technology,Microbial treatment technology nowadays begin to cut a striking figure gradually in the oil production,refining,processing,pollution control and other aspects.The application of early biotechnology in the field of oil is limited to the improvement of crude oil recovery,and now the development of biotechnology in the field of oil has been extended to the refining and processing of crude oil,etc.This paper reviews the microbial treatment technology in oil development production downstream of the use of the field,and look forward to its good application prospects and development potential.

oil field;microbial treatment technology;refining;downstream areas

TE23

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170940

2017-04-07

张易航(1992-)，男，在读硕士，主要从事油气田开发。