Способ биокаталитической анаэробной трансформации экстрактов из нефти и нефтяных фракций, содержащих химически окисленные соединения серы Российский патент 2023 года по МПК C12N1/20 C10G32/00 B01J31/02 B01J31/06 B01J37/36 B01D17/04 

Изобретение относится к биотехнологии, в частности, к способам реализации процессов, основанных на применении иммобилизованных микробных биокатализаторов, предназначенных для полной восстановительной конверсии окисленных соединений серы до неорганического сульфида в процессе метаногенеза и накопления биогаза, проводимого с внесением в метаногенный реактор в качестве субстрата для биокаталитической трансформации экстрактов, содержащих соединения серы после их химического окисления в составе нефти или разных нефтяных фракций. Такие экстракты с окисленными формами серы накапливаются с использованием полярных растворителей в процессе окислительной десульфуризации основного нефтяного сырья или нефтяных продуктов и требуют утилизации. Изобретение позволяет совместить метанногенный процесс получения биогаза, как топлива и важного источника сырья, с утилизацией отхода десульфуризации нефти и нефтепродуктов, основанной на превращении окисленных органических соединений серы в неорганический сульфид, легко отделяющийся от остальных компонентов среды.

Одной из основных существующих проблем, возникающих при обработке нефти и различных нефтяных фракций является присутствие в них органических соединений серы, которое приводит к образованию выбросов сернистых соединений в атмосферу из двигателей, коррозии аппаратуры, повышению склонности к смолообразованию крекинг-бензинов, отравлению катализаторов, применяемых в процессах вторичной переработки нефтепродуктов, а также образованию сернистого газа при сгорании топлива, попадание которого в атмосферу приводит к выпадению кислотных дождей.

В этой связи существуют жесткие нормы по содержанию остаточных концентраций органических соединений серы в составе нефтепродуктов, которые не должны превышать 5-10 ррm(=мг/л) [Houda, S., Lancelot, С., Blanchard, P., Poinel, L., & Lamonier, C. (2018). Oxidative desulfurization of heavy oils with high sulfur content: A review.//Catalysts, V. 8(9), 344]. Чтобы извлечь эти соединения серы из гидрофобной нефтяной среды проводят их окислительную обработку, в результате которой, как правило, образуются сульфоны, имеющие более полярные свойства, чем исходные серосодержащие органические вещества, и которые можно извлечь из гидрофобной среды экстракцией с применением полярных растворителей [Акопян А.В., Поликарпова П.Д., Анисимов А.В., Лысенко С.В., Маслова О.В., Степанов Н.А., Сенько О.В., Ефременко Е.Н. Глубокое окислительное обессеривание прямогонной бензиновой фракции.//Хгшическая технология, 2020. Т. 21 (8), 353-363.]. После химической окислительной десульфуризации образуется основной нефтесодержащий продукт, очищенный от серы, и побочный продукт - экстракт с разными окисленными соединениями серы, который подлежит дальнейшей обработке для удаления соединений серы (Фиг. 1).

Известны химические способы выделения окисленных органических соединений серы из экстрактов, полученных при окислительной десульфуризации нефти и нефтепродуктов, основанные на использовании разных сорбентов [Sinhmar P.S., Gogate P.R. (2020). Ultra-deep desulfurization of crude sulfated turpentine using oxidation, adsorption and novel combination approach.//Environ. Techn. Innovation, V. 18, 100682]. Однако оказалось, что эффективность сорбции разных органических окисленных соединений серы, присутствующих в экстракте, отличающихся между собой по химической структуре углеродного скелета, разная, и в результате такие способы не обеспечивают полного удаления соединений серы из экстракта даже при варьировании разных сорбентов. При этом регенерация самих сорбентов может быть осуществлена только в результате их прокаливания при высоких температурах, что приводит к конверсии всех соединений серы, задержанных сорбентом, в сернистый газ с полной утратой углеродной части этих веществ для возможной эффективной ее конверсии в ценные продукты, так как она переходит в углекислый газ.

В качестве альтернативы физико-химическим способам обработки серосодержащих экстрактов, получаемых в ходе окислительной десульфуризации нефти и нефтяных фракций, рассматриваются способы биокаталитической анаэробной трансформации экстрактов, содержащих химически окисленные соединения серы [Maslova O.V., Senko O.V., Akopyan A.V., Lysenko S., Anisimov A., Efremenko E. Nanocatalysts for oxidative desulfurization of liquid fuel: Modern solutions and the perspectives of application in hybrid chemical-biocatalytic processes.//Catalysts. 2021. V. 11 (9), 1131]. Эти способы реализуются через введение серосодержащих экстрактов в качестве ко-субстрата в метан-генерирующие реакторы со стандартным анаэробным активным илом, применяемым в процессах метаногенеза для конверсии основных органических субстратов в биогаз (смесь метана и углекислого газа), который может быть использован в качестве топлива, альтернативного природному газу.

При реализации этих способов полярный растворитель, чаще всего этанол, используемый в качестве экстрагента для извлечения окисленных форм органических серосодержащих соединений из нефтесодержащих сред, утилизируется клетками анаэробного ила в анаэробном реакторе и конвертируется в биогаз, а органические углеродсодержащие соединения серы, как правило, сульфоны тиофена и дибензотиофена) разлагаются и восстанавливаются до неорганического сульфида. При этом такие способы конверсии предполагают использование биокатализатора в виде анаэробного активного ила в иммобилизованном виде, поскольку иммобилизация позволяет сконцентрировать клетки, ввести их в таком виде в матрицу носителя и использовать длительное время, чтобы обеспечить стабильное функционирование клеток в средах сложного состава, а также достичь 100%-ную конверсию окисленных серосодержащих соединений в неорганический сульфид [Senko О., Gladchenko М., Maslova О., Efremenko Е. Long-term storage and use of artificially immobilized anaerobic sludge as a powerful biocatalyst for conversion of various wastes including those containing xenobiotics to hiogas.//Catalysts. 2019. V. 9(4), 326]. В качестве носителя в таких способах для получения биокатализатора в виде иммобилизованных клеток анаэробного ила используется макропористый криогель поливинилового спирта (ПВС), получаемый известным способом (смешиванием водного раствора ПВС с биомассой клеток, получением гомогенной клеточной суспензии, распределением ее по формам, позволяющим сформировать гранулы, замораживанием форм с указанной суспензией, их экспонированием в замороженном виде для формирования путем криоструктурирования полимерных пористых гранул с высокой механической прочностью и включенными клетками микроорганизмов, и дальнейшим их размораживанием [Senko О., Maslova О., Gladchenko М., Gaydamaka S., Akopyan A., Lysenko S., Karakhanov E., Efremenko E. Prospective approach to the anaerobic bioconversion of benzo-and dibenzothiophene sulfones to sulfide. // Molecules. 2019. V. 24(9), 1736.]. Такие гранулы с иммобилизованными в них клетками анаэробного ила могут легко перемешиваться в среде и отделяться от среды простой седиментацией, а также многократно использоваться в аналогичном процессе.

Однако главными недостатками таких известных способов являются низкий уровень трансформации окисленных серосодержащих соединений в восстановленные формы, который определяется процентным уровнем выхода неорганического сульфида от исходно введенной в процесс серы в окисленной форме (Ys, %), а также низкой скоростью самой трансформации серосодержащих соединений, определяемой как изменение их концентрации за 1 сутки (Vs, мкМ/сут) в реакционной среде. Так при реализации способа биокаталитической анаэробной трансформации этанольных экстрактов, полученных после окислительной обработки прямогонной бензиновой фракции и содержащих химически окисленные соединения серы в концентрации 56 мкМ, под действием биокатализатора в виде иммобилизованных в криогель ПВС клеток, состоящих на 100% по составу из клеток анаэробного ила, в условиях метаногенеза может быть получен выход неорганического сульфида Ys=31% при скорости трансформации Vs=1,2 мкМ/сут за 20 суток [Maslova О., Senko О. Stepanov N., Gladchenko М., Gaydamaka S., Akopyan A., Polikarpova P., Lysenko S., Anisimov A., Efremenko E. Formation and use of anaerobic consortia for the biotransformation of sulfur-containing extracts from pre-oxidized crude oil and oil fractions.//Bioresource Technology. 2021. V. 319. 124248].

Известен способ биокаталитической анаэробной трансформации экстрактов, содержащих химически окисленные соединения серы из нефти и нефтяных фракций, содержащих химически окисленные соединения серы, в котором для увеличения скорости трансформации окисленных соединений серы и повышения выхода неорганического сульфида используется биокатализатор, который вместо иммобилизованных в криогель ПВС клеток, состоящих на 100% из клеток анаэробного ила, состоит из смеси аналогичным образом иммобилизованных клеток с использованием того же носителя и способа включения клеток в носитель, при этом смесь (биокатализатор) содержит 70% (масс.) гранул криогеля ПВС с включенными в них клетками активного анаэробного ила, 10% гранул - с биомассой клетками Desulfovibrio vulgaris, 5% гранул - с клетками Clostridium acetobutilycum, 5% гранул - с клетками Rhodococcus ruber и 5%гранул - с клетками Rhodococcus erhytropolis [Maslova О., Senko О. Stepanov N., Gladchenko M., Gaydamaka S., Akopyan A., Polikarpova P., Lysenko S., Anisimov A., Efremenko E. Formation and use of anaerobic consortia for the biotransformation of sulfur-containing extracts from pre-oxidized crude oil and oil fractions.//Bioresource Technology. 2021. V. 319. 124248]. Такой способ биокаталитической анаэробной трансформации с использованием указанного биокатализатора обеспечивает трансформацию экстрактов (рН 7,2), содержащих органические соединения, характеризуемые по углероду уровнем ХПК (г/л), равным 6,4 г/л, и химически окисленные соединения серы, со следующими характеристиками при трансформации этанольного экстракта, полученного:

- из прямогонной дизельной фракции и содержащего химически окисленные соединения серы в концентрации 100 мкМ - выход неорганического сульфида Ys=100% при скорости трансформации Vs=10 мкМ/сут за 10 суток;

- из сырой нефти и содержащего химически окисленные соединения серы в концентрации 84 мкМ - выход неорганического сульфида Ys=100% при скорости трансформации Vs=8 мкМ/сут за 10 суток;

- из вакуумного газойля и содержащего химически окисленные соединения серы в концентрации 226 мкМ - выход неорганического сульфида Ys=100% при скорости трансформации Vs=12 мкМ/сут за 20 суток.

Основными недостатками этого способа являются:

1 - сложный состав многокомпонентного биокатализатора, состоящего из 5 видов индивидуально полученных и иммобилизованных образцов клеток, поддерживать который на постоянном уровне метаболической активности довольно сложно, особенно учитывая входящие в состав биокатализатора спорообразующих клеток;

2 - невысокие концентрации окисленных серосодержащих соединений, которые вводятся в процесс трансформации, относительно тех концентраций серы, что присутствуют в реальных образцах нефти и нефтепродуктов, подлежащих окислительной обработке.

Данная разработка по сущности и достигаемому результату является самой близкой к заявляемому техническому решению и была принята за прототип.

Задачей предлагаемого технического решения является способ биокаталитической анаэробной трансформации экстрактов, содержащих химически окисленные соединения серы из нефти и нефтяных фракций, основанный на применении иммобилизованных в криогель ПВС биокатализаторов, обеспечивающих увеличение скорости трансформации окисленных соединений серы и повышение выхода неорганического сульфида в сравнении с прототипом.

Поставленная задача решается тем, что способ включает в себя: 1) подачу в метангенерирующий анаэробный реактор водной среды (рН 7,8-8,5), приготовленной на основе этанольного экстракта, содержащего органические окисленные формы серы в концентрации до 360 мкМ из сырой нефти или разных нефтяных фракций (вакуумного газойля, нефтяного газоконденсата, прямогонной бензиновой фракции, прямогонной дизельной фракции) и ХПК в концентрации 6,7- 11,9 г/л; 2) загрузку в реактор биокатализатора, состоящего из смеси гранул криогеля ПВС, содержащих иммобилизованные методом включения клетки разных микроорганизмов, при следующем их соотношении: 75-80% (масс) гранул, содержащих клетки активного анаэробного метаногенного ила, 10-15% (масс) гранул, содержащих клетки Desulfovibrio desulfuricans и 5-10% (масс) гранул, содержащих клетки Rodococcus opacus; 3) проводится метаногенез, сопровождающийся полной трансформацией органических соединений серы в растворимый неорганический сульфид со скоростью конверсии серы 16-26 мкМ/сут.

При этом проведение самого химического окисления серосодержащих соединений в нефть-содержащих средах с целью получения их этанольных экстрактов, тип метаногенерирующего реактора, анаэробный метаногенный активный ил с очистных сооружений, равно как и условия проведения метаногенеза являются стандартными, ранее многократно описаны и хорошо известны [Maslova O.V., Senko O.V., Akopyan A.V., Lysenko S., Anisimov A., Efremenko E. Nanocatalysts for oxidative desulfurization of liquid fuel: Modern solutions and the perspectives of application in hybrid chemical-biocatalytic processes.// Catalysts. 2021. V. 11 (9), 1131]. Иммобилизация клеток в криогель ПВС проводится по хорошо известным методикам [Immobilized cells: biocatalysts and processes: monograph / Ed. by Doctor of Biological Sciences, Professor E.N. Efremenko. - M.: RIOR, 2018. -500+24 c. colored inset. - ISBN 978-5-369-02004-3.].

Использование уникального состава нового биокатализатора, найденного экспериментально, для предлагаемого технического решения по трансформации органических окисленных форм серы, присутствующих в составе этанольного экстракта из сырой нефти и разных нефтяных фракций, позволяет существенно улучшить характеристики заявляемого способа, в частности, увеличить исходную концентрацию серосодержащих соединений, вводимую в процесс, соответственно, с экстрактом из разных фракций нефти, и повысить скорость конверсии соединений серы.

Так замена в заявляемом техническом решении клеток Desulfovibrio vulgaris, использованных в прототипе, на клетки Desulfovibrio desulfuricans, ориентированные на восстановление именно соединений серы [Sanchez-Andrea, I., Guedes, I.A., Hornung, В. et al. The reductive glycine pathway allows autotrophic growth of Desulfovibrio desulfuricans. Nat Commun. 2020. V. 11, p. 5090], обеспечило значительное увеличение скорости конверсии серосодержащих соединений и повышение их концентраций, вводимых в процесс с этанольным экстрактом из разных исходных сред, обработанных с целью окисления соединений серы.

Применение в заявляемом техническом решении клеток Rodococcus opacus, обладающих широкой субстратной специфичностью катаболизма и интенсивными скоростями метаболических превращений разных органических соединений [Alvarez, Hector М. Biology of Rhodococcus. Vol. 16. Springer, 2010. ISBN: 9783642129360], вместо применявшихся в прототипе двух разных видов клеток (Rhodococcus ruber и Rhodococcus erhytropolis) позволило упростить состав биокатализатора в целом, сократив число различных клеток, вводимых в его состав, и получить более высокие скорости отделения углеродной части от органических серосодержащих соединений для ее конверсии в биогаз и трансформациии окисленной формы серы в неорганический сульфид.

В отличие от прототипа, в предлагаемом изобретении не используются клетки бактерий Clostridium acetobutilycum, которые являются спорообразующими и чувствительными к изменению условий протекания процесса (снижению концентрации субстрата в среде, накоплению продуктов, изменению рН, сульфида в среде). При возникновении неблагоприятных условий эти клетки переходят в состояние покоя (образование спор) и прекращают активно участвовать в протекающем процессе, что снижает эффективность функционирования биокатализатора, составленного с учетом метаболической активности этих клеток, в целом.

Экспериментально установленные соотношения между клетками в составе биокатализатора, заявляемые в предлагаемом техническом решении, оказываются универсальными для успешной конверсии этанольных экстрактов, в том числе с повышенным (по сравнению с прототипом) содержанием ХПК, получаемых из разных образцов нефтяного сырья, и с разным повышенным (по сравнению с прототипом) содержанием серы.

Указанная в заявляемом техническом решении верхняя концентрация окисленных органических соединений серы обусловлена тем, что ее превышение приводит к ингибированию процесса метаногенеза и восстановления серы.

Указанный диапазон концентраций ХПК, вводимых в среду, обусловлен тем, что выход за его предела приводит к снижению скорости конверсии окисленных органических соединений серы.

Повышение исходного значения рН среды с 7,2 в прототипе до 7,8-8,5 в предлагаемом техническом решении позволяет поддерживать накапливающийся в высоких концентрациях неорганический сульфид в растворимой форме, а не в виде сероводорода в составе биогаза. Такой подход позволяет далее в случае необходимости полностью выделить сульфид из среды в виде осадка введением соответствующего противоиона.

Такое сочетание всех основных компонентов биокатализатора, применяемого в заявляемом техническом решении, с использованием заявляемых соотношений разных клеток, а также сред с концентрациями вводимых в процесс органических соединений и соединений серы ранее известно не было и позволяет характеризовать предлагаемое техническое решение как новое.

Ниже приводятся конкретные примеры реализации заявляемого технического решения.

Пример 1. Способ биокаталитической анаэробной трансформации экстракта из прямогонной бензиновой фракции, содержащего химически окисленные соединения серы

Для реализации способа в стандартный метангенерирующий анаэробный реактор подается водная среда (рН 7,8), приготовленная на основе этанольного экстракта, полученного из прямогонной бензиновой фракции, которая подвергнута обработке с целью получения окисленных органических форм серы. Концентрация окисленных органических форм серы в среде составляет 93 мкМ, а ХПК - 11,9 г/л.

В среду в метаноенном реакторе загружается биокатализатор, состоящий из смеси гранул криогеля ПВС, содержащих иммобилизованные методом включения клетки разных микроорганизмов, при следующем их соотношении: 75% (масс) гранул, содержащих клетки активного анаэробного метаногенного ила (ААМИ), 15% (масс) гранул, содержащих клетки Desulfovibrio desulfuricans и 10% (масс) гранул, содержащих клетки Rodococcus opacus.

В течение 6 суток проводится метаногенез, в ходе которого достигается 100% трансформация (Ys) органических соединений серы в растворимый неорганический сульфид со скоростью конверсии серы 16 мкМ/сут.

Остальные примеры, реализуемые по аналогии с Примером №1, иллюстрирующие заявляемое техническое решение, сведены в таблицу. При указанных условиях Ys составляет 100%.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет в сравнении с прототипом значительно увеличить (на 30- 127%) концентрации окисленных форм серосодержащих соединений, которые могут быть введены в процесс и трансформированы в неорганический сульфид в условиях метаногенеза после экстракционного извлечения из соответствующих сред, а именно, сырой нефти и разных нефтяных фракций (вакуумного газойля, нефтяного газоконденсата, прямогонной бензиновой фракции, прямогонной дизельной фракции), увеличить скорость полной конверсии серосодержащих соединений (до 2,7 раза) и сократить время этой конверсии (до 1,7 раза).

Предлагаемое техническое решение позволяет:

- проводить 100%-ую биокаталитическую конверсию высоких концентраций окисленных серосодержащих органических соединений в неорганический сульфид, легко включаемый в природные круговороты серы, а также применяемый в промышленности для различных целей,

- решить проблему серосодержащих органических отходов, представляющих собой токсичные и сложные для микробной конверсии окисленные формы серы, образующиеся при окислительной химической десульфуризации разных нефтяных фракций,

- решить проблему полной утилизации экстрактанта, применяемого для экстракции окисленных форм серы из нефти и нефтяных фракций за счет конверсии в биогаз, который может быть использован как топливо.

Краткое описание чертежей:

Фигура 1. Схематично представлен общий вид процесса, основанного на комбинированном химико-биокаталитическом обессеривании углеводородного сырья. Процесс основан на реализации трех последовательных стадий 1- химического окисления серосодержащих компонентов углеводородного сырья, 2- отделения полученных окисленных форм серосодержащих соединений от образцов методом экстракции, 3-биотрансформации полученных серосодержащих экстрактов в анаэробных условиях, включая проведение реакций биокаталитического восстановления окисленных форм серосодержащих соединений, одновременно с получением биогаза при использовании искусственно сформированных микробных консорциумов.

Изобретение относится к биотехнологии. Способ биокаталитической анаэробной трансформации экстрактов из нефти и нефтяных фракций, содержащих химически окисленные соединения серы, включает в себя: 1) подачу в метангенерирующий анаэробный реактор водной среды с рН 7,8-8,5, приготовленной на основе этанольного экстракта, содержащего органические окисленные формы серы в концентрации до 360 мкМ из сырой нефти или разных нефтяных фракций: вакуумного газойля, нефтяного газоконденсата, прямогонной бензиновой фракции, прямогонной дизельной фракции, и ХПК в концентрации 6,7-11,9 г/л; 2) загрузку в реактор биокатализатора, состоящего из смеси гранул криогеля поливинилового спирта, ПВС, содержащих иммобилизованные методом включения клетки разных микроорганизмов, при следующем их соотношении: 75-80 масс. % гранул, содержащих клетки активного анаэробного метаногенного ила, 10-15 масс. % гранул, содержащих клетки Desulfovibrio desulfuricans и 5-10 масс. % гранул, содержащих клетки Rodococcus opacus; 3) проводится метаногенез, сопровождающийся полной трансформацией органических соединений серы в растворимый неорганический сульфид со скоростью конверсии серы 16-26 мкМ/сут. Изобретение позволяет увеличить скорость трансформации окисленных соединений серы и повысить выход неорганического сульфида. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ биокаталитической анаэробной трансформации экстрактов из нефти и нефтяных фракций, содержащих химически окисленные соединения серы, включающий в себя: 1) подачу в метангенерирующий анаэробный реактор водной среды с рН 7,8-8,5, приготовленной на основе этанольного экстракта, содержащего органические окисленные формы серы в концентрации до 360 мкМ из сырой нефти или разных нефтяных фракций: вакуумного газойля, нефтяного газоконденсата, прямогонной бензиновой фракции, прямогонной дизельной фракции, и ХПК в концентрации 6,7-11,9 г/л; 2) загрузку в реактор биокатализатора, состоящего из смеси гранул криогеля поливинилового спирта, ПВС, содержащих иммобилизованные методом включения клетки разных микроорганизмов, при следующем их соотношении: 75-80 масс. % гранул, содержащих клетки активного анаэробного метаногенного ила, 10-15 масс. % гранул, содержащих клетки Desulfovibrio desulfuricans, и 5-10 масс. % гранул, содержащих клетки Rodococcus opacus; 3) проводится метаногенез, сопровождающийся полной трансформацией органических соединений серы в растворимый неорганический сульфид со скоростью конверсии серы 16-26 мкМ/сут.