RU2803334C2 - Method for biocatalytic anaerobic transformation of extracts from oil and oil fractions containing chemically oxidized sulphur compounds - Google Patents

Abstract

FIELD: biotechnology.

SUBSTANCE: method of biocatalytic anaerobic transformation of extracts from oil and oil fractions containing chemically oxidized sulphur compounds includes: 1) supply to the methane-generating anaerobic reactor of an aqueous medium with a pH of 7.8-8.5, prepared on the basis of an ethanol extract containing organic oxidized forms of sulphur in a concentration of up to 360 mcM from crude oil or various oil fractions: vacuum gas oil, petroleum gas condensate, straight-run gasoline fraction, straight-run diesel fraction, and COD at a concentration of 6.7-11.9 g/L; 2) loading into the reactor of a biocatalyst consisting of a mixture of cryogel granules of polyvinyl alcohol, PVA, containing cells of various microorganisms immobilized by the inclusion method, at the following ratio: 75-80 wt.% of granules containing cells of active anaerobic methanogenic sludge, 10-15 wt.% of granules containing Desulfovibrio desulfuricans cells and 5-10 wt.% of granules containing Rodococcus opacus cells; 3) methanogenesis is carried out, accompanied by the complete transformation of organic sulphur compounds into soluble inorganic sulphide with a sulphur conversion rate of 16-26 mcM/day.

EFFECT: invention allows to increase the rate of transformation of oxidized sulphur compounds and increase the yield of inorganic sulphide.

1 cl, 1 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

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.The invention relates to biotechnology, in particular, to methods for implementing processes based on the use of immobilized microbial biocatalysts intended for the complete reduction conversion of oxidized sulfur compounds to inorganic sulfide in the process of methanogenesis and accumulation of biogas, carried out with introduction into a methanogenic reactor as a substrate for biocatalytic transformation extracts containing sulfur compounds after their chemical oxidation in the composition of oil or various oil fractions. Such extracts with oxidized forms of sulfur accumulate using polar solvents during the oxidative desulfurization of the main petroleum feedstock or petroleum products and require disposal. The invention makes it possible to combine the methanogenic process of producing biogas, as a fuel and an important source of raw materials, with the utilization of waste from the desulfurization of oil and petroleum products, based on the conversion of oxidized organic sulfur compounds into inorganic sulfide, which is easily separated from other components of the environment.

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.One of the main existing problems arising during the processing of oil and various oil fractions is the presence of organic sulfur compounds in them, which leads to the formation of emissions of sulfur compounds into the atmosphere from engines, corrosion of equipment, increased tendency to tar formation of cracked gasoline, poisoning of catalysts used in processes of secondary processing of petroleum products, as well as the formation of sulfur dioxide during fuel combustion, the release of which into the atmosphere leads to acid rain.

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).In this regard, there are strict standards for the content of residual concentrations of organic sulfur compounds in petroleum products, which should not exceed 5-10 ppm (= mg/l) [Houda, S., Lancelot, S., Blanchard, P., Poinel, L ., & Lamonier, C. (2018). Oxidative desulfurization of heavy oils with high sulfur content: A review.//Catalysts, V. 8(9), 344]. To extract these sulfur compounds from a hydrophobic petroleum environment, they are subjected to oxidative treatment, as a result of which, as a rule, sulfones are formed, which have more polar properties than the original sulfur-containing organic substances, and which can be extracted from the hydrophobic environment by extraction using polar solvents [Akopyan A .V., Polikarpova P.D., Anisimov A.V., Lysenko S.V., Maslova O.V., Stepanov N.A., Senko O.V., Efremenko E.N. Deep oxidative desulfurization of straight-run gasoline fraction. // Chemical technology, 2020. T. 21 (8), 353-363.]. After chemical oxidative desulfurization, a main oil-containing product is formed, purified from sulfur, and a by-product - an extract with various oxidized sulfur compounds, which is subject to further processing to remove sulfur compounds (Fig. 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.There are known chemical methods for isolating oxidized organic sulfur compounds from extracts obtained during the oxidative desulfurization of oil and petroleum products, based on the use of different sorbents [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]. However, it turned out that the sorption efficiency of different organic oxidized sulfur compounds present in the extract, which differ from each other in the chemical structure of the carbon skeleton, is different, and as a result, such methods do not provide complete removal of sulfur compounds from the extract even when varying different sorbents. In this case, the regeneration of the sorbents themselves can only be carried out as a result of their calcination at high temperatures, which leads to the conversion of all sulfur compounds retained by the sorbent into sulfur dioxide with the complete loss of the carbon part of these substances for its possible effective conversion into valuable products, since it turns into carbon dioxide.

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.As an alternative to physicochemical methods for processing sulfur-containing extracts obtained during the oxidative desulfurization of oil and oil fractions, methods of biocatalytic anaerobic transformation of extracts containing chemically oxidized sulfur compounds are being considered [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]. These methods are implemented through the introduction of sulfur-containing extracts as a co-substrate into methane-generating reactors with standard anaerobic activated sludge used in methanogenesis processes to convert the main organic substrates into biogas (a mixture of methane and carbon dioxide), which can be used as fuel, alternative to natural gas.

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.When implementing these methods, a polar solvent, most often ethanol, used as an extractant to extract oxidized forms of organic sulfur-containing compounds from oil-containing media, is utilized by anaerobic sludge cells in an anaerobic reactor and converted into biogas, and organic carbon-containing sulfur compounds, usually thiophene and sulfones dibenzothiophene) decompose and are reduced to inorganic sulfide. Moreover, such conversion methods involve the use of a biocatalyst in the form of anaerobic activated sludge in an immobilized form, since immobilization makes it possible to concentrate cells, introduce them in this form into a carrier matrix and use them for a long time to ensure stable functioning of cells in media of complex composition, as well as to achieve 100 % conversion of oxidized sulfur-containing compounds into inorganic sulfide [Senko O., Gladchenko M., Maslova O., Efremenko E. 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]. As a carrier in such methods for obtaining a biocatalyst in the form of immobilized cells of anaerobic sludge, a macroporous cryogel of polyvinyl alcohol (PVA) is used, obtained in a known way (by mixing an aqueous solution of PVA with cell biomass, obtaining a homogeneous cell suspension, distributing it into forms that allow the formation of granules, freezing forms with the specified suspension, exposing them in frozen form to form, by cryostructuring, polymer porous granules with high mechanical strength and included microorganism cells, and their further thawing [Senko O., Maslova O., Gladchenko M., 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.]. Such granules with immobilized in These cells of anaerobic sludge can be easily mixed in the medium and separated from the medium by simple sedimentation, and can also be reused in a similar process.

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].However, the main disadvantages of such known methods are the low level of transformation of oxidized sulfur-containing compounds into reduced forms, which is determined by the percentage level of inorganic sulfide yield from the sulfur initially introduced into the process in oxidized form (Ys, %), as well as the low rate of transformation of sulfur-containing compounds itself, defined as change in their concentration over 1 day (Vs, µM/day) in the reaction medium. Thus, when implementing the method of biocatalytic anaerobic transformation of ethanol extracts obtained after oxidative treatment of straight-run gasoline fraction and containing chemically oxidized sulfur compounds in a concentration of 56 μM, under the action of a biocatalyst in the form of PVA cells immobilized in cryogel, consisting of 100% composition of anaerobic sludge cells, under methanogenesis conditions, a yield of inorganic sulfide Ys=31% can be obtained at a transformation rate Vs=1.2 µM/day in 20 days [Maslova O., Senko O. 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].

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:There is a known method for the biocatalytic anaerobic transformation of extracts containing chemically oxidized sulfur compounds from oil and oil fractions containing chemically oxidized sulfur compounds, in which, to increase the rate of transformation of oxidized sulfur compounds and increase the yield of inorganic sulfide, a biocatalyst is used, which instead of PVA cells immobilized in cryogel, consisting 100% from cells of anaerobic sludge, consists of a mixture of similarly immobilized cells using the same carrier and method of incorporating cells into the carrier, the mixture (biocatalyst) containing 70% (wt.) of PVA cryogel granules with active anaerobic cells included in them sludge, 10% granules - with biomass cells of Desulfovibrio vulgaris, 5% granules - with Clostridium acetobutilycum cells, 5% granules - with Rhodococcus ruber cells and 5% granules - with Rhodococcus erhytropolis cells [Maslova O., Senko O. 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]. This method of biocatalytic anaerobic transformation using the specified biocatalyst provides the transformation of extracts (pH 7.2) containing organic compounds characterized by carbon by a COD level (g/l) equal to 6.4 g/l, and chemically oxidized sulfur compounds, with the following characteristics during the transformation of the ethanol extract obtained:

- 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;- from the straight-run diesel fraction and containing chemically oxidized sulfur compounds in a concentration of 100 μM - the yield of inorganic sulfide Ys = 100% at a transformation rate of Vs = 10 μM/day for 10 days;

- 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;- from crude oil and containing chemically oxidized sulfur compounds in a concentration of 84 µM - the yield of inorganic sulfide Ys = 100% at a transformation rate of Vs = 8 µM/day in 10 days;

- 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.- from vacuum gas oil and containing chemically oxidized sulfur compounds in a concentration of 226 μM - the yield of inorganic sulfide Ys = 100% at a transformation rate of Vs = 12 μM/day in 20 days.

Основными недостатками этого способа являются:The main disadvantages of this method are:

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;1 - complex composition of a multicomponent biocatalyst, consisting of 5 types of individually obtained and immobilized cell samples, which is quite difficult to maintain at a constant level of metabolic activity, especially considering the spore-forming cells included in the biocatalyst;

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.2 - low concentrations of oxidized sulfur-containing compounds that are introduced into the transformation process, relative to those sulfur concentrations that are present in real samples of oil and petroleum products subject to oxidative treatment.

Данная разработка по сущности и достигаемому результату является самой близкой к заявляемому техническому решению и была принята за прототип.This development in essence and the achieved result is the closest to the claimed technical solution and was adopted as a prototype.

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.The objective of the proposed technical solution is a method for biocatalytic anaerobic transformation of extracts containing chemically oxidized sulfur compounds from oil and oil fractions, based on the use of biocatalysts immobilized in PVA cryogel, providing an increase in the rate of transformation of oxidized sulfur compounds and an increase in the yield of inorganic sulfide in comparison with the prototype.

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.The problem is solved by the fact that the method includes: 1) feeding into the methane-generating anaerobic reactor an aqueous medium (pH 7.8-8.5), prepared on the basis of an ethanol extract containing organic oxidized forms of sulfur in a concentration of up to 360 μM from crude oil or various oil fractions (vacuum gas oil, oil gas condensate, straight-run gasoline fraction, straight-run diesel fraction) and COD in a concentration of 6.7-11.9 g/l; 2) loading into the reactor a biocatalyst consisting of a mixture of PVA cryogel granules containing cells of various microorganisms immobilized by the inclusion method, in the following ratio: 75-80% (mass) of granules containing cells of active anaerobic methanogenic sludge, 10-15% (mass) granules containing cells of Desulfovibrio desulfuricans and 5-10% (wt) of granules containing cells of Rodococcus opacus; 3) methanogenesis is carried out, accompanied by the complete transformation of organic sulfur compounds into soluble inorganic sulfide with a sulfur conversion rate of 16-26 µM/day.

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.].At the same time, carrying out the chemical oxidation of sulfur-containing compounds in oil-containing environments in order to obtain their ethanol extracts, the type of methane-generating reactor, anaerobic methanogenic activated sludge from wastewater treatment plants, as well as the conditions for carrying out methanogenesis are standard, have been previously described many times and are well known [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]. Immobilization of cells in PVA cryogel is carried out according to well-known methods [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.The use of the unique composition of a new biocatalyst, found experimentally, for the proposed technical solution for the transformation of organic oxidized forms of sulfur present in the ethanol extract from crude oil and various oil fractions, allows to significantly improve the characteristics of the proposed method, in particular, to increase the initial concentration of sulfur-containing compounds introduced into the process, respectively, with an extract from different oil fractions, and increase the rate of conversion of sulfur compounds.

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.Thus, in the claimed technical solution, the replacement of Desulfovibrio vulgaris cells used in the prototype with Desulfovibrio desulfuricans cells, focused on the reduction of sulfur compounds [Sanchez-Andrea, I., Guedes, I.A., Hornung, B. et al. The reductive glycine pathway allows autotrophic growth of Desulfovibrio desulfuricans. Nat Commun. 2020. V. 11, p. 5090], provided a significant increase in the conversion rate of sulfur-containing compounds and an increase in their concentrations introduced into the process with an ethanol extract from various source media treated to oxidize sulfur compounds.

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.The use in the proposed technical solution of Rodococcus opacus cells, which have a wide substrate specificity of catabolism and intensive rates of metabolic transformations of various organic compounds [Alvarez, Hector M. Biology of Rhodococcus. Vol. 16. Springer, 2010. ISBN: 9783642129360], instead of two different types of cells used in the prototype (Rhodococcus ruber and Rhodococcus erhytropolis) made it possible to simplify the composition of the biocatalyst as a whole, reducing the number of different cells introduced into its composition, and obtaining higher rates of carbon separation parts from organic sulfur-containing compounds for its conversion into biogas and transformation of the oxidized form of sulfur into inorganic sulfide.

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.Unlike the prototype, the proposed invention does not use bacterial cells Clostridium acetobutilycum, which are spore-forming and sensitive to changes in process conditions (decrease in substrate concentration in the medium, accumulation of products, changes in pH, sulfide in the medium). When unfavorable conditions arise, these cells go into a dormant state (spore formation) and stop actively participating in the ongoing process, which reduces the efficiency of the biocatalyst, composed taking into account the metabolic activity of these cells, as a whole.

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.The experimentally established relationships between cells in the composition of the biocatalyst, stated in the proposed technical solution, turn out to be universal for the successful conversion of ethanol extracts, including those with an increased (compared to the prototype) COD content obtained from different samples of petroleum feedstock, and with different increased (by compared with the prototype) sulfur content.

Указанная в заявляемом техническом решении верхняя концентрация окисленных органических соединений серы обусловлена тем, что ее превышение приводит к ингибированию процесса метаногенеза и восстановления серы.The upper concentration of oxidized organic sulfur compounds specified in the claimed technical solution is due to the fact that its excess leads to inhibition of the process of methanogenesis and sulfur reduction.

Указанный диапазон концентраций ХПК, вводимых в среду, обусловлен тем, что выход за его предела приводит к снижению скорости конверсии окисленных органических соединений серы.The specified range of COD concentrations introduced into the medium is due to the fact that going beyond its limit leads to a decrease in the conversion rate of oxidized organic sulfur compounds.

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.Increasing the initial pH value of the environment from 7.2 in the prototype to 7.8-8.5 in the proposed technical solution makes it possible to maintain inorganic sulfide accumulating in high concentrations in a soluble form, and not in the form of hydrogen sulfide in the biogas composition. This approach makes it possible, if necessary, to completely isolate the sulfide from the medium in the form of a precipitate by introducing the appropriate counterion.

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.This combination of all the main components of the biocatalyst used in the proposed technical solution, using the claimed ratios of different cells, as well as media with concentrations of organic compounds and sulfur compounds introduced into the process, was not previously known and allows us to characterize the proposed technical solution as new.

Ниже приводятся конкретные примеры реализации заявляемого технического решения.Below are specific examples of the implementation of the proposed technical solution.

Пример 1. Способ биокаталитической анаэробной трансформации экстракта из прямогонной бензиновой фракции, содержащего химически окисленные соединения серыExample 1. Method for biocatalytic anaerobic transformation of an extract from a straight-run gasoline fraction containing chemically oxidized sulfur compounds

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.To implement the method, an aqueous medium (pH 7.8) prepared on the basis of an ethanol extract obtained from a straight-run gasoline fraction, which is processed to obtain oxidized organic forms of sulfur, is fed into a standard methane-generating anaerobic reactor. The concentration of oxidized organic forms of sulfur in the medium is 93 µM, and the COD is 11.9 g/l.

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.A biocatalyst consisting of a mixture of PVA cryogel granules containing cells of various microorganisms immobilized by the incorporation method is loaded into the medium in the methane reactor, in the following ratio: 75% (mass) of granules containing cells of active anaerobic methanogenic sludge (AAMS), 15% (mass) granules containing cells of Desulfovibrio desulfuricans and 10% (wt) of granules containing cells of 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.Methanogenesis takes place within 6 days, during which 100% transformation (Ys) of organic sulfur compounds into soluble inorganic sulfide is achieved with a sulfur conversion rate of 16 µM/day.

Остальные примеры, реализуемые по аналогии с Примером №1, иллюстрирующие заявляемое техническое решение, сведены в таблицу. При указанных условиях Ys составляет 100%.The remaining examples, implemented by analogy with Example No. 1, illustrating the proposed technical solution, are summarized in the table. Under these conditions, Ys is 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).Thus, the proposed technical solution allows, in comparison with the prototype, to significantly increase (by 30-127%) the concentrations of oxidized forms of sulfur-containing compounds, which can be introduced into the process and transformed into inorganic sulfide under methanogenesis conditions after extraction from the appropriate media, namely, crude oil and various petroleum fractions (vacuum gas oil, petroleum gas condensate, straight-run gasoline fraction, straight-run diesel fraction), increase the rate of complete conversion of sulfur-containing compounds (up to 2.7 times) and reduce the time of this conversion (up to 1.7 times).

Предлагаемое техническое решение позволяет:The proposed technical solution allows:

- 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,- carry out 100% biocatalytic conversion of high concentrations of oxidized sulfur-containing organic compounds into inorganic sulfide, easily included in natural sulfur cycles, and also used in industry for various purposes,

- решить проблему серосодержащих органических отходов, представляющих собой токсичные и сложные для микробной конверсии окисленные формы серы, образующиеся при окислительной химической десульфуризации разных нефтяных фракций,- solve the problem of sulfur-containing organic wastes, which are toxic and difficult for microbial conversion oxidized forms of sulfur formed during the oxidative chemical desulfurization of various oil fractions,

- 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.- solve the problem of complete utilization of the extractant used for the extraction of oxidized forms of sulfur from oil and oil fractions through conversion into biogas, which can be used as fuel.

Краткое описание чертежей:Brief description of drawings:

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.Figure 1. A general view of the process based on the combined chemical-biocatalytic desulfurization of hydrocarbon feedstocks is schematically presented. The process is based on the implementation of three successive stages: 1- chemical oxidation of sulfur-containing components of hydrocarbon raw materials, 2- separation of the obtained oxidized forms of sulfur-containing compounds from samples by extraction, 3- biotransformation of the obtained sulfur-containing extracts under anaerobic conditions, including the implementation of biocatalytic reduction reactions of oxidized forms of sulfur-containing compounds, simultaneously with the production of biogas using artificially formed microbial consortia.

Claims (1)

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.A method for biocatalytic anaerobic transformation of extracts from oil and oil fractions containing chemically oxidized sulfur compounds, including: 1) supplying an aqueous medium with a pH of 7.8-8.5, prepared on the basis of an ethanol extract containing organic oxidized forms, into a methane-generating anaerobic reactor sulfur in a concentration of up to 360 µM from crude oil or various oil fractions: vacuum gas oil, oil gas condensate, straight-run gasoline fraction, straight-run diesel fraction, and COD in a concentration of 6.7-11.9 g/l; 2) loading into the reactor a biocatalyst consisting of a mixture of polyvinyl alcohol cryogel granules, PVA containing cells of various microorganisms immobilized by the inclusion method, in the following ratio: 75-80 wt. % granules containing cells of active anaerobic methanogenic sludge, 10-15 wt. % granules containing Desulfovibrio desulfuricans cells, and 5-10 wt. % granules containing Rodococcus opacus cells; 3) methanogenesis is carried out, accompanied by the complete transformation of organic sulfur compounds into soluble inorganic sulfide with a sulfur conversion rate of 16-26 µM/day.

Images