用于降低石油粘度的微生物法的制作方法

專利名稱：用于降低石油粘度的微生物法的制作方法
原油的高粘度是這些有價值的資源不能充分利用的一個因素。高的粘度使這樣的資源從地球中取出變得更加困難，甚至可能取不出來，例如委內瑞拉的塞羅內格羅原油。在少數極端情況下，高的粘度不僅大大阻礙這種資源的取出，而且也阻礙石油液(包括原油)的泵輸送、運輸、煉制和管理。由于這一原因，石油工業很久就認識到需要一種安全、經濟和有效的降低這些有價值的燃料資源粘度的方法。加氫脫硫是一種降低石油液粘度的煉制方法，它在高溫、高壓下用氫氣處理石油。粘度的下降部分是由于石油液升溫的結果，部分是由于復雜的芳烴被破壞的結果。但這些芳烴是有價值的燃料能源，它的重要組份為稠環芳烴分子(它們可含雜環部分)。雜環是在芳環中含有一個或一個以上非碳取代原子的環。二苯并噻吩是在石油中發現的含硫雜環化合物的一個例子。雖然這些分子可以通過加氫脫硫非選擇性破壞，但它們是難以加氫脫硫的。由于采用苛刻的條件，加氫脫硫只在石油煉制有限的幾個步驟中是有用的，而不是普遍接受的降低原油粘度的方法。
不需要把這些有價值的燃料資源暴露在苛刻的條件下的降低或穩定石油液粘度的方法是非常希望的。石油液在緩和條件或常壓條件下的化學變化已研究了很久。這種化學變化自然存在，如微生物與石油液相接觸和相互作用后產生的化學變化。但是，這些化學變化通常有損石油液的燃料價值。例如，在海水上貯存噴氣燃料，這在軍事設施中是一種常規部置。這些燃料貯存后粘度上升，其原因是把燃料作為碳、氮、硫這樣的養料來源的細菌代謝產生粘稠物形成油泥渣。借助物理攪抖，這些油泥渣被分散到燃料液中。
D.O.Hitzmann在美國專利3069325(1962)中提出了一種防止這種油泥渣積累的可能方法。該法建立在細菌菌株對噴氣燃料的預處理上，這些細菌菌株適應消耗含氮或硫的烴類燃料分子作為其營養源。當營養物耗盡的燃料隨后貯存在海水上時，天然存在的細菌不會再把這些燃料作為代謝基質，燃料的粘度也不會隨貯存而改變。但這一結果是通過損失可燃的含硫和氮的烴類達到的。
另外一些能產生有助于降低粘度的物質的微生物在別的文獻作過介紹。例如，Bertrand及其合作者描述了一種在含油海水中細菌生長的微生物培養基。該培養基產生表面活性化合物，即生物表面活性劑。它促使原油分散乳化于海水中，因此有助于石油泄漏和通常石油污染的生物治理。Bertrand等，Biotechnology Letter-s，5(8)567-572(1983)。但是，這種培養基也破壞和代謝石油中的烴類組分，因此它不適合作為降低有價值的燃料液粘度的候選方法。
雖然表面活性劑可在礦物燃料制造過程中加入(參見Scheffee R.S.，美國專利4498906(1985)，并可能有助于提高燃料的燃燒效率，但使用純化學品控制粘度仍比微生物代謝治理方法缺乏吸引力，后者不需要使用昂貴的添加劑。而且，任何一種表面活性添加劑都必須在煉制過程中從石油中回收，這就使煉制過程大為復雜化。
發明概要本發明涉及一種降低液體粘度的方法。該液體含有含硫雜環化合物。這些含硫雜環化合物分子必須以相對足夠的數量存在，才能使其物化性質顯著地影響液體的粘度。本發明的方法包括使液體與有效量生物催化劑接觸，生物催化劑在足以使上述生物催化裂解發生的條件下具有選擇性裂解含硫雜環化合物中的碳硫鍵的能力，因而大量上述的碳硫鍵裂解，通過顯著影響粘稠性的分子組分的催化變化使液體的粘度降低。
本發明特別適用于降低如原油及其餾分石油液的粘度，它不需要把石油液暴露到苛刻的條件下(如加氫脫硫中遇到的條件)，而且使用的生物催化劑具極好的硫專一性。這些生物催化劑具有選擇性裂解碳硫鍵而又不明顯使碳硫鍵反應的能力。所以石油液的燃料價值不會由于降低粘度的生物催化處理而明顯下降。本法可用在回收和煉制過程的許多步驟中降低石油的粘度，包括其他方法不現實或不可能應用的那些步驟。
附圖的簡單說明

圖1描述二苯并噻吩的結構。
圖2描述二苯并噻吩通過氧化和還原機理的裂解及可能的最終產物。
圖3描述二苯噻吩按提出的微生物分解代謝的“4S”途徑的分步氧化。
本發明的詳細說明本發明中含硫雜原子的芳香族雜環化合物分子稱為含硫雜環化合物。這些分子常常以剛性的平面稠環結構存在。由于相鄰分子的憎水相互作用的強度，它們趨于形成穩定的有機液。這種液體能強力抵抗施加物理外力引起的結構變形，包括提高溫度和壓力。因此，含硫雜環化合物的存在是影響液體觀測到的粘稠性的一項因素。這些情況在石油液中可能經常遇到，在高硫石油(如含4%有機硫的塞羅內格羅原油)中特別顯著。圖1所示的二苯并噻吩是說明這些特性的含硫雜環化合物。二苯并噻吩由兩個苯環各自側面連接中心噻吩環組成。二苯并噻吩是石油液中發現的這類含硫雜環化合物的代表。在某些石油餾分中，二苯并噻吩本身占有機硫的90%。
本發明的生物催化劑通過把這些含硫雜環化合物分子(如二苯并噻吩)轉化成與原雜環化合物有完全不同分子特性的產物來降低液體的粘度。含硫雜環化合物中碳硫鍵的催化裂解使雜環部分裂解，只留下單一的碳硫鍵，從而放松稠環分子結構的剛性。圖2描述實現這一結果的兩個可選擇的生物催化機理雜環部分還原的硫專一裂解和氧化的硫專一裂解。在每種情況下，在以前的雜環位置獲得旋轉自由度。因此，用本生物催化劑處理的液體失去其高度的分子有序，變得更加易受施加外力影響而引起結構變形。簡單的重力或輕微的升溫或升壓都將足以使之流動。
這一結果最好通過設想的氧化分解代謝“4S”途徑，用生物催化劑實現，該生物催化劑選擇性裂解有機碳硫鍵。“4S”途徑最近由Kilbane J.J.描述。Resour.Conserv.Recycl.，(3)69～79(1990)。它的內容作為本發明參考。“4S”途徑匯于圖3。它包括硫雜原子的連續氧化，并以芳烴中釋放出無機硫酸鹽而結束。命名“4S”指的是假設的含硫中間化合物亞砜、砜、磺酸鹽和釋放出的產物無機硫酸鹽。歸根到底，“4S”途徑除了雜環部分裂解外，還產生側面相接的芳環部分可羧化的烴類產物。這些極性環狀取代基的產生進一步使相鄰分子之間的憎水相互作用的重要性降低，甚至會產生較低的粘度。
很容易認識到，為了降低粘度，只需要裂解雜環位置的碳硫鍵。對于本發明來說，無機硫酸鹽的釋放既不是必需的也不是必要的。
迄今還沒有描述過能對含硫雜環化合物(如二苯并噻吩)的硫施行專一分解代謝的自然微生物。但是，幾位研究者已透露，通過結合化學誘變的代謝篩選，能從自然物種中篩選出具選擇性裂解碳硫鍵的細菌誘變種。Isbister I.D.和R.C.Doyle在美國專利4562156(1985)中描述了一種從假單胞菌屬混合培養液誘變出專性硫細菌的方法。
同樣，Kilbane報導，通過結合化學誘變的篩選培養液，從混合培養液中篩選到能通過4S途徑進行二苯并噻吩裂解的誘變種。具體地說，從天然來源(如污水油泥渣、石油煉廠廢水、園林土壤、煤焦油污染的土壤等)得到的細菌培養于含硫雜環化合物(如二苯并噻吩)的培養液中，并在硫脫除的狀況下連續培養。培養基然后暴露到化學誘變劑1-甲基-3-硝基-1-亞硝基胍中。據Kilbane報導，二苯并噻吩被轉化成羥基聯苯，見Kilbane J.J.，Re-sour.Conserv.Recycl.，(3)69～79(1990)。
Kilbane進一步報導了從這一混合培養基中分離玫瑰色紅球菌的突變株。這一突變株(ACCT No53968)用于本法的降低粘度是特別優選的生物催化劑。這一突變株的分離在J.J.Kilbane的美國專利申請書07/461389(1990.1.5申請)中詳細描述，題為“用于有機碳硫鍵裂解的突變微生物”。因此它的內容作為本發明的參考。
在本發明的最佳實施方案中，ATCC No53968突變株的水基培養液在好氧條件下用常規發酵法制備，如用生物反應器和適當的營養劑(包括常規碳源，如葡萄糖或甘油)。為了得到最大的裂解有機碳硫鍵的生物催化活性，必須將該細菌維持在硫脫除的狀態。也可用缺少無機硫酸鹽源的介質完成，但是補充二苯并噻吩或富含硫雜環化合物的原油或石油樣。當培養液達到足夠的數量和/或密度時，混合進需要生物催化處理的原油、石油液或餾分。培養液/底物的體積比可在較寬的范圍內變化，主要取決于所需的降粘速度和程度;適宜的比可由技術熟練的人通過不多的常規實驗確定。最佳比在使用的培養液體積上升到占總體積的十分之一處。
通過“4S”途徑裂解需要的氧氣可用傳統的技術(如氧源噴霧或鼓泡通過)在生物催化前或過程中提供給需要降低粘度的石油液。氧源直接加到石油液中是可取的，由于氧在這樣的液體中比在水溶液體系中有更大的溶解度。
機械攪拌可加快粘度降解的速率，但沒必要，在攪拌罐反應器中培養細菌的時候引進機械攪拌則是一個適當的措施。
10～60℃的培育溫度是適當的，但石油液的傾點至生物催化劑失活的溫度之間的任何溫度都可使用。常溫更為適合。
把粘度降到所需程度的適宜培育時間很容易由技術熟練的人確定。培養的生物催化劑不需要分離出來，但在底物石油液的開采、運輸或貯存過程中可能需要純化的生物催化劑。
雖然本發明涉及原油、石油液和餾分的粘度降低，但技術熟練的人會認識到，除了用常規技術將石油等轉化成易于開采、運輸或煉制的成分外，該發明還利于脫硫工藝的液體制備。
在本發明的其他優選實施方案中，采用足以使選擇性裂解有機碳硫鍵進行的酶或酶類，而不是表達這些酶活性的微生物自身。例如，導致“4S”系列反應的酶或酶類可用于降低石油液的粘度。術語“酶”指具有所需功能特性的各種蛋白質生物催化劑。例如，“4S”酶或酶類規定為能使含噻吩的含硫雜環化合物(如二苯并噻吩)通過“4S”系列反應分解代謝的任何酶，包括ATCC No53968表示的酶類及其它的各種功能衍生物。這些酶類也可用在束縛載體上;適宜的載體包括死的“4S”細菌，上述細菌的一部分(如細胞膜部分)、不溶性樹指、陶瓷顆粒、乳膠顆粒和玻璃顆粒。
酶生物催化劑的應用也可能不需在水介質中制備生物催化劑;某些非水介質如全氟化學品(PFCs)(已知它們有高的溶氧能力)可用來重組或懸浮生物催化劑。特別有用的PFCs是全氟丁基四氫呋喃。當在室溫下氧鼓泡通過時，它能溶解幾乎原液體體積一半的氧。Lewis R.，Gen.Eng.News，10(5)26(1990)。這些富氧的非水介質通過形成富氧非水溶液微環境，加快碳硫鍵氧化裂解的速度，從而消除了乳化液在水溶液生物催化劑與憎水的石油液之間生成。
可認識到，是否將本發明的生物催化劑從處理液中分離出來隨情形而定。粘度隨液體中的含硫雜環化合物組分轉化成不再具有稠粘性質的分子形式而不斷降低。對于降低粘度來說，硫以有機(噻吩環的單鍵裂解)或無機形式(在“4S”氧化裂解情況中的硫酸根離子)的繼續存在已不重要。而且，由于本發明的生物催化劑不會顯著地裂解碳碳鍵，因此不存在生物催化劑的繼續存留而引起本法處理過的石油燃料價值下降的危險。事實上，用本法降低粘度比之傳統方法(如加氫脫硫)還有便于處理過的石油繼續脫硫的優點。
監測生物催化作用過程的技術是眾所周知的，且技術熟練的人易于使用。適宜的技術包括(但不限于這些)收集原始資料和處理液各環節采集的樣品，以便用儀器(如嚴格標定的Saybolt粘度計)直接分析粘度。另一方面，硫從芳烴中的消失可用帶質譜鑒定的氣相色譜(GC/MS)或帶原子發射光譜鑒定的氣相色譜(火焰光譜，GC/AES)監測。原子發射鑒定通過監測392nm原子硫的特性波長處的發射量定量的或相對的下降使操作者能觀測到硫原子從芳烴中的消失。硫的消失量可與粘度下降量關聯，一旦適合的校正曲線建立起來，可使操作者直接地或間接地監測生物催化作用。
這種降低原油、石油液及其餾分粘度的生物催化法適用于石油開采、處理和煉制的許多環節中。例如，本發明很適合用于加速地下原油的開采，其過程是，用泵將富氧介質中制備的本發明的生物催化劑送入油井，爾后進到地底下的油中。
另一方面，在井口使用閥門和混合室，可使生物催化劑與剛從地下冒出的石油接觸。爾后再將這些石油-生物催化劑混合物泵送到管道、貯槽或按要求設計的培育室中。
本發明的生物催化法也可用在原油、石油液或其餾分的運輸、貯存或煉制的各個適當的環節中，并可用作其他所需加工工藝(如脫硫)的預處理步驟或伴隨處理步驟。這種加工工藝很容易由技術熟練的人認清并掌握。
在這里描述的降低粘度的生物催化法有許多潛在的用途，如促進排泄到環境中的石油污染物的生物治理或生物回收。
對應技術技術熟練的人會判斷出，或通過不多的常規實驗確定本發明描述的特定實施方案的許多等效實施方案。以下的權利要求用來包括這些實施方案和所有其他的等效實施方案。
權利要求
1.一種降低含有硫雜原子的芳族雜環化合物分子的液體粘度的方法，上述分子的物化性質顯著影響該液體的粘度，該方法包括使該液體與具有選擇性裂解上述雜環化合物分子中的碳硫鍵能力的有效量生物催化劑在足以使這些鍵發生生物催化裂解的條件下接觸，引起大量上述的碳硫鍵裂解，從而降低上述液體的粘度。
2.權利要求1所述的方法，其中生物催化劑包括表達酶的微生物，這些酶足以使上述雜環化合物分子中的有機碳硫鍵進行選擇性裂解。
3.權利要求2所述的方法，其中酶足以使上述碳硫鍵的裂解反應通過氧化分解代謝的“4S”途徑進行。
4.權利要求3所述的方法，其中微生物含玫瑰色紅球菌突變株，ATCC No53968。
5.權利要求3所述的方法，其中含上述雜環化合物分子的液體在與生物催化劑一起培育前或培育過程中與氧源接觸，從而形成足以使碳硫鍵生物催化裂解的好氧條件。
6.權利要求5所述的方法，其中含上述雜環化合物分子的液體包括石油。
7.權利要求2所述的方法，包括在與含上述雜環化合物分子的液體接觸前，在無機硫脫除的條件下制備生物催化劑的附加步驟。
8.權利要求1所述的方法，其中生物催化劑含有足以使上述雜環化合物分子中的有機碳硫鍵進行選擇性裂解的酶。
9.權利要求8所述的方法，其中酶足以使上述碳硫鍵裂解反應通過氧化分解代謝的“4S”途徑進行。
10.權利要求9所述的方法，其中酶載在載體上。
11.一種用于降低石油液粘度而又不同時降低其燃料價值的方法，上述石油液含有顯著影響上述石油粘度的含硫雜環化合物，該法包括以下步驟(a)上述石油液與能選擇性裂解含硫雜環化合物中的碳硫鍵而又不顯著脫除碳硫鍵的有效量生物催化劑接觸;(b)在足以使上述生物催化裂解發生的條件下，上述石油液與生物催化劑一起培育，培育時間足以使大量裂解反應產生，因而大量上述的碳硫鍵裂解，使上述石油的粘度降低。
12.權利要求11所述的方法，其中生物催化劑含表達酶的微生物，這些酶足以使含硫雜環化合物中的有機碳硫鍵進行裂解。
13.權利要求12所述的方法，其中酶足以使上述碳硫鍵的裂解反應通過氧化分解代謝的“4S”途徑進行。
14.權利要求13所述的方法，其中微生物含玫瑰色紅球菌突株(ATCC No53968)的培養液。
15.權利要求13所述的方法，其中足以使碳硫鍵生物催化“4S”裂解的好氧條件是在與生物催化劑一起培育前或培育過程中，由含硫雜環化合物與氧源接觸形成的。
16.權利要求13所述的方法，包括，在與含硫雜環化合物的液體接觸前，在無機硫脫除的條件下制備生物催化劑的附加步驟。
17.權利要求11所述的方法，其中生物催化劑含足以使含硫雜環化合物中的有機碳硫鍵進行裂解的酶。
18.權利要求17所述的方法，其中酶足以使上述碳硫鍵裂解反應通過氧化分解代謝的“4S”途徑進行。
19.權利要求18所述的方法，其中酶載在載體上。
20.一種用于降低石油液粘度而又不同時降低其燃料價值的方法，上述液體含有顯著影響上述石油的粘度的含硫雜環化合物，該法包括以下步驟(a)上述石油與包含微生物的有效量生物催化劑接觸，這些微生物表達酶足以使上述含硫雜環化合物通過“4S”途徑進行硫專一的分解代謝。(b)上述石油液與上述生物催化劑一起在足以使上述碳硫鍵的生物催化裂解發生的條件下培育，其中上述的條件包括好氧條件，培育時間足以使大量裂解反應發生，因而大量上述碳硫鍵裂解，使上述石油的粘度降低。
21.權利要求20所述的方法，其中微生物含玫瑰色紅球菌突變株(ATCC No53968)的培養液。
22.降低石油的粘度而又不同時降低其燃料價值的方法，上述液體含有顯著影響上述石油的粘度的含硫雜環化合物，該法包括以下步驟(a)上述石油液與含足以使上述含硫雜環化合物通過“4S”途徑進行硫專一的分解代謝的酶的有效量生物催化劑接觸;(b)上述石油液與上述生物催化劑一起在足以使上述的碳硫鍵的生物催化裂解發生的條件下培育，其中上述的條件包括耗氧條件，培育時間足以使大量裂解反應發生，因而大量上述的碳硫鍵裂解，使上述石油的粘度降低。
23.權利要求22所述的方法，其中酶載在載體上。
全文摘要
一種用于降低含有含硫雜環化合物的液體粘度的方法。足夠數量含硫雜環化合物，其物化性質顯著影響液體的粘度。通過該液體與能使含硫雜環化合物中的碳硫鍵選擇性裂解的有效量生物催化劑接觸，使這些分子轉化成不再產生高粘度的產物從而降低粘度。生物催化作用特別適用于降低含有機硫的石油液的粘度，包括原油及其餾分。因為使用的生物催化劑不會顯著地攻擊碳碳鍵，因此，生物催化降低粘度不會明顯降低石油液的燃料價值。
文檔編號C12N9/02GK1062765SQ9111172
公開日1992年7月15日 申請日期1991年12月21日 優先權日1990年12月21日
發明者丹尼爾·J·蔓遞塞羅, 威廉·H·漢尼 申請人:環境生物科學公司