zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp Vi sinh

Chia sẻ: Quốc Huỳnh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Báo xấu

199
lượt xem 43
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tổng quan này bàn về các tiềm năng để nâng cấp sinh học để cải thiện chất lượng của dầu thô và nhiên liệu lỏng, sử dụng chất xúc tác sinh học để nhằm làm giảm và dần loại bỏ hợp chất thơm trong dầu mỏ trong quá trình chế biến dầu. Chất xúc tác sinh học ta có thể sử dụng đó là vi khuẩn hiếu khí, vi khuần hiện này đang được thử nghiệm để khử vòng thơm trong dầu mỏ và nhiên liệu.Bằng xúc tác sinh học và phỏng đoán về việc áp dụng các hoạt tính...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp Vi sinh

Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học TRƯ NG I H C QUY NHƠN KHOA HÓA TI U LU N CÔNG NGH SINH H C KH CÁC H P CH T VÒNG THƠM TRONG D U M THEO PHƯƠNG PHÁP SINH H C Giáo viên hư ng d n : TS. Biên Cương Sinh viên th c hi n : Huỳnh c Kỳ Lp : Hóa d u K31 – H Quy Nhơn SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học I. GI I THI U T ng quan này bàn v các ti m năng nâng c p sinh h c c i thi n ch t lư ng c a d u thô và nhiên li u l ng, s d ng ch t xúc tác sinh h c nh m làm gi m và d n lo i b h p ch t thơm trong d u m trong quá trình ch bi n d u. Ch t xúc tác sinh h c ta có th s d ng ó là vi khu n hi u khí, vi khu n hi n này ang ư c th nghi m kh vòng thơm trong d u m và nhiên li u.B ng xúc tác sinh h c và ph ng oán v vi c áp d ng các ho t tính sinh h c c a chúng nâng c p d u khí g i là ch bi n sinh h c *V n t ra b i các h p ch t thơm trong d u thô và nhiên li u Hydrocacbon thơm và nh ng h p ch t d vòng nh hư ng x u n nhi u giai o n trong s n xu t, x lý, và ch bi n d u khí. S ng nh t v tính ch t c a hydrocarbon thơm và nh ng h p ch t d vòng x y ra trong các t l khác nhau trong các lo i d u thô và các s n ph m tinh ch t d u,và tùy thu c vào ngu n d u và quá trình tinh ch . Các h p ch t thơm nh hư ng n tính b n và có c tính khi d u b tràn ra môi trư ng và có các c i m quan trong ó là quá trình t cháy nghèo ng cơ diesel, như ch s cetane th p và v n t o nhi u b i cơ h c gây mài mòn cho ng cơ trong quá trình làm vi c. Trong quá trình l c d u, các h p ch t d vòng c a nitơ (nitrogen nh ng h p ch t d vòng) ví d như carbazoles …chúng gây m t ho t tính các ch t xúc tác, nh hư ng t i xúc tác hydrodesulfurization và làm gi m i lư ng l n c a H2. ng th i, quá trình t cháy các nhiên li u có ch a h p ch t d vòng c a S và N sinh ra SOx, NOx gây mưa axit. Hi u qu và chi phí h p lý x lý, chuy n i các hydrocacbon thơm và các các h p ch t d vòng trong các lo i d u thô và nhiên li u ó là v n c n quan tâm n trong ngành công nghi p l c d u. Trong quá trình tinh l c d u thông thư ng, s d ng quá trình hydro hóa áp su t cao và ch t xúc tác hóa h c làm no và b gãy các h p ch t có c u trúc vòng. Công ngh nhi t hóa này có m t s v n bao g m c ng h c ph n ng không thu n l i, tiêu th nhi u năng lư ng nhi t và khí tiêu t n nhi u khí hydro, và s n xu t ra ư c ít các s n ph m như mong mu n như các lo i hydrocarbon th khí. Các s n ph m cycloalkane t cháy t t hơn so v i các ch t thơm, nhưng ch t lư ng nhi t cháy c a nó v n còn th p so v i các h p ch t alkane m ch th ng II. QUÁ TRÌNH KH VÒNG THƠM B NG CÔNG NGH SINH H C: 1. Quá trình oxy hóa sinh h c các h p ch t thơm Ngư c v i xúc tác hóa h c, ph n ng sinh h c (qua enzyme trung gian) thì thư ng v i ch t n n c th và x y ra nhi t g n v i nhi t môi trư ng xung quanh mà không c n ph i tiêu t n hydro và không c n áp xu t cao. Tuy nhiên, yêu c u c n có nư c cho s ho t ng, c n h n h p ph n ng hai pha g m d u và nh ng h t nươc nh lơ l ng c a các t bào vi khu n. Trong ng d ng ư c xu t, m t quá trình g m hai giai o n c a quá trình b gãy vòng thơm b ng sinh h c (Biological Aromatic Ring Cleavage (BioARC)) thì ã ư c hình dung: giai o n u tiên là m vòng các h p ch t thơm b ng các ph n ng oxy hóa b i enzyme ư c sinh trư ng trư c trong toàn b t bào c a ch t xúc tác sinh h c. Theo phương pháp này hai dòng s n ph m, m t dòng s n ph m chính khi x lý d u theo BioARC có làm gi m tính thơm, và dòng s n ph m th c p là phân o n các s n ph m vòng thơm phân SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học c c tan trong nư c (ví d hình thành các h p ch t như: 2-hydroxy-2H- benzo[h]chromeene-2-carboxylic acid có c u t o và, trans-4-(1- hydroxynaph-2-yl)—oxybut-3-enoic acid có c u t o ) s ư c thu h i b ng cách chi t xu t b ng dung môi hay th m th u ngư c. Trong giai o n hai, s hydro hóa ch t hóa h c c a vòng thơm có c c thì tách ư c các s n ph m trong i u ki n êm d u hơn so v i quá trình thông thư ng s có năng su t thu các ch t alkyl-thơm có c i m t cháy thu n l i hơn so v i các h p ch t g c ho c các s n ph m cycloalkane thu ư c theo cách ch bi n v i xúc tác thông thư ng. Ti m năng bên c nh l i ích quá trình này ó là r t nh y v i các h p ch t d vòng c a S- và N- (S- and N- nh ng h p ch t d vòng) kh lưu huỳnh và nitơ sau ó, m c dù hi n nay nó chưa có ư c th nghi m h tr d oán này. M t quá trình th hai ư c mô t trong B ng sáng ch M # 6.156.946 [6] là dung phương pháp sinh h c kích ho t các h p ch t thơm (biological activation of aromatics) b ng cách s d ng t bào c a ch t xúc tác sinh h c hydro hóa ch t thơm và ch t n n d vòng trong ch t hóa d u, hình thành các h p ch t như Cis-3,4dihydroxy-3,4-dihydrophenanthrene có c u t o và 3,4-hydroxyphenanthrene có c u t o ), ti p theo là các ch t do s hydro hóa và hydro phân các h p ch t có nư c t o ra alkylaromatics theo chu kỳ. Các s n ph m khi hydro hóa thì d dàng chia tách b ng nhi t hóa hơn so v i các h p ch t g c. ây là b n ch t c a quá trình kích ho t ch t thơm (aromatic activation) trong ó các n n thì nh y hydro hóa ti p theo ho c m vòng. SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học M t s loài nitơ h u cơ ư c tìm th y trong d u thô thì c n ph i ư c lo i b trong quá trình l c d u b i vì chúng t o thành nitơ oxit trong nhiên li u khi t cháy nhiên li u. Các carbazol c bi t có kh năng kháng l i,và lo i b xúc tác hydro hóa, nitro hóa thông thư ng k t h p v i xúc tác hydro sulfur hóa, góp ph n vào s ăn mòn kim lo i trong nhà máy l c d u, và làm ng c ch t xúc tác trong nhà máy l c d u. Nghiên c u ã tìm ra nitro hóa sinh h c (biological denitrogenation), và tr ng tâm là h p ch t carbazole nó ư c xem như là h p ch t m u b i vì nó có nhi u ch ng lo i nh t và nó làm c n tr quá trình x lý hydro (hydrotreatment). M t lý thuy t nghiên c u denitrogenation sinh h c là nghiên c u dioxygenation có góc c nh c a carbazole, tách h p ch t d vòng (heterocycle) thu amin thơm v i các g c bên canh (ví d , các h p ch t như:III, 2'-aminobiphenyl-2,3-diol có c u t o và IV: 2-hydroxy-6-oxo-6-(2'aminophenyl)-hexa-2,4-dienoic acid có c u t o ). Tùy thu c vào m c trao i ch t x y ra, s n ph m ó phân c c m nh có kh năng tách nư c t d u, do ó làm gi m ư c lư ng nitơ, và t o ra m t dòng ch t chuy n hóa cho quá trình x lý riêng, ho c v n tác d ng v i pha d u thì còn tùy thu c vào s hydro hóa như là m t ít v n khó gi i quy t c a nguyên li u. Gi i quy t t t c các gi thi t này thì g n như ph c h i l i ư c hoàn toàn c u trúc m ch carbon mà không m t CO2 ho c sinh kh i. i u này có th t ư c b ng cách s d ng m t ch t xúc tác sinh h c sinh trư ng trư c (a pre-grown biocatalyst) v i m t chu i ph n ng c t ng n b i enzyme t bào c a ch t xúc tác sinh h c không s d ng hydrocarbon trong d u m to sinh kh i ho c ôxy hóa t o CO2. Quá trình ch bi n b ng phương pháp sinh h c (Bio-processing) các thành ph n thơm c a d u khí có th là m t kh thi h tr cho quá trình, ch không ph i ó là m t quá trình thay th cho quá trình nâng c p thông thư ng. ó có th là m t s ng d ng x lý b ng sinh h c phù h p s d ng l y l i d u trong m và khi nó ã ư c ti p xúc tr c ti p v i nư c, ho c áp d ng t i các nhà máy l c d u trong các b n b ch a th i gian càng dài càng t t mi n là lư ng v t li u c n ưa nhanh chóng vào quá trình thì không ph i là m t yêu c u. Nó s s n xu t ra nhiên li u có giá tr cao hơn t d u thô ho c làm gi m thành ph n thơm trung gian c a s n ph m chưng c t t i môi trư ng kh xung quanh chi phí b ng cách gi m chi phí năng lư ng trên m i mét kh i nguyên li u. Hơn n a nó có th cũng mang l i các s n ph m v i hàm lư ng nitơ, hàm lư ng lưu huỳnh th p hơn b ng cách làm cho nh ng h p ch t d vòng nh y hơn cho quá trình hydro hóa ti p theo. Nh ng c i ti n này s làm gi m s óng góp c a quá trình ch bi n và t cháy nhiên li u d n n phát th i khí gây hi u ng nhà kính và gây mưa axit, và có th kh thi v m t kinh t n u áp d ng m t cách thích h p. SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học 2. Ch t n n cho x lý sinh h c ch t thơm: a) Hydrocacbon thơm và h p ch t d vòng (Aromatic hydrocarbons and nh ng h p ch t d vòng) D u thô và h u h t các s n ph m tinh ch có ch a h n h p ph c t p c a hydrocarbon thơm và h p ch t d vòng (nh ng h p ch t d vòng). Ch t thơm không th thay th bao g m benzen, naphthalene và phenanthrene, i di n cho các mono-aromatic, di-aromatics, tri và polyaromatic (g i t t là PAH) tương ng, cũng như PAH có kh i lư ng phân t cao hơn. Dãy ng ng c a g c alkyl thay th ch t thơm cũng có m t, ch ng h n như toluene và các ch t ng phân c a xylen, methyl- và ethylnaphthalenes. Nh ng ch t thay th h p ch t d vòng c a N-, S- và O- thì ư c i di n tiêu bi u b i carbazole, dibenzothiophene và dibenzofuran, và bao g m ch t khác, và cũng xu t hi n trong h các ch t ng ng ca ankyl SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học Hình 2. Classical angular attack on carbazole showing main pathway (adapted from Ref. [11]) and some minor products [12]. Compounds: I, carbazole; II, postulated intermediate; III, 2'- aminobiphenyl-2,3-diol; IV, 2-hydroxy-6-oxo-6-(2'aminophenyl)-hexa-2,4- dienoic acid; V, 2-hydroxypenta-2,4-dienoic acid; VI, anthranilic acid. Other metabolites selected from Ref. Hi n nay, ch bi n sinh h c h p ch t thơm thì t p trung vào các ch t ng ng hai và ba vòng trong d u thô và nhiên li u chưng c t trung gian. Các monoaromatics có th làm rõ ư c v n nhi m c n ng cho các t bào c a ch t xúc tác sinh h c n ng khá th p [13]. M c khác, các ch t thơm l n hơn ba vòng g n v i nhau thì làm c n tr quá trình x lý b ng sinh h c và vì th các ch t n n không thu n l i cho quá trình x lý sinh h c. V m t hóa h c v i m c ích thu ư c là các ch t thơm hay và ba vòng (di- and tricyclic aromatics) thì ó là k t qu c a quá trình x lý hydro thông thư ng các cycloalkane, mà quá trình này thì làm gi m giá tr nhiên li u so v i alkan m ch th ng; m m t hay nhi u vòng thơm s n xu t các nhóm alkyl m ch nhánh nâng cao giá tr nhiên li u c a các s n ph m. Các h p ch t d vòng c a akyl thay th (alkyl-substituted homologues) bi u hi n nh y nh t v i quá trình oxy hóa sinh h c, v i nh ng quy lu t chung thì làm tăng kh i lư ng phân t và s thay th làm gi m tính nh y v i v i ph n ng sinh h c. M t ch t xúc tác sinh h c ph i m ư c h p nhi u vòng hay t t c các vòng c a các ch t thơm thay th và ngoài ra ph i không thay th h p ch t g c, nhưng không làm ôxy hóa các hydrocarbon c n thi t trong nguyên li u như các alkan. b) Nh ng nguyên li u thích h p: M t nguyên li u lý tư ng ch bi n sinh h c thơm có nh t th p, hàm lư ng các di- và tri-cyclic aromatic hydrocarbons ph i cao v i alkyl thay th th p. Qua th c nghi m, i u này ã ư c t b ng cách chu n b các m u d u làm m u (model oils) bao g m các ch t n n tinh khi t (pure substrates) (ch ng h n như phenanthrene và dibenzothiophene) hòa tan trong m t ch t mang béo như n-hexadecane, heptamethylnonane ho c khoáng d u nh , ho c b ng cách hòa tan các h p ch t m u trong các nguyên li u th c như các s n ph m chưng c t trung gian c a d u thô [20]. Tuy nhiên, nh ng nguyên li u th c thì không lý tư ng cho quá trình ch bi n sinh h c do các y u t bao g m nh t, kh i lư ng phân t trung bình và m c alkyl và các nguyên t thay th khác.Vi c xác nh nh t ng h c c a các lo i d u g c béo có ch a ch t thơm n ng và phân c c, và phát hi n ra kh năng phân hu sinh h c có lien quan ch t ch n làm lư ng PAH và làm gi m ho c tăng nh t ng h c (v i nh t ng h c b ng nh t ng l c c a m t ch t l ng chia cho m t c a nó). X lý sinh h c ch c ch n s b nh hư ng theo cách tương t . Ngư c l i, nh t c a nguyên li u th p khi có m t hàm lư ng cao c a các hydrocarbon có kh i lư ng phân t th p, ch ng h n như n-alkan < n-C6 và các monoaromatic như benzen và toluen, có th làm ng c ch t xúc tác sinhh c. SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học Trong các th nghi m trong phòng thí nghi m, Kotlar et al. [22] th nghi m hai xúc tác sinh h c v i 50% ngu n v t li u cung c p c a khí d u nh và xách nh ư c không làm ng c. Ngư c l i, Wu et al. [19] lưu ý s ng c ho c ho c s kìm hãm nh hư ng t m t s s n ph m chưng c t và m t thi t b c c hóa khí nh . S kìm hãm này liên quan n ph n thơm c a s n ph m chưng c t và có th gi m b t ph n nào khi pha loãng v i ch t mang béo heptamethylnonane. S gi m trong khi m vòng các h p ch t m u thì cũng ư c bi t n nhi u v i hai lo i d u thô so v i ch t mang béo không gây ng c [20]. Vì v y, có th d oán, nh hư ng c a nh t và c tính xúc tác là c trưng c a nguyên li u và ch t xúc tác sinh h c. S tăng tr ng lư ng phân t và thay th thư ng làm cho h p ch t thơm tăng kh năng ch ng l i s t n công c a vi khu n . Các h p ch t d vòng thơm có th n nh hơn vi khu n phân h y hơn hydrocarbon tương t c a chúng, và các ch t thơm v i alkyl thay th hàm lư ng cao thì chúng ã có kh năng ch u xúc tác hơn các ch t thơm không thay th . Th t không may, nh ng giai o n chúng ta chưa k t h p ư c tính ch t v t lý và thu c tính c a nguyên li u có th d oán ư c nh y c a nó trong quá trình x lý sinh h c. 3. Các y u t nh hư ng n quá trình kh thơm trong d u m : 3.1 H th ng ph n ng sinh h c: Cho dù quá trình x lý sinh h c các ch t thơm trong d u có ư c áp d ng t i nhà máy l c d u hay trong m d u thì, h th ng lò ph n ng ph i gi i quy t hai v n l n sau: V i i u ki n b m t ti p xúc là l n nh t h n ch th p nh t nh ng v n x y ra trong chuy n kh i, và cung c p y oxy ph n ng. Tuy nhiên, m t v n có liên quan v i yêu c u trư c ây, ó là s hình thành nhũ tương và cu i cùng là c n phân tách hai pha l ng và ch t xúc tác sinh h c ra kh i nhau. Trong th c t , r t nhi u nh ng v n k thu t ã ư c báo cáo trư c ây, như v i v n v quy mô phòng th c nghi m và v n quy mô s n xu t th nghi m c a quá trình kh lưu huỳnh b ng sinh h c (biodesulfurization processes) s x y ra m t lo t các va ch m v i quá trình oxy hóa vòng thơm. M t s lo i lò ph n ng có th ư c thích h p cho xúc tác sinh h c d u m , v i s l a ch n tùy thu c vào i u ki n kinh t và xem xét thu h i s n ph m. Hai lò ph n ng lo i ư c mô t dư i ây là: lò ph n ng sinh h c thông thư ng b khu y ng và lò ph n ng phóng i n. 3.1.1. Lò ph n ng sinh h c v i b khu y ng hai pha l ng S pha tr n hi u qu c n thi t cho quá trình ch bi n sinh h c có th t ư c theo quy ư c lò ph n ng sinh h c b khu y "two-liquid-phase", ch ng h n ư c mô t b i Villemur và Daugulis và ng nghi p c a h . Trong khi ó, các ng d ng khác c a lò ph n ng sinh h c hai pha l ng yêu c u b sung ch t không phân hu , không tr n l n nư c, pha ch t mang ph i phù h p hòa tan ch t n n, v i d u m , chính nguyên li u là dung môi cho ch t n n thơm và chúng không c n b sung thêm pha ch t mang. Tuy nhiên, i v i nguyên li u gây ng c, nó c n thi t xem xét vi c pha loãng nguyên li u v i m t ch t mang không gây c. Trong trư ng h p này, nó th m chí còn quan tr ng hơn m b o các ch t xúc tác sinh h c không b ôxy hóa ho c các ch t h p thành c a nguyên li u ho c ch t pha loãng tăng lên không úng m c ích. Oxy c n SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học thi t cho xúc tác sinh h c thì ư c cung c p b ng khí c a lò ph n ng two- liquid-phase(hai pha l ng), và do ó có th ư c h n ch s chuy n kh i. M c dù ch t ho t ng b m t và vi sinh v t ho t ng b m t và nhũ tương có th làm tăng hi u qu c a s hình thành gi t d u và s n nh c a nh ng gi t ó trong xúc tác sinh h c, Marcoux et al. [28] ã báo cáo r ng vi c b sung các ch t ho t ng b m t cho lò ph n ng sinh h c two-liquid-phase thì không làm tăng s chuy n hóa kh i lư ng phân t PAH, và rhamnolipids thì có tác d ng kìm hãm. M t v n quan tâm n a kèm theo ó là vi c s d ng ch t ho t ng b m t thì s làm c n tr s phân tách pha l ng ho c s lo i b các t bào ca ch t xúc tác sinh h c. gi m chi phí liên quan n vi c vi c x lý, phân tách và lo i b nư c, v lý tư ng thì c n t ư c t l th tích c a d u trên nư c ph i là t i a. Tuy nhiên, i u này có th d n t i thêm nh ng v n v s nh hóa (ví d như, nhũ tương water-inoil), c n tr vi c x lý, phân tách các pha. Do ó, t l th tích t i ưu có th s ư c xác nh b ng th c nghi m v i nguyên li u c th và ch t xúc tác sinh h c, và nhũ tương có th ư c tách b ng phương pháp ly tâm ho c b ng thi t b ly tâm ch t l ng. 3.1.2. Lò ph n ng Electro-spray (nhũ tương-giai o n ti p xúc): M t s l a ch n thay th cho lò ph n ng sinh h c khu y tr n c ng k nh, ph c t p ó là lò ph n ng electro-spray (lò ph n ng i n phun), hay lò ph n ng emulsion-phase (lò ph n ng pha nh tương), nh ng lò ph n ng này t o ra m t l c y gi a hai ch t l ng không tr n l n vào nhau b ng cách l i d ng tính d n i n khác nhau c a chúng. L c y này làm phân tán pha d n i n (dung d ch c a ch t xúc tác sinh h c) vào pha không d n i n (pha d u), t o ra m t d ng nhũ tương v i m i gi t kích thư c nh hơn 5 µm, s d ng năng lư ng ít hơn áng k hơn so v i nh ng máy khu y thông thư ng và tăng s chuy n kh i c a oxy n pha l ng. Hi u qu c a vi c pha tr n theo phương pháp này thì thu n l i ch t i a hóa di n tích b m t ti p xúc tăng hi u su t truy n ch t trong khi ó gi m thi u t i m c t i a th tích nư c c n thi t. M c dù theo lý thuy t thì có nh ng thu n l i, m t th nghi m so sánh hi u su t c a lò ph n ng electro-spray và lò ph n ng gián o n ã cho th y quá trình kh lưu huỳnh theo phương pháp sinh h c (biodesulfurization) b i Rhodococcus erythropolis IGTS8 thì hi u su t c a chúng là tương ương trong c hai h th ng, có l vì các ch t xúc tác sinh h c ã t o ra m t ch t ho t ng b m t làm tăng s tác ng c a máy khu y.Lò ph n ng Electro-spray ph i ch n g t phù h p hơn khi s d ng v i ch t xúc tác sinh h c và nó không làm sinh ra ch t ho t ng b m t sinh h c (biosurfactans).Tuy nhiên trong công ngh thì xem xét b sung thêm thì r t khó khăn, so v i thi t b pha tr n thông thư ng thì nó ph i tuân th nhi u i u ki n hơn áp d ng thi t k v i quy mô l n. 3.2. Ch t xúc tác sinh c nh: Các ki u ng d ng x lý sinh h c ư c l a ch n thì s quy t nh dù vi c c nh ch t xúc tác sinh h c là c n thi t. Vi c gi c nh các t bào thì làm phân tán và thu h i l i xúc tác s d dàng, hay ơn gi n là chia tách t s n ph m ã x lý hay tái s d ng l i ch t xúc tác. Các ch t nên c nh ph i có kh năng ch u ng s ư c s hòa tan c a nhiên li u và không ư c bám vào ch t nên SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học hay s n ph m, trong khi ó máy móc hòa tan ph i m nh c n thi t duy trùy kích thư c nh c a các gi t. M t s ch t xúc tác sinh h c h tr nh ng h th ng này cũng ư c bi t n, ch ng h n như alginate, Kcarageenan, và polyacrylamide, ư c s d ng trong nhi u ng d ng công ngh sinh h c.Nylon, nh a và urethane pre-polymer, và các polymer khác mà có nhi u l x p thì ã ư c mô t cho các ng d ng phân h y sinh h c hay ng d ng trong ch bi n b ng sinh h c. 3.3. Nuôi c y Biocatalysts thu n khi t so v i nuôi c y h n t p: T ng quan này ch xem xét vi c s d ng các biocatalysts nuôi c y thu n khi t cho quá trình x lý sinh h c, m c dù v m t lý thuy t, nuôi c y h n t p có th ư c s d ng ng th i ho c th c hi n lien ti p nhau t ư c m t lo t các ph n ng mong mu n. Ví d , m t s ít phương pháp thông thư ng ch bi n sinh h c có th bao g m m t h th ng tương t nhau ư c mô t b i Munoz et al. [37] trong ó m t t p oàn c a m t lo i t o và vi khu n làm bi n ch t phenanthrene dư i i u ki n quang h p trong m t bình ph n ng phân chia hai pha mà không có m t ngu n cung c p khí oxy bên ngoài nào. T p oàn khác ã ư c mô t trong ó hai bi n th c a PAH ư c nuôi c y cùng nhau ã oxy hóa PAH có kh i lư ng phân t l n hơn riêng nó, i u này s m r ng ra ph m vi ch t n n ng d ng trong ch bi n sinh h c các h p ch t thơm. Ch c ch n, s phân h y sinh h c các h n h p hydrocarbon ph c t p i n hình thì thư ng d a trên các t p oàn vi khu n hoàn t t vi c lo i b ch t n n, và có nhi u trư ng h p các nhóm vi khu n cùng m c dinh ho t ng k t hp làm gi m các h p ch t thơm. Hi n nay nó dư ng như không th c t thay th biocatalysis b i nhi u hơn m t sinh v t, c bi t,n u k thu t bi n i c u trúc gen di truy n là c n thi t ngăn ch n s khoáng hóa. Tuy nhiên, i u này có th là m t hư ng nghiên c u cho trong tương lai. 3.4. Qúa trình k khí: M c dù s bi n i k khí c a hydrocacbon thơm ã ư c trình bày i v i monoaromatics như toluene và w-xylen và PAH như naphthalene và phenanthrene, hi n nay chúng thì không thích h p cho quá trình ch bi n sinh h c các ch t thơm vì nhi u lý do: s bi n i k khí ư c bi t n thì r t ch m so v i ph n ng hi u khí, và tương i ít các cách nuôi c y thu n khi t ã ư c báo cáo chuy n i k khí c a các di- và tri-aromatics hay các h p ch t d vòng, và do ó m t vài chu i ph n ng d hóa ã ư c gi i thích, và các công c di truy n i u khi n các vi sinh v t k khí thì có nhi u v n ch ư a ư c làm rõ. i v i nh ng nguyên nhân này, kh năng x lý sinh h c b ng quá trình k khí là không ư c trình bày trong ph n này, m c dù trong tương lai nó có th tr thành m t quá trình áng quan tâm x lý v lâu dài. 3.5. M t s quá trình c n quan tâm khác: M t s khía c nh khác x lý b ng sinh h c h p ch t thơm s c n ph i ư c x lý trư c khi m t ưa m t quá trình ra s n xu t thương m i. M t s v n ó có th trong m t s quá trình c th khác là ph bi n trong nhi u ng d ng trong công nghi p s n xu t vi sinh v t (enzym). Bên c nh v n v mt sinh h c, v n hi u qu khi s n xu t v i quy mô l n sinh kh i có ích thì liên quan n m i ti m năng c a quá trình x lý b ng sinh h c, nhưng s l a ch n công th c hóa c a ch t xúc tác sinh d dàng và an toàn khi x lý thì cũng s SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học ph thu c vào các y u t khác nhau dù quá trình ó ư c áp d ng trong m d u hay m t nhà máy l c d u. Tương t như v y, có nhi u v n liên quan khi x lý sinh kh i ch t th i yêu c u c n lư ng nhu c u oxy sinh h c (BOD) và lư ng nhu c u oxy hóa h c (COD) nhi u, nhưng c th s khác nhau tùy thu c vào t ng v trí c a m i b ph n x lý. Tu i th c a các ch t xúc tác sinh h c và s phù h p c a nó ph c h i l i và tái s d ng cũng là ng d ng c th . V m t k thu t, các v n an toàn ã ư c t ra cho ho t ng c a lò ph n ng hai pha l ng two liquid-phase, c bi t là nhi t cao v i nh ng pha h u cơ d cháy hay áp su t cao cung c p oxy ph n ng. i v i quá trình m vòng thơm b ng phương pháp sinh h c (Biological Aromatic Ring Cleavage “BioARC”), và có th là quá trình kh nitơ b ng sinh h c (bio- denitrogenation), các v n tách và thu h i các s n ph m phân c c t pha ch a nư c ph i ư c gi i quy t, cũng như x lý chúng sau khi thu h i. 4. C TÍNH C A CH T XÚC TÁC SINH H C TRONG X LÝ CÁC H P CH T THƠM B NG PHƯƠNG PHÁP SINH H C Các thu c tính c a ch t xúc tác sinh h c (biocatalysts) trong quá trình s lý sinh h c các ch t thơm bao g m: 1. Phát tri n nhanh chóng v i m t cao trong m t môi trư ng không giãn n mà không c n hydrocarbon, t o ra sinh kh i, ho c có c u tao hay nhanh chóng suy ra ư c ho t tính c a xúc tác. 2. Ch t xúc tác ph i b n, và quá trình oxy hóa ch t thơm ph i ư c duy trì liên t c b i các t bào ã sinh trư ng trư c như m t huy n phù trong dung d ch. 3. M t lo t các ho t tính ph n tương tác l i các ch t n n alkyl-aromatic và alkyl-heterocyclic v i m t s ph n ng ph không mong mu n; 4. không có ho t tính ph n tương tác v i các ch t n n non-target ch ng h n như các hydrocarbon ; 5. M t h th ng di truy n có th ư c i u khi n cho phép tách riêng bi t t m t kh i t i m t bư c mong mu n c a enzyme, như th s ngăn ư c s m t carbon và sinh ra s n ph m oxy hóa mong mu n. 6. Tính n nh và kh năng d oán các ki u hình và t bi n không mong mu n dù s d hóa các gen là c u trúc plasmid-borne hay nhi m s c th ; 7. Ho t ng trong h th ng ph n ng two-liquid-phase ó ch t n n là pha không tr n l n nư c v i m t t s truy n th tích l n gây ra huy n phù t bào; 8. Ch t xúc tác sinh h c ph i không gây b nh an toàn khi v n chuy n và s d ng; 9. Ch u ng t t khi ph i ch u nh hư ng ng c c a nguyên li u hay các h p ch t m i t o ra b i ph n ng xúc tác sinh h c; 10. Kh năng m r ng quy mô s n xu t sinh kh i có l i ti n t i t ch c s n xu t thương m i. 4.1. Ví d c a ng c viên c a vi khu n xúc tác sinh h c: Có không thi u các chi vi khu n là các ng viên ti m năng cho kh năng chia tách ho c hydroxyl hóa vòng thơm. M t danh sách ng n g n s ch n l c SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học ví d ư c ưa ra trong B ng 1, bi t thêm thông tin chi ti t ư c xem xét trong Ref. [43]. Nh ng các ch ng có ho t ng ch ng PAH(Polycyclic aromatic hydrocarbon) và d vòng thơm, m c dù h th ng di truy n c a chúng có th ko ư c bi t n nhi u hi n nay t o ra con ư ng t bi n mong mu n. Trong s các ng c viên là nh ng h Gram âm như Pseudomonas và Gram dương như Rhodococcus. Pseudomonads t lâu ã thu hút s quan tâm như xúc tác linh ho t thư ng ư c s n xu t oxygenase t n công hydrocarbon. Rhodococci, nh ng lo i có tính c bi t s d ng con ư ng "4S" [45], ã ư c quan tâm nhi u hơn trong biodesulfurization, nhưng nói chung, di truy n h c c a chúng ít ư c c trưng. Xúc tác sinh h c có m t b m t t bào ưa nư c (ví d như Pseudomonas spp.) ph thu c vào kh i lư ng v n t i c a PAH t giai o n d u t i pha dung d ch nư c. V i n n cao không tan trong nư c (ví d , l n hơn PAH), i u này có th là m t t l h n ch y u t . Ngư c l i, vi khu n v i các b m t k nư c (ví d , Rhodococcus erythropolis IGTS8 [45]) có th t ư c liên h m t thi t v i các ch t n n b ng cách g n v i d u: nư c giao di n và có th m t các n n PAH tr c ti p t các gi t d u. Quá trình này có l i th là gi m thi u nh ng h n ch do v n chuy n kh i lư ng ch t n n, nhưng có th n nh nư c trong d u ho c d u-trong-nư c nhũ tương [46], có kh năng làm cho nó khó khăn tách d u và ch t xúc tác sinh sau khi x lí. Tương t như v y, vi khu n s n xu t ch t ho t ng b m t có th không thích h p làm biocatalysts. M c dù các s n ph m ngo i bào c a chúng có th tăng cư ng hình thành gi t và "pseudosolubilization" trong biocatalysis, chúng cũng có th n nh nhũ tương, c n tr s phân tách cu i cùng c a d u ư c x lí và pha dung d ch. Có ti m năng cho các c c tr , c bi t là thermophiles, ư c s d ng x lý sinh h c [16]. Nh ng l i th c a làm vi c t i lò ph n ng sinh h c nhi t cao hơn bao g m gi m nh t nguyên li u ( c i thi n tr n) và có th ư c x lý d u vì nó i ra kh i môi trư ng này (thư ng nhi t cao) mà không c n ph i làm mát nó n m t nhi t phù h p. Tuy nhiên, tương t h n ch c a v n chuy n hàng lo t và xa r i th c t ng d ng. B ng này không ph i là m t danh sách toàn di n, mà là m t ch s v s a d ng v h v i ti m năng x lý sinh h c thơm. SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học ng c viên xúc tác sinh h c Thích h p m i ch c ch n t n t i và có th ư c làm giàu và phân l p t môi trư ng phù h p nơi quá trình ch n l c t nhiên thu n l i ki u hình d hóa mong mu n. S d ng phương pháp vi sinh v t thông thư ng, s làm giàu có th ư c h tr b i ng d ng úng n c a l a ch n thêm áp su t trong phòng thí nghi m, v i các thao tác gen ti p theo lo i b thu c tính không mong mu n ho c thêm các ki u hình l . xác nh m t ch t xúc tác sinh ti m năng m i nó có th có y ch n l c nhóm h n h p cho vi c b sung di truy n mong mu n b i DNA: DNA lai ho c PCR, theo b i hóa ch t xác nh n c a d hóa. Tuy nhiên, s cô l p c a xúc tác sinh th c s m i l (t c là, nh ng lo i có ít tương ng bi t n gen d hóa thơm ó, m c 3.2) òi h i k thu t ph i l a ch n và sàng l c vi sinh sinh hóa c i n. áng chú ý, Kilbane et al. [70] tìm th y r ng ch t hư ng hóa ch t ơn gi n và shakeflask làm giàu c a vi khu n l có kh năng ch n l c lo i b các N d nguyên t t quinoline (C9H7N) ã không thành công, và l p i l p l i vòng làm giàu và t bi n ã ư c yêu c u ch n m t dòng v i mong mu n d bi n ho t ng. SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học 4.2. Ví d v các h th ng di truy n cho quá trình oxy hóa thơm B i vì ti m năng r ng c a xúc tác vi khu n, ó cũng là m t m ng a d ng c a các h th ng di truy n mã hóa và i u ch nh thơm hydroxyl hóa và ho t ng phân c t vòng. Nhìn chung, các catabolic thơm gen ư c quy nh như m t ho c nhi u operons có th ư c mã hóa r t l n plasmid (ví d như Novosphingobium (trư c ây Sphingomonas) aromaticivorans F199 plasmid pNLl, 184 kb [62]), kích thư c trung bình plasmid (ví d , Pseudomonas putida NCIB 9816-4 plasmid pDTGl, 84 kb [71]) ho c trên nhi m s c th (ví d , Mycobacterium sp. PYR-1 [72] và Sphingomonas sp. ANT 17 [60]). Nhi u lo i trong s nh ng vi khu n này s d ng các con ư ng thoái hóa tương t như trong hình. 1, nhưng có s lư ng ngày càng tăng c a các báo cáo c a các con ư ng m i, ch ng h n như ch t hóa h c rút t than á thoái hóa do Mycobacterium sp. LB501T [73]. Th t không may, chi ti t c tính di truy n c a h u h t các con ư ng l v n còn ư c gi i quy t s lư ng l n các giao d ch tài li u v i các mô t c a "tái phát hi n" c i n PAH catabolic gen. 4.2.1. Gene t ch c và tương ng Các gen cho quá trình oxy hóa PAH thư ng ư c t ch c thành "trên" và "dư i"Con ư ng operons (Hình 3), có th ư c ngăn cách b i nhi u kilobases [74]. S d ng ví d nguyên m u c a các naphthalene gen suy thoái mã hóa trên plasmid NAH7, con ư ng trên {nah operon) bao g m quá trình oxy hóa c a naphthalene t i salicylate, và các con ư ng th p hơn ,sal operon) mã hóa quá trình oxy hóa c a salicylate ch t chuy n hóa trung tâm (xem xét trong Tài li u tham kh o [71]. Hình 3). ó là các gen trên con ư ng quan tr ng i v i x lý sinh h c thơm mô t ây. ch c năng Tương t c a các gen nah ã ư c mô t , bao g m c Hoàn tác [75], dox [76] và Pah [77] gen trong Pseudomonas spp, PHB gen trong Sphingomonaspaucimobilis EPA505 [5S], phn gen trong Burkholderia sp. RP007 [50], phd gen trong ch ng Comamonas testosteroni [51] và Nocardioides sp. KP7 [67], l a tu i c a các gen trong Ralstonia {Pseudomonas) sp. U2 [78], và nid gen trong Mycobacterium sp. PYR-1 [72]. M t s nh ng operons di truy n tương ng v i gen nah (nah-\ ike), trong khi nh ng m t s khác c áo (Không-nah-như) trong trình t c a h và s p x p gen (ho c) có s khác bi t t c i n nah gen (xem nh n xét toàn di n trong Tài li u tham kh o. [7]). Ví d , m t s dox và Hoàn tác gen là h u như gi ng nhau [76], trong khi các gen phdA ch 60% tương ng v i gen dioxygenase khác nah [67] và các gen phn không ch hi n th ít tương ng v i gen Hoàn tác nguyên m u, nhưng cũng ư c t ch c khác nhau trong operon *50+. Trong trư ng h p c a sphingomonads (xét Ref. [59]), Sphingobium (Sphingomonas) yanoikuyae Bl và N. aromaticivorans F199 c ng thơm d hóa gen ch xa liên quan n các gen ã ư c nghiên c u pseudomonad PAH catabolic nhưng xu t hi n ư c b o t n trong sphingomonads khác. Thi u lai chéo trình t gi ng nhau trong s không tương ng PAH làm suy gi m sinh v t [79, 80] có th c n tr các màn hình phân t xác nh ng c viên m i, c áo xúc tác sinh trong môi trư ng. Trong m t s vi khu n, các t ch c gen d hóa là áng k hơn SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học ph c t p hơn nah như operons. Ví d , các gen nhi m s c th cho thơm d hóa trong m t s sphingomonads thì r i r c và dư th a [59], k t qu có kh năng t chuy n như ng gen l p i l p l i bên [7]. Thơm d hóa trong S. yanoikuyae BI liên quan n sáu operons v i con ư ng ph c t p cho mono-và d hóa thơm a vòng [83]. M t s operons d hóa là hai bên b i y u t chèn ho c liên k t v i các transposon [56, 84], t o thành có kh năng di ng "catabolic cassette". i u này có th gi i thích cho s chuy n giao rõ ràng c a chúng bên và s xu t hi n c a vi khu n khác nhau, nhưng cũng có nghĩa i v i s n nh di truy n c a m t s ng c viên xúc tác sinh. L p i l p l i chèn vào plasmid l n ho c nhi m s c th cũng có th chi m cho s hi n di n c a nhi u enzyme isofunctional, s dư th a như v y có th làm ph c t p nh ng n l c k sư ch n t bi n các bư c c th enzyme (Ph n 4). Ít hơn nhi u ã ư c công b v Gram dương PAH làm suy gi m vi khu n, ch ng h n như Mycobacterium sp. PYR-1 có c dioxygenase và monooxygenase ho t ng ch ng l i PAH và m t tr t t gen b t thư ng trong catabolic operon [72]. Dioxygenase gen thơm trong c m ch ng phylogenetically v i các gen dioxygenase khác Gram dương, bao g m c Rhodococcus và Nocardioides spp. [72], ch không ph i là Gram ã ư c nghiên c u tiêu c c nah gen. Hình 3.A. t ng quát operon t ch c i cho gen nah-Mke c i n, trích t Refs. [7,71] Các mũi tên ch hư ng phiên mã, và bóng ch ra các gen cho enzym liên quan . Aabcd mã hóa dioxygenase ban u; B dehydrogenase, C extradiol dioxygenase, D isomerase, E hydratase aldolase, F dehydrogenase salicylaldehyde. Q là không c trưng. "R" là gen quy nh phân kì sao chép mô t cho P. putida NAH7 [81]. G, H, I, N, L, J, K bao g m các operon con ư ng th p hơn cho salicylate suy thoái, có th ư c tách ra t operon trên kilobases nhi u. B. Gene t ch c c a các Pseudomonas sp. LD-2 carbazole SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học catabolic operon, chuy n th t Ref. [82]. Gen cho các ti u ơn v enzyme liên quan ư c ch nh b ng s che, M t gen mã hóa thi t b u cu i a-ti u ơn v oxygenase, CARB các enzyme weto-chia tách, và carC các hydrolase M c dù chúng tôi ang ti n tri n theo hư ng có th d oán hóa h c con ư ng c a s xu ng c p c a vi sinh v t [85], d oán và phát hi n gen mã hóa c áo này ho t ng s ư c khó khăn cho n khi chúng tôi có nhi u mô hình rút ra. 4.2.2.gen d hóa quy nh Các nah và sal operons (mã hóa naphthalene trên và dư i con ư ng d hóa) ph i trí ki m soát m t cách tương t . ã ư c nghiên c u gen toluene d hóa, như có th ư c mong i r ng h s m i quan h ti n hóa [86]. Nahr quy nh protein sao chép divergently và constitutively t operon th p hơn (Hình 3) kích ho t m t c hai operons [87, 88]. Salicylate, các ch t n n c a operon con ư ng th p hơn, ch t c m ng t nhiên c a c hai operons [81], v i 2- aminobenzoate (anthranilic acid) là m t ch t vô căn c m ng [89]. Operon nah nhân b n vô tính có th ư c th hi n và phù h p quy nh t i Escherichia coli, nhưng bi u hi n không c m ng c a nó là th p hơn b i m t cư ng khác [81]. i u này có nghĩa cho vi c xây d ng và s d ng các ch ng ch t xúc tác sinh tái t h p (Ph n 4). Trong khi ó, các quy nh c a gen d hóa c a các ch t thơm như toluene và naphthalene ã ư c nghiên c u r ng rãi, s s p t c a Gen PAH c áo ã ít ư c mô t và trong m t s trư ng h p thì không bi t ngo i tr tương t suy ra h th ng nah. i u này có th không thích h p, và trong trư ng h p c a các gen d h p khác nhau bi t n nah như gen, s s p t thư ng v n còn khó hi u. Các t ch c gen khác nhau c a m t vài không-nah-gi ng operons d h p ng ý r ng s s p t khác nhau t naphthalene và toluene mô hình. C m ng tương t khác nhau gi a các loài và operons. i v i Ví d , Romine et al. [62] ã báo cáo r ng h p ch t thơm nhi u hơn m t Là c n thi t t o ra khoáng c a naphthalene N. aromaticivorans F199. H ưa ra gi thuy t r ng các phân nhóm gen và các s p x p ph c t p trong sinh v t là k t qu trong kh năng ng th i làm suy gi m thơm nhi u ch t n n. S. paucimobilis EPA505 có ít nh t hai t ch c gen hydrocarbon d h p ư c gây ra b i m t b m t ph n ch ng chéo c a các h p ch t thơm và m t s ch t chuy n hóa [58]. M c dù các kh năng d hóa như v y c a sinh v t là n tư ng, l i th này hi n nay có áng k hơn b i s tinh vi c a các thao tác di truy n c n thi t m b o ki m soát ư c ho t ng. Tương t như v y, Marcoux et al. [28] phát hi n ra r ng vi c b sung các phân t th p tr ng lư ng PAH m t h n h p c a tr ng lư ng phân t cao PAH có hi u qu l n hơn v quá trình oxy hóa hơn ã b sung thêm các kích thích ư c bi t n như salicylate và benzoate. Tuy nhiên, báo cáo này trái ngư c v i các quan sát sau ó cùng m t nhóm [65] ngư i ánh d u tác d ng c ch c a naphthalene vào suy thoái c a PAH cao hơn b i m t t p oàn. Như trao i qua l i c a kích thích và thu c c ch là quan tr ng i v i nguyên li u hóa h c ph c t p và các s n ph m, vì v y, ch t ph n ng hi u qu nh t (s) nên ư c th c nghi m xác nh cho m i ch t xúc tác sinh trong b i c nh c a các nguyên li u ư c nâng c p. SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học Trong trư ng h p c a monoaromatics ít nh t, àn áp ch t d hóa và quy nh b i các y u t tăng trư ng ph thu c sigma vào t lên trên operonspecific quy nh (ví d như, [90]). Quy nh c a toàn c u c a PAH suy thoái ch có g n ây ã ư c gi i quy t i v i m t s sinh v t (ví d , [62]), m c dù nó có th ư c quan tr ng i v i ho t ng d h p tinh ch nh và t ư c l p i l p l i tái s d ng xúc tác sinh di ng toàn b . 4.3. Y u t di ng nh hư ng n s phù h p *Ch t n n h p thu M t s y u t v n có ch t xúc tác sinh s nh hư ng n t c ho t ng c a m t h th ng hai pha l ng, bao g m c s h p th và gi i h p th ch t n n. * b n v i dung môi Bao g m: i u ch nh nhanh chóng c a các thành ph n acid béo màng khi ti p xúc v i dung môi, thông qua ho t ng enzim hi n t i, lâu dài s n xu t lipid màng t bào b thay i nhi u kh năng ch ng hi u ng dung môi; hình thành và s tróc c a các túi có ch a dung môi, tăng quá trình trao i ch t c a dung môi khi có th , và xu t các hydrocarbon thơm t ư c b ng cách protein xuyên màng g i là bơm ra ngoài. 5. K thu t di truy n c i thi n xúc tác sinh h c: i v i nhi u chi ho c loài, k thu t phân t là m t l a ch n cho vi c c i thi n ch t xúc tác sinh h c. i v i m t s loài thì chưa có s n các công c phân t (ví d , các shuttle vector(véc tơ con thoi), bi n n p và các giao th c liên h p cho vi c nhân b n ho c transposon( o n gen) t bi n). Các thao tác kh thi bao g m nhi u phương pháp b gián o n mang l i m t s n ph m mong mu n, bi u hi n c a gen d hóa trong t bào ch có kh năng ch u dung môi ho c ch u nhi t, thoát kh i s c ch ph n h i ho c c ch ch t d hóa, quá m c, như là m t k t qu c a vi c tăng s lư ng b n sao gen ho c c i thi n c m ng, bi u hi n, và kh năng m r ng b m t ph m vi gen xáo tr n và gây t bi n hư ng i m. 5.1. t bi n, nhân b n và tái t h p ch ng loài. ngăn ch n các ch t xúc tác sinh h c oxy hóa hoàn toàn các ch t n n thơm, nó có th là c n thi t làm gián o n con ư ng suy thoái c a ch t n n (s). Trong thu t ng ơn gi n, i u này có th ư c th c hi n b i gen t bi n cho các enzyme mà cho dòng xu ng c a các s n ph m mong mu n b ng cách xoá b ho c ng ng ho t ng các insertional, ho c b ng cách ch nhân b n các gen mong mu n vào m t v t ch không có các ch c năng b sung trong các phương pháp, ho c m t s k t h p c a hai phương pháp ti p c n. Nó có th th c hi n ư c trong m t s trư ng h p t o ra các ch ng tái t h p b ng cách nhân b n gen d hoá vào t bào v t ch v i nh ng c tính mong mu n như s c kháng dung môi (xem chương 12). Hai ví d v các phương pháp này ư c ưa ra dư i ây. t o ra các ch t xúc tác sinh h c ư c s d ng trong quá trình BioARC, các o n gen t bi n ng u nhiên ã ư c th c hi n trên lo i hoang dã P. fluorescens LP6a [55] b ng phương pháp tiêu chu n. Transconjugant v i các t bi n mong mu n trên con ư ng ó ã ư c l a ch n sàng l c cho tích lũy các màu vòng cao chia tách s n ph m c a dibenzothiophene, tương t như h p SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học ch t V, hình. 1. Các t bi n phân c c coi là bư c E, hình. 1. Con ư ng th p hơn v i qui nh gen tương t NahR v n còn nguyên v n trong dòng ch t xúc tác sinh h c, salicylate là m t ch t c m ng metabolizable c a con ư ng trao i operon trên. Tương t trong nghiên c u, Kotlar et al. [22] c hi u b t ho t các gen mã hóa nahE naphthalene hydratase-aldolase (tương t như bư c E, Hình 1) S. yanoikuyae N2, làm cho nó tích t s n ph m phân c t vòng thơm. Riddle et al. [82] nhân b n vô tính và subcloned các gen d hoá t carbazole làm suy gi m sinh v t Pseudomonas sp. LD2 [12]. Mã hóa gen meta-leavage và enzyme hydrolase (carBa, carBb, carC;. Hình 3). Các xúc tác bư c C và D (Hình 2) ã b xoá t phân m nh, l i carbazole nhi u ti u ơn v gen dioxygenase (carAal, xe Aa2, carAc, carAd; Hình 3) còn nguyên v n. Subclone sau ó ã ư c chuy n vào dung môi có s c kháng, carbazole t bào ch không làm suy gi m P. putida Idaho. Các ch ng tái t h p d ki n s n xu t carbazole chuy n hoá 2-aminobiphenyldiol (h p ch t III, Hình 2) trong các ph n ng hai pha l ng v i carbazole hòa tan trong 1-methylnaphthalene. Ch ng tái t h p ho t ng trong c khi có m t hay không có m t c a 10% Xylen (n ng c ch ho t ng trong E. coli). Tuy nhiên, quá trình oxy hóa carbazole ít áng k hơn so v i quá trình ư c t o b i các t bào g c khi có ho c không có Xylen hi n di n. i u thú v là, các gen carbazole không bi u hi n trong các t bào liên quan n P. putida KT2440, bao g m các dòng c hi u bi u hi n nh ng gen d hoá này. Không th oán trư c bi u hi n gen d hoá ư c ghi nh n trong các v t ch c i n, ch ng h n như E. coli và th m chí trong các dòng v t ch liên quan (ví d , [67, 99]). ây là m t y u t xem xét n l c t o ra tái t h p các xúc tác sinh h c. 5.2. M r ng ph m vi ch t n n: Khi bi t thêm thông tin ư c công b v dioxygenases thơm và enzyme liên quan "trên" con ư ng d hóa cho thơm nh ng h p ch t d vòng, nó s tr nên kh thi hơn cho vi c t o ra các t bi n hư ng i m m r ng ph m vi ch t n n biocatalysts. Ví d , amino acid thay th v trí ho t ng c a dioxygenase naphthalene c i n Pseudomonas sp. NCIB9816-4 ã ti t l m t s khía c nh v ch t n n c a enzyme c hi u [105]. M t báo cáo g n ây [106] xác nh dư lư ng axit amin k t h p v i ch t n n c trưng c a m t dioxygenase tham gia vào tetralin phân h y sinh h c. M t s dioxygenases ã ư c ch ng minh là có trong m t lo t các ch t n n r ng [100]. Do ó, nó s có giá tr khám phá ra nh ng dãy ch t n n c a dòng xu ng c a s n ph m các ph n ng khi nó có th i di n cho "th t c chai" c a n n c hi u. Th t không may, có r t ít công b thông tin v enzym như v y và các gen c a nó, như h u h t các nghiên c u cho n nay ã ư c dành cho quá trình oxy hóa t ng bư c ban u. M t s gen d hóa t nhiên bao quanh b i các y u t ính ho c các thành ph n c a transposon ch c năng ho c không có ch c năng [56, 84].S p x p này có th t o i u ki n trao i ti n hóa c a các ti u ơn v enzyme d hoá, d n n ph m vi quán sát khác nhau c a ch t n n cho thơm dioxygenases. N u m t ch t xúc tác sinh h c không phù h p v i n n c hi u b thu h p, xáo tr n gen thì có th là m t l a ch n c i thi n ch t xúc tác sinh SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học h c, ho c b ng t nhiên (l a ch n trong chemostats ho c chuy n i các v t ch phù h p) ho c b ng cách nhân b n trong ng nghi m. Ví d , Suenaga et al. [107] ã k t h p gen cho biphenyl dioxygenase t Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707 và Burkholderia cepacia LD400 t o ra m t dioxygenase tái t h p v i m t ph m vi m r ng ch t n n. Tóm l i, xúc tác sinh h c có r t nhi u ti m năng nh các công c phân t có s n cho thao tác di truy n gen d hóa thơm c a nó. Các tr ng i quan tr ng hi n nay quá trình ch bi n sinh h c thơm cho phù h p là s hi u bi t không y v s a d ng và quy nh c a các gen này. 5. VÍ D v thơm BIO-CH BI N. 5.1. BioARC (Biological Aromatic Ring Cleavage). Quá trình m vòng BioARC là quá trình oxy hóa m t ph n c a ch t n n thơm thu ư c các s n ph m vòng thơm tương t như h p ch t IV và V, hình 1. T i pH trung tính, các s n ph m này s phân vùng vào dung d ch h n h p ph n ng hai pha l ng ph n ng, ư c ph c h i và ti p t c x lý (ví d , b ng quá trình nhi t hoá hydro cho năng su t alkylaromatics). Các nguyên li u ch bi n sinh h c và dòng ch t s chuy n hóa nên sau ó tính thơm s th p hơn. Khái ni m này cho n nay ã ư c th nghi m b ng cách s d ng ch t xúc tác sinh h c 21-41, m t dòng t bi n c a P. fluorescens LP6a [55]. G n ây, m t dòng tái t h p c a S. yanoikuyae N2 [22] cũng ã ư c th nghi m cho ho t ng này. Ch t xúc tác sinh h c 21-41 có h u h t các c tính mong mu n trong m t quá trình x lí vòng thơm b ng xúc tác sinh h c (m c 3). P. fluorescens ư c coi là không gây b nh theo B Y T Canada [108], như có nhi u ti m năng tránh các v n v an toàn sinh h c. Dòng ch t xúc tác sinh h c có ngu n g c t các transposon t bi n c a t nhiên lo i P. fluorescens LP6a [55], v i m t lo t các ch t n n thơm r ng v i kh năng oxy hóa nhi u hai_ ba vòng PAHs và nh ng h p ch t d vòng [79], cũng như homologues alkyl [9]. Ki u hình n n r ng này ư c duy trì n nh trong các t bi n m c dù nah-hke gen d hóa ư c trên 63 kb plasmid trong dòng này [55, 79]. chu n b s d ng các ch t xúc tác sinh h c, nó ư c nuôi s n qua êm mà không c n hydrocarbon mt t bào cao và c m ng v i m t trong hai salicylate ho c 2-aminobenzoate ho t ng cao. Gi ng nuôi c y c m ng ư c thu ho ch cho tái sinh trong nư c ho c m phosphate s d ng như là m t t bào ngh (t c là không phát tri n). Ch t xúc tác sinh h c ang ho t ng trong h th ng hai pha l ng v i mô hình nguyên li u (n n thơm hòa tan trong các th mang béo ho c xác th c s n ph m chưng c t [19]) và các lo i d u thô [20]. Ho t ng c a nó ã ư c ki m ch ng trong shakeflasks và trong qui mô b khu y ph n ng sinh h c [18]. Quan tr ng hơn, nó không oxy hóa hydrocarbon béo [9]. Ch t xúc tác sinh h c có ít nh t m t bơm thơm ra ngoài[97] (m c 3.3.2) m c dù toluene không ph i là m t ch t n n máy bơm này và do ó ho t ng bơm không liên quan n s c kháng c a dung môi c i n. nh hư ng c a máy bơm này n ho t ng c a xúc tác sinh h c PAH là không rõ. Hi n gen t bi n lo i tr c ti p s ư c s d ng xác nh xem c ch ra ngoài này có làm tăng t l xúc tác sinh h c PAH không. SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
Tiểu luận: Khử các hợp chất vòng thơm trong dầu mỏ bằng phương pháp sinh học Ch t xúc tác sinh h c 21-41 t o ra các s n ph m vòng chia tách d ki n t dibenzothiophene [109] và phenanthrene như các h p ch t mô hình, ư c xác nh b ng quang ph , s c ký khí ph kh i lư ng. T l các ch t chuy n hóa (s) t o ra (ví d như h p ch t IV và V, hình 1) ã không ư c xác nh, như các tiêu chu n thương m i xác th c có s n. B t k , thành ph n ng phân không có kh năng u quan tr ng trong s chuy n hóa thu h i ho c x lý hóa h c ti p theo. Ngoài ra các d oán s n ph m, thêm vòng các s n ph m tách t chúng ã ư c quan sát, bao g m m t v i m t kh i lư ng phân t hai ơn v l n hơn d ki n (Hình 4), có th i di n cho m t ph n gi m m t s n ph m vòng chia tách [110]. Các bên ph n ng ã ư c suy ra, v i quá trình oxy hóa c a các ch t alkyl v i rư u [9] và lưu huỳnh heteroatoms v i sulfoxides [19]. i u này có th là m t h qu c a s không ch n l c oxidations ư c th c hi n b i enzyme Nah-like c a nó [100]. M t s ít nghiên c u ã ư c th c hi n ngoài trên hydro hóa h c ư c quan sát s n ph m quá trình oxy hóa, và m t nghiên cu y tương t như quá trình oxy hóa s n ph m carbazole ([111], Ph n 5.3) là c n thi t. Quá trình BioARC ã ư c xem xét cho c hai lĩnh v c trong nhà máy l c d u là ng d ng, x lý s n ph m chưng c t (ví d , ng cơ diesel), ho c d u thô, tương ng. Chi ti t các quy trình ư c t i ưu hóa liên quan n làm b t nh ch t xúc tác sinh x lí và tách, tái s d ng và m t n a chu kì s ng c a các ch t xúc tác sinh, tách các t bào t pha l ng, và x lý dòng s n ph m cũng như xác nh t i a nguyên li u: t l phân tách t bào. Tuy nhiên, k t qu cho n nay ti m năng h tr c a BioARC cho xăng d u sinh h c ch bi n. 6.2. Kích ho t sinh h c c a ch t thơm: US Patent # 6156946 [6] mô t m t quá trình k t h p sinh h c và i u tr hóa h c c a ch t n n thơm bao g m mono-, di-và tricylic thơm hydrocarbon cũng như là thay th nó và các ch t tương t d vòng trong nguyên li u xác th c. Bư c u tiên là hydroxyl hóa c a các ch t thơm s d ng vi khu n t bi n ho c tái t h p t o ra ho c dihydrodiol ho c dihydroxy d n xu t (bư c A và B, Hình 1). Bư c th hai là tách nư c nhi t cao (200 - 600 ° C) trong môi trư ng CO và không có O2. áng chú ý, s hydro hóa ho c x lí hydrogenolysis ư c mô t trong Patent không yêu c u trư c khi tách các pha h u cơ và dung d ch nư c (M c dù nh hư ng s có m t c a t bào ch t xúc tác sinh h c không ư c c p). X lí v m t lý thuy t này t ư c s phân c t vòng và (ho c) lo i b các thơm heteroatom N và S, dòng s n ph m năng su t v i tr ng lư ng phân t th p và gi m hàm lư ng heteroatom. Tùy thu c vào các i u ki n ph n ng, ch t hydrogenolysis c a dihydroxybiphenyls là s n lư ng phenol, alkyl phenol, monohydroxybiphenyls, dihydroxybiphenyls methyl hóa, cyclohexyl và cyclopentylbenzenes, alkylbenzenes và dihydronaphthalenes, m t s s n ph m khác. Tuy nhiên, không có ví d c th lo i b heteroatom ư c mô t trong các b ng sáng ch , và s chuy n i các h n h p n n có m t trong nguyên li u xác th c cũng không hi u qu . M t s ch ng vi khu n ã ra ư c xúc tác sinh h c phù h p cho quá trình, bao g m các ch ng t bi n c a P. putida F b ngăn l i t i bư c dehydro hóa (Bư c B, Hình 1) cw-dihydrodiols tích lũy, ho c bư c catechol SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng

172 tài liệu

841 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.