磁性納米顆粒固定化硫堿弧菌及其脫硫工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微生物固定化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于Fe304磁性納米顆粒的固定化硫堿弧菌，其制備方法以及使用其的脫硫工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]硫循環(huán)作為地球化學(xué)循環(huán)中主要的組成部分，在人類生產(chǎn)生活方面發(fā)揮著重要的作用。特別是近些年，隨著環(huán)境地不斷惡化，以酸雨為代表的硫污染，給人類的生存帶來了極大的威脅。酸雨主要是由化石燃料燃燒和火山噴發(fā)產(chǎn)生的二氧化硫經(jīng)氧化產(chǎn)生的。天然氣作為化石燃料的一種，在燃燒過程中會產(chǎn)生二氧化硫。主要是因為天然氣中含有一定量的硫化氫，不僅對鉆井、套管、集輸管線等設(shè)備具有強烈的腐蝕作用，而且產(chǎn)生的二氧化硫污染環(huán)境。天然氣中含有的硫化物有H2s、硫醇、硫醚、二硫化碳和硫化羰，其中天然氣生物脫硫工藝處理的主要對象是H2s，硫化氫(h2s)是一種劇毒氣體，對動物、微生物都有毒害作用，還會造成石油煉制過程的催化劑中毒，降低產(chǎn)品收率，引起設(shè)備和管路腐蝕，降低使用壽命。因此，脫硫是石油和天然氣油氣集輸過程和石化產(chǎn)品加工的重要工序。
[0003]目前，針對硫化氫脫除的方法主要有物理吸附法、化學(xué)法、膜分離法及生物法。物理吸附主要是采用有機溶劑和多孔吸附材料，然而有機溶劑吸附需要在低溫、高壓的環(huán)境下操作，對設(shè)備的材質(zhì)要求較高。而多孔吸附材料像活性炭，吸附率低，且隨著飽和度的增力口，效率降低。雖然有報道活性炭可以用于硫化氫的深度脫硫，沼氣經(jīng)熱處理活性炭脫硫后，硫化氫含量可以降到0.5ppm以下。但是，活性炭脫除硫化氫反應(yīng)非常復(fù)雜，受吸附劑和氣體的一系列物理和化學(xué)特性的影響(參見，Monteleone G, de Francesco M, Galli
S,Marchetti M, Naticch1ni V.Chemical Engineering Journal, 2011，173(2):407-414)?；瘜W(xué)法脫除硫化氫分為化學(xué)吸附法和化學(xué)氧化法，前者利用堿性溶液將硫化氫反應(yīng)生成相應(yīng)的鹽，后者利用化學(xué)氧化劑將石油和天然氣中硫化氫氧化，生物脫硫技術(shù)具有經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外相關(guān)研究與應(yīng)用均展現(xiàn)出快速增長的勢頭。H2S的脫除技術(shù)主要有L0-CAT工藝、Amine-Claus工藝、膜分離法和生物脫硫等。微生物脫硫是利用微生物的代謝作用將H2S轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫等。以鏈烷醇胺為堿性溶液的胺吸收是天然氣凈化的主要方法，如乙醇胺、二乙醇胺、二甘醇胺、二異丙醇胺、N-甲基二乙醇胺等，該方法通常需要在高溫下，并且原料價格昂貴。氧化鐵法是化學(xué)氧化法中一種常用的脫硫方法，主要用于粗脫硫和低含硫氣體精脫。生物脫硫具有低能耗、高效率、設(shè)備簡單、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)的生物脫硫中所采用的微生物對環(huán)境變化敏感，過程控制復(fù)雜。
[0004]嗜鹽嗜喊硫喊弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCC N0.8497)是本實驗室從內(nèi)蒙古鄂爾多斯鹽堿湖中分離到的一株專性自養(yǎng)型硫氧化細菌，它利用hco3作為碳源，還原性的無機硫復(fù)合物作為硫源，隸屬于硫堿弧菌屬。該屬微生物的特點是專性嗜鹽嗜堿，能夠氧化硫化物、硫代硫酸鹽、單質(zhì)硫、亞硫酸鹽、連多硫酸鹽(參見，SorokinDY,Kuenen JG,Jetten M, Arch Microb1l,2001 ; 175:94-101 ;Sorokin DY,AntipovAN, Kuenen JG, Arch Microb1l 2003;180:127-133.)。該屬菌的生長 pH 范圍是 7.5 ?10.65之間，鈉離子濃度0.2?4M之間。Th1alkalivibr1 versutus D301除在鹽堿湖硫循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵作用外，還在廢水和廢氣生物脫除硫化物方面具有良好的應(yīng)用前景。
[0005]雖然,Th1alkalivibr1 versutus D301具有很多優(yōu)點,然而在實際應(yīng)用中仍然存在著許多問題。首先，它是一種自養(yǎng)微生物，生長周期長，細胞量少；其次，生長到后期，細胞易于與產(chǎn)生的硫單質(zhì)結(jié)合在一起，不利于硫單質(zhì)的分離；再有，硫單質(zhì)與細胞結(jié)合，加快了硫單質(zhì)的進一步氧化，不利于硫單質(zhì)的積累。對于上述缺陷，可以采用細胞固定化進行解決:一方面，通過細胞固定化實現(xiàn)細胞的多次重復(fù)利用，以解決細胞生長緩慢，生物量低的問題；另一方面，通過細胞固定化減少細胞與硫單質(zhì)的結(jié)合，從而利于后期單質(zhì)硫的積累和分離。
[0006]目前，常用的細胞固定化的方法有包埋法和吸附法。包埋法，具有生物相容性好，固定化效率高，成本低等優(yōu)點，應(yīng)用范圍較廣；但是，傳統(tǒng)的包埋法傳質(zhì)阻力和空間位阻大，因而生物活性較低。吸附法，降低了傳統(tǒng)包埋法傳質(zhì)阻力，然而，受限于生物量負載量，結(jié)合力，生物催化活性，以及操作穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述嗜鹽嗜喊硫喊弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCC N0.8497)在實際應(yīng)用中所存在的問題，本發(fā)明提出一種基于Fe304磁性納米顆粒的固定化硫堿弧菌，其制備方法以及使用其的脫硫工藝。本發(fā)明的Fe304磁性納米顆粒固定化硫堿弧菌的脫硫活性高，可重復(fù)使用；并且減少了與單質(zhì)硫的吸附，因而降低了單質(zhì)硫的進一步氧化，便于單質(zhì)硫的分離純化。
[0008]為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]第一方面，本發(fā)明提供了一種基于Fe304磁性納米顆粒的固定化硫堿弧菌，其通過使Fe304磁性納米顆粒吸附在嗜鹽嗜堿硫堿弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCCN0.8497)的細胞表面而得；
[0010]作為優(yōu)選，所述Fe304磁性納米顆粒為Fe304超順磁性納米顆粒；
[0011]優(yōu)選地,所述Fe304磁性納米顆粒的直徑為10-50nm,優(yōu)選為10?20nm ；
[0012]優(yōu)選地，所述Fe304磁性納米顆粒采用共沉淀法制得。
[0013]所述嗜鹽嗜堿硫堿弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心(CGMCC)，其地址為:北京市朝陽區(qū)北辰西路1號院3號，中國科學(xué)院微生物研究所，郵政編碼:100101 ;保藏日期為2013年11月25日，保藏編號為 CGMCC N0.8497。
[0014]本發(fā)明基于Fe304磁性納米顆粒的固定化硫喊弧菌具有較聞的脫硫效率，聞達9 5 %以上，與游離的硫堿弧菌的脫硫效率相當(dāng)；在外加磁場的作用下，易于實現(xiàn)回收、再生，并且在重復(fù)利用3-6次后，仍然保持較高的脫硫效率，有效克服了嗜鹽嗜堿硫堿弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301生長周期長，細胞量少的缺陷。
[0015]第二方面，本發(fā)明提供了如第一方面所述的固定化硫堿弧菌的制備方法，該制備方法包括:
[0016]在NaHC03緩沖溶液中，使Fe304磁性納米顆粒與嗜鹽嗜堿硫堿弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCC N0.8497)充分接觸而得。
[0017]上述制備方法中，作為優(yōu)選，所述NaHC03緩沖溶液的濃度為0.1?1.0M,優(yōu)選為0.3?0.8M，更優(yōu)選為0.5M ;其pH值7.0?12.0，優(yōu)選為9.0?11.5，更優(yōu)選為9.2。
[0018]作為優(yōu)選，所述Fe304磁性納米顆粒為Fe304超順磁性納米顆粒；
[0019]優(yōu)選地,所述Fe304磁性納米顆粒的直徑為10-50nm,優(yōu)選為10?20nm ；
[0020]優(yōu)選地，所述Fe304磁性納米顆粒采用共沉淀法制得。
[0021]作為優(yōu)選，所述Fe304超順磁性納米顆粒與硫堿弧菌的細胞干重的重量比為1:(20?400)，優(yōu)選為1:(100?200)，更優(yōu)選為1:100。
[0022]作為優(yōu)選，上述制備方法還包括將獲得的基于Fe304超順磁性納米顆粒的固定化硫堿弧菌通過外加磁場進行分離的步驟；
[0023]進一步優(yōu)選地,所述外加磁場為磁場強度為0?6000奧斯特的永磁場或電磁場。
[0024]在一個具體的實施方案中，如第一方面所述的固定化硫堿弧菌的制備方法包括如下步驟:
[0025](1) Fe304超順磁性納米顆粒的制備:
[0026]在盛有400mL蒸餾水的1L攪拌式反應(yīng)器中按Fe3+:Fe2+物質(zhì)的量之比為2: 1的比例加入三氯化鐵和氯化亞鐵，在氮氣保護下升溫到90°C，傾入過量濃氨水溶液，繼續(xù)恒溫30min ;冷卻至室溫，產(chǎn)物用磁鐵分離后，經(jīng)去離子水反復(fù)清洗，加入去離子水，制成濃度為20?150mg/L顆粒液體，在4°C儲存?zhèn)溆茫?br>[0027]該步驟的反應(yīng)原理為:2Fe3++Fe2++80H— Fe304+4H20。
[0028](2)嗜鹽嗜喊硫喊弧菌 Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCC N0.8497)的培養(yǎng):