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

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHỬ CÁC HỢP CHẤT VÒNG THƠM TRONG DẦU MỎ

THEO PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Giáo viên hướng dẫn : TS Đỗ Biên Cương

Sinh viên thực hiện : Huỳnh Đức Kỳ

Lớp : Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn

I GIỚI THIỆU

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 sinh học của chúng để nâng cấp dầu khí gọi là chế biến sinh học

*Vấn đề đặt ra bởi các hợp chất thơm trong dầu thô và nhiên liệu

Hydrocacbon thơm và những hợp chất dị vòng ảnh hưởng xấu đến nhiều giai đoạn trong sản xuất, xử lý, và chế biến dầu khí Sự đồng nhất về tính chất của hydrocarbon thơm và những hợp chất dị vòng xảy ra trong các tỷ lệ khác nhau trong các loại dầu thô và các sản phẩm tinh chế từ dầu,và tùy thuộc vào nguồn dầu và quá trình tinh chế Các hợp chất thơm ảnh hưởng đến tính bền và

có độc tính khi dầu bị tràn ra môi trường và có các đặc điểm quan trong đó là quá trình đốt cháy nghèo ở động cơ diesel, như chỉ số cetane thấp và vấn đề tạo nhiều bụi cơ học gây mài mòn cho động cơ trong quá trình làm việc Trong quá trình lọc dầu, các hợp chất dị vòng của nitơ (nitrogen những hợp chất dị vòng)

ví dụ như carbazoles …chúng gây mất hoạt tính các chất xúc tác, ảnh hưởng tới xúc tác hydrodesulfurization và làm giảm đi lượng lớn của H2 Đồng thời, quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa hợp chất dị vòng của S và N sinh ra SOx,

NOx gây mưa axit Hiệu quả và chi phí hợp lý để xử lý, chuyển đổi các hydrocacbon thơm và các các hợp chất dị vòng trong các loại dầu thô và nhiên liệu đó là vấn đề cần quan tâm đến trong ngành công nghiệp lọc dầu

Trong quá trình tinh lọc dầu thông thường, sử dụng quá trình hydro hóa

ở áp suất cao và chất xúc tác hóa học để làm no và bẻ gãy các hợp chất có cấu trúc vòng Công nghệ nhiệt hóa này có một số vấn đề bao gồm cả động học phản ứng không thuận lợi, tiêu thụ nhiều năng lượng nhiệt và khí tiêu tốn nhiều khí hydro, và sản xuất ra được ít các sản phẩm như mong muốn như các loại hydrocarbon ở thể khí Các sản phẩm cycloalkane đốt cháy tốt hơn so với các chất thơm, nhưng chất lượng nhiệt cháy của nó vẫn còn thấp so với các hợp chất alkane mạch thẳng

II QUÁ TRÌNH KHỬ VÒNG THƠM BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC:

1 Quá trình oxy hóa sinh học các hợp chất thơm

Ngược với xúc tác hóa học, phản ứng sinh học (qua enzyme trung gian) thì thường với chất nền cụ thể và xảy ra ở nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trường xung quanh mà không cần phải tiêu tốn hydro và không cần ở áp xuất cao Tuy nhiên, yêu cầu cần có nước cho sự hoạt động, cần hỗn hợp phản ứng hai pha gồm dầu và những hạt nươc nhỏ lơ lững của các tế bào vi khuẩn

Trong ứng dụng được đề xuất, một quá trình gồm hai giai đoạn của quá trình bẻ gãy vòng thơm bằng sinh học (Biological Aromatic Ring Cleavage (BioARC)) thì đã được hình dung: giai đoạn đầu tiên là mở vòng các hợp chất thơm bằng các phản ứng oxy hóa bởi enzyme được sinh trưởng trước trong toàn bộ tế bào của chất xúc tác sinh học Theo phương pháp này hai dòng sản phẩm, một dòng sản phẩm chính khi xử lý dầu theo BioARC có làm giảm tính thơm, và dòng sản phẩm thứ cấp là phân đoạn các sản phẩm vòng thơm phân

cực tan trong nước (ví dụ hình thành các hợp chất như:

2-hydroxy-2H-benzo[h]chromeene-2-carboxylic acid có cấu tạo và,

trans-4-(1-hydroxynaph-2-yl)—oxybut-3-enoic acid có cấu tạo ) sẽ được thu hồi bằng cách chiết xuất bằng dung môi hay thẩm thấu ngược Trong giai đoạn hai, sự hydro hóa chất hóa học của vòng thơm có cực thì tách được các sản phẩm trong điều kiện êm dịu hơn so với quá trình thông thường sẽ có năng suất thu các chất alkyl-thơm có đặc điểm đốt cháy thuận lợi hơn so với các hợp chất gốc hoặc các sản phẩm cycloalkane thu được theo cách chế biến với xúc tác thông thường

Tiềm năng bên cạnh lợi ích quá trình này đó là rất nhạy với các hợp chất

dị vòng của S- và N- (S- and N- những hợp chất dị vòng) để khử lưu huỳnh và nitơ sau đó, mặc dù hiện nay nó chưa có được thử nghiệm để hỗ trợ dự đoán này

Một quá trình thứ hai được mô tả trong Bằng sáng chế Mỹ # 6.156.946 [6] là dung phương pháp sinh học để kích hoạt các hợp chất thơm (biological activation of aromatics) bằng cách sử dụng tế bào của chất xúc tác sinh học để hydro hóa chất thơm và chất nền dị vòng trong chất hóa dầu, hình thành các

hợp chất như Cis-3,4dihydroxy-3,4-dihydrophenanthrene có cấu tạo

và 3,4-hydroxyphenanthrene có cấu tạo ), tiếp theo là các chất do sự hydro hóa và hydro phân các hợp chất có nước tạo ra alkylaromatics theo chu

kỳ Các sản phẩm khi hydro hóa thì dể dàng để chia tách bằng nhiệt hóa hơn so với các hợp chất gốc Đây là bản chất của quá trình kích hoạt chất thơm (aromatic activation) trong đó các nền thì nhạy để hydro hóa tiếp theo hoặc để

mở vòng

Một số loài nitơ hữu cơ được tìm thấy trong dầu thô thì cần phải được loại bỏ trong quá trình lọc dầu bởi vì chúng tạo thành nitơ oxit trong nhiên liệu khi đốt cháy nhiên liệu Các carbazol đặc biệt có khả năng kháng lại,và loại bỏ xúc tác hydro hóa, nitro hóa thông thường kết hợp với xúc tác hydro đề sulfur hóa, góp phần vào sự ăn mòn kim loại trong nhà máy lọc dầu, và làm ngộ độc chất xúc tác trong nhà máy lọc dầu Nghiên cứu đã tìm ra nitro hóa sinh học (biological denitrogenation), và trọng tâm là hợp chất carbazole nó được xem như là hợp chất mẫu bởi vì nó có nhiều chủng loại nhất và nó làm cản trở quá trình xử lý hydro (hydrotreatment) Một lý thuyết để nghiên cứu denitrogenation sinh học là nghiên cứu dioxygenation có góc cạnh của carbazole, tách hợp chất dị vòng (heterocycle) để thu amin thơm với các gốc bên canh (ví dụ, các hợp chất như:III, 2'-aminobiphenyl-2,3-diol có cấu tạo

và IV: 2-hydroxy-6-oxo-6-(2'aminophenyl)-hexa-2,4-dienoic acid

có cấu tạo )

Tùy thuộc vào mức độ trao đổi chất xảy ra, sản phẩm đó phân cực đủ mạnh để

có khả năng tách nước từ dầu, do đó làm giảm được lượng nitơ, và tạo ra một dòng chất chuyển hóa để cho quá trình xử lý riêng, hoặc vẫn tác dụng với pha dầu thì còn tùy thuộc vào sự hydro hóa như là một ít vấn đề khó giải quyết của nguyên liệu Giải quyết tất cả các giả thiết này thì gần như phục hồi lại được hoàn toàn cấu trúc mạch carbon mà không mất CO2 hoặc sinh khối Điều này

có thể đạt được bằng cách sử dụng một chất xúc tác sinh học sinh trưởng trước (a pre-grown biocatalyst) với một chuổi phản ứng cắt ngắn bởi enzyme để tế bào của chất xúc tác sinh học không sử dụng hydrocarbon trong dầu mỏ để tạo sinh khối hoặc ôxy hóa để tạo CO2

Quá trình chế biến bằng phương pháp sinh học (Bio-processing) các thành phần thơm của dầu khí có thể là một khả thi để hỗ trợ cho quá trình, chứ không phải đó là một quá trình để thay thế cho quá trình nâng cấp thông thường Đó có thể là một số ứng dụng xử lý bằng sinh học phù hợp để sử dụng lấy lại dầu trong mỏ và khi nó đã được tiếp xúc trực tiếp với nước, hoặc áp dụng tại các nhà máy lọc dầu ở trong các bồn bể chứa ở thời gian càng dài càng tốt miễn là lượng vật liệu cần đưa nhanh chóng vào quá trình thì không phải là một yêu cầu Nó sẽ sản xuất ra nhiên liệu có giá trị cao hơn từ dầu thô hoặc làm giảm thành phần thơm trung gian của sản phẩm chưng cất tại môi trường khử xung quanh chi phí bằng cách giảm chi phí năng lượng trên mỗi mét khối nguyên liệu Hơn nữa nó có thể cũng mang lại các sản phẩm với hàm lượng nitơ, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn bằng cách làm cho những hợp chất dị vòng nhạy hơn để cho quá trình hydro hóa tiếp theo Những cải tiến này sẽ làm giảm

sự đóng góp của quá trình chế biến và đốt cháy nhiên liệu dẫn đến phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính và gây mưa axit, và có thể khả thi về mặt kinh tế nếu áp

dụng một cách thích hợp

2 Chất nền cho xử lý sinh học chất thơm:

a) Hydrocacbon thơm và hợp chất dị vòng (Aromatic hydrocarbons and những hợp chất dị vòng)

Dầu thô và hầu hết các sản phẩm tinh chế có chứa hỗn hợp phức tạp của hydrocarbon thơm và hợp chất dị vòng (những hợp chất dị vòng) Chất thơm không thể thay thế bao gồm benzen, naphthalene và phenanthrene, đại diện cho các mono-aromatic, di-aromatics, tri và polyaromatic (gọi tắt là PAH) tương ứng, cũng như PAH có khối lượng phân tử cao hơn Dãy đồng đẳng của gốc alkyl thay thế chất thơm cũng có mặt, chẳng hạn như toluene và các chất đồng phân của xylen, methyl- và ethylnaphthalenes Những chất thay thế hợp chất dị vòng của N-, S- và O- thì được đại diện tiêu biểu bởi carbazole, dibenzothiophene và dibenzofuran, và bao gồm chất khác, và cũng xuất hiện

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, dienoic acid; V,

2-hydroxy-6-oxo-6-(2'aminophenyl)-hexa-2,4-2-hydroxypenta-2,4-dienoic acid; VI, anthranilic acid Other metabolites selected from Ref

Hiện nay, chế biến sinh học hợp chất thơm thì tập trung vào các chất đồng đẳng hai và ba vòng trong dầu thô và nhiên liệu chưng cất trung gian Các monoaromatics có thể làm rõ được vấn đề nhiễm độc nặng cho các tế bào của chất xúc tác sinh học ở nồng độ khá thấp [13] Mặc khác, các chất thơm lớn hơn ba vòng gắn với nhau thì làm cản trở quá trình xử lý bằng sinh học và vì thế các chất nền không thuận lợi cho quá trình xử lý sinh học Về mặt hóa học với mục đích thu được là các chất thơm hay và ba vòng (di- and tricyclic aromatics) thì đó là kết quả của quá trình xử lý hydro thông thường các cycloalkane, mà quá trình này thì làm giảm giá trị nhiên liệu so với alkan mạch thẳng; mở một hay nhiều vòng thơm để sản xuất các nhóm alkyl mạch nhánh

để nâng cao giá trị nhiên liệu của các sản phẩm

Các hợp chất dị vòng của akyl thay thế (alkyl-substituted homologues) biểu hiện nhạy nhất với quá trình oxy hóa sinh học, với những quy luật chung thì làm tăng khối lượng phân tử và sự thay thế làm giảm tính nhạy với với phản ứng sinh học Một chất xúc tác sinh học phải mở được hợp nhiều vòng hay tất

cả các vòng của các chất thơm thay thế và ngoài ra phải không thay thế hợp chất gốc, nhưng không làm ôxy hóa các hydrocarbon cần thiết trong nguyên liệu như các alkan

b) Những nguyên liệu thích hợp:

Một nguyên liệu lý tưởng để chế biến sinh học thơm có độ nhớt thấp, hàm lượng các di- và tri-cyclic aromatic hydrocarbons phải cao với alkyl thay thế thấp Qua thực nghiệm, điều này đã được đạt bằng cách chuẩn bị các mẫu dầu làm mẫu (model oils) bao gồm các chất nền tinh khiết (pure substrates) (chẳng hạn như phenanthrene và dibenzothiophene) hòa tan trong một chất mang béo như n-hexadecane, heptamethylnonane hoặc khoáng dầu nhẹ, hoặc bằng cách hòa tan các hợp chất mẫu trong các nguyên liệu thực như các sản phẩm chưng cất trung gian của dầu thô [20] Tuy nhiên, những nguyên liệu thực thì không lý tưởng cho quá trình chế biến sinh học do các yếu tố bao gồm

độ nhớt, khối lượng phân tử trung bình và mức độ alkyl và các nguyên tử thay thế khác.Việc xác định độ nhớt động học của các loại dầu gốc béo có chứa chất thơm nặng và phân cực, và phát hiện ra khả năng phân huỷ sinh học có lien quan chặt chẽ đến làm lượng PAH và làm giảm hoặc tăng độ nhớt động học (với độ nhớt động học bằng độ nhớt động lực của một chất lỏng chia cho mật

độ của nó) Xử lý sinh học chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng theo cách tương tự Ngược lại, độ nhớt của nguyên liệu thấp khi có một hàm lượng cao của các hydrocarbon có khối lượng phân tử thấp, chẳng hạn như n-alkan < n-C6 và các monoaromatic như benzen và toluen, có thể làm ngộ độc chất xúc tác sinhhọc

Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, Kotlar et al [22] thử nghiệm hai xúc tác sinh học với 50% nguồn vật liệu cung cấp của khí dầu nhẹ và xách định được không làm ngộ độc Ngược lại, Wu et al [19] lưu ý sự ngộ độc hoặc hoặc

sự kìm hãm ảnh hưởng từ một số sản phẩm chưng cất và một thiết bị cốc hóa khí nhẹ Sự kìm hãm này liên quan đến phần thơm của sản phẩm chưng cất và

có thể giảm bớt phần nào khi pha loãng với chất mang béo heptamethylnonane

Sự giảm trong khi mở vòng các hợp chất mẫu thì cũng được biết đến nhiều với hai loại dầu thô so với chất mang béo không gây ngộ độc [20] Vì vậy, có thể

dự đoán, ảnh hưởng của độ nhớt và độc tính xúc tác là đặc trưng của nguyên liệu và chất xúc tác sinh học Sự tăng trọng lượng phân tử và thay thế thường làm cho hợp chất thơm tăng khả năng chống lại sự tấn công của vi khuẩn Các hợp chất dị vòng thơm có thể ổn định hơn để vi khuẩn phân hủy hơn hydrocarbon tương tự của chúng, và các chất thơm với alkyl thay thế ở hàm lượng cao thì chúng đã có khả năng chịu xúc tác hơn các chất thơm không thay thế Thật không may, ở những giai đoạn chúng ta chưa kết hợp được tính chất vật lý và thuộc tính của nguyên liệu để có thể dự đoán được độ nhạy của nó trong quá trình xử lý sinh học

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử thơm trong dầu mỏ:

3.1 Hệ thống phản ứng sinh học:

Cho dù quá trình xử lý sinh học các chất thơm trong dầu có được áp dụng tại nhà máy lọc dầu hay trong mỏ dầu thì, hệ thống lò phản ứng phải giải quyết hai vấn đề lớn sau: Với điều kiện bề mặt tiếp xúc là lớn nhất để hạn chế thấp nhất những vấn đề xảy ra trong chuyển khối, và cung cấp đầy đủ oxy để phản ứng Tuy nhiên, một vấn đề có liên quan với yêu cầu trước đây, đó là sự hình thành nhũ tương và cuối cùng là cần phân tách hai pha lỏng và chất xúc tác sinh học ra khỏi nhau Trong thực tế, rất nhiều những vấn đề kỹ thuật đã được báo cáo trước đây, như với vấn đề về quy mô phòng thực nghiệm và vấn

đề quy mô sản xuất thử nghiệm của quá trình khử lưu huỳnh bằng sinh học (biodesulfurization processes) sẽ xảy ra một loạt các va chạm với quá trình oxy hóa vòng thơm Một số loại lò phản ứng có thể được thích hợp cho xúc tác sinh học dầu mỏ, với sự lựa chọn tùy thuộc vào điều kiện kinh tế và xem xét thu hồi sản phẩm Hai lò phản ứng loại được mô tả ở dưới đây là: lò phản ứng sinh học thông thường bể khuấy động và lò phản ứng phóng điện

3.1.1 Lò phản ứng sinh học với bể khuấy động hai pha lỏng

Sự pha trộn hiệu quả cần thiết cho quá trình chế biến sinh học có thể đạt được theo quy ước lò phản ứng sinh học bể khuấy "two-liquid-phase", chẳng hạn được mô tả bởi Villemur và Daugulis và đồng nghiệp của họ Trong khi đó, các ứng dụng khác của lò phản ứng sinh học hai pha lỏng yêu cầu bổ sung chất không phân huỷ, không trộn lẫn nước, pha chất mang phải phù hợp để hòa tan chất nền, với dầu mỏ, chính nguyên liệu là dung môi cho chất nền thơm và chúng không cần bổ sung thêm pha chất mang Tuy nhiên, đối với nguyên liệu gây ngộ độc, nó cần thiết xem xét việc pha loãng nguyên liệu với một chất mang không gây độc Trong trường hợp này, nó thậm chí còn quan trọng hơn

để đảm bảo các chất xúc tác sinh học không bị ôxy hóa hoặc các chất hợp thành của nguyên liệu hoặc chất pha loãng tăng lên không đúng mục đích Oxy cần

thiết cho xúc tác sinh học thì được cung cấp bằng khí của lò phản ứng liquid-phase(hai pha lỏng), và do đó có thể được hạn chế sự chuyển khối Mặc dù chất hoạt động bề mặt và vi sinh vật hoạt động bề mặt và nhũ tương có thể làm tăng hiệu quả của sự hình thành giọt dầu và sự ổn định của những giọt

two-đó trong xúc tác sinh học, Marcoux et al [28] đã báo cáo rằng việc bổ sung các chất hoạt động bề mặt cho lò phản ứng sinh học two-liquid-phase thì không làm tăng sự chuyển hóa khối lượng phân tử PAH, và rhamnolipids thì có tác dụng kìm hãm Một vấn đề quan tâm nữa kèm theo đó là việc sử dụng chất hoạt động bề mặt thì sẽ làm cản trở sự phân tách pha lỏng hoặc sẽ loại bỏ các tế bào

và chất xúc tác sinh học, và nhũ tương có thể được tách bằng phương pháp ly tâm hoặc bằng thiết bị ly tâm chất lỏng

3.1.2 Lò phản ứng Electro-spray (nhũ tương-giai đoạn tiếp xúc):

Một sự lựa chọn để thay thế cho lò phản ứng sinh học khuấy trộn cồng kềnh, phức tạp đó là lò phản ứng electro-spray (lò phản ứng điện phun), hay lò phản ứng emulsion-phase (lò phản ứng pha nhủ tương), những lò phản ứng này tạo ra một lực đẩy giữa hai chất lỏng không trộn lẫn vào nhau bằng cách lợi dụng tính dẫn điện khác nhau của chúng Lực đẩy này làm phân tán pha dẫn điện (dung dịch của chất xúc tác sinh học) vào pha không dẫn điện (pha dầu), tạo ra một dạng nhũ tương với mỗi giọt kích thước nhỏ hơn 5 µm, sử dụng năng lượng ít hơn đáng kể hơn so với những máy khuấy thông thường và tăng

sự chuyển khối của oxy đến pha lỏng Hiệu quả của việc pha trộn theo phương pháp này thì thuận lợi ở chổ tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc để tăng hiệu suất truyền chất trong khi đó giảm thiểu tới mức tối đa thể tích nước cần thiết Mặc dù theo lý thuyết thì có những thuận lợi, một thử nghiệm so sánh hiệu suất của lò phản ứng electro-spray và lò phản ứng gián đoạn đã cho thấy quá trình khử lưu huỳnh theo phương pháp sinh học (biodesulfurization) bởi Rhodococcus erythropolis IGTS8 thì hiệu suất của chúng là tương đương trong

cả hai hệ thống, có lẽ vì các chất xúc tác sinh học đã tạo ra một chất hoạt động

bề mặt làm tăng sự tác động của máy khuấy.Lò phản ứng Electro-spray phải chứng tỏ để phù hợp hơn khi sử dụng với chất xúc tác sinh học và nó không làm sinh ra chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactans).Tuy nhiên trong công nghệ thì xem xét bổ sung thêm thì rất khó khăn, so với thiết bị pha trộn thông thường thì nó phải tuân thủ nhiều điều kiện hơn để áp dụng thiết kế với quy mô lớn

3.2 Chất xúc tác sinh cố định:

Các kiểu ứng dụng xử lý sinh học được lựa chọn thì sẽ quyết định dù việc cố định chất xúc tác sinh học là cần thiết Việc giữ cố định các tế bào thì làm phân tán và thu hồi lại xúc tác sẽ dể dàng, hay đơn giản là chia tách từ sản phẩm đã

xử lý hay tái sử dụng lại chất xúc tác Các chất nên cố định phải có khả năng chịu đựng sự được sự hòa tan của nhiên liệu và không được bám vào chất nên

hay sản phẩm, trong khi đó máy móc hòa tan phải đủ mạnh cần thiết để duy trùy kích thước nhỏ của các giọt

Một số chất xúc tác sinh học hỗ trợ những hệ thống này cũng được biết đến, chẳng hạn như alginate, Kcarageenan, và polyacrylamide, được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghệ sinh học.Nylon, nhựa và urethane pre-polymer, và các polymer khác mà có nhiều lỗ xốp thì đã được mô tả cho các ứng dụng phân hủy sinh học hay ứng dụng trong chế biến bằng sinh học

3.3 Nuôi cấy Biocatalysts thuần khiết so với nuôi cấy hổn tạp:

Tổng quan này chỉ xem xét việc sử dụng các biocatalysts nuôi cấy thuần khiết cho quá trình xử lý sinh học, mặc dù về mặt lý thuyết, nuôi cấy hỗn tạp có thể được sử dụng đồng thời hoặc thực hiện lien tiếp nhau để đạt được một loạt các phản ứng mong muốn Ví dụ, một số ít phương pháp thông thường để chế biến sinh học có thể bao gồm một hệ thống tương tự nhau được mô tả bởi Munoz et al [37] trong đó một tập đoàn của một loại tảo và vi khuẩn làm biến chất phenanthrene dưới điều kiện quang hợp trong một bình phản ứng phân chia hai pha mà không có một nguồn cung cấp khí oxy bên ngoài nào Tập đoàn khác đã được mô tả trong đó hai biến thể của PAH được nuôi cấy cùng nhau đã oxy hóa PAH có khối lượng phân tử lớn hơn riêng nó, điều này sẽ mở rộng ra phạm vi chất nền để ứng dụng trong chế biến sinh học các hợp chất thơm Chắc chắn, sự phân hủy sinh học các hỗn hợp hydrocarbon phức tạp điển hình thì thường dựa trên các tập đoàn vi khuẩn để hoàn tất việc loại bỏ chất nền, và có nhiều trường hợp các nhóm vi khuẩn cùng mức dinh hoạt động kết hợp để làm giảm các hợp chất thơm Hiện nay nó dường như không thực tế để thay thế biocatalysis bởi nhiều hơn một sinh vật, đặc biệt,nếu kỹ thuật biến đổi cấu trúc gen di truyền là cần thiết để ngăn chặn sự khoáng hóa Tuy nhiên, điều này có thể là một hướng nghiên cứu cho trong tương lai

3.4 Qúa trình kỵ khí:

Mặc dù sự biến đổi kỵ khí của hydrocacbon thơm đã được trình bày đối với monoaromatics như toluene và w-xylen và PAH như naphthalene và phenanthrene, hiện nay chúng thì không thích hợp cho quá trình chế biến sinh học các chất thơm vì nhiều lý do: sự biến đổi kỵ khí được biết đến thì rất chậm

so với phản ứng hiếu khí, và tương đối ít các cách nuôi cấy thuần khiết đã được báo cáo để chuyển đổi kỵ khí của các di- và tri-aromatics hay các hợp chất dị vòng, và do đó một vài chuổi phản ứng dị hóa đã được giải thích, và các công

cụ di truyền để điều khiển các vi sinh vật kỵ khí thì có nhiều vấn đề chưa được làm rõ Đối với những nguyên nhân này, khả năng để xử lý sinh học bằng quá trình kỵ khí là không được trình bày trong phần này, mặc dù trong tương lai nó

có thể trở thành một quá trình đáng quan tâm để xử lý về lâu dài

3.5 Một số quá trình cần quan tâm khác:

Một số khía cạnh khác để xử lý bằng sinh học hợp chất thơm sẽ cần phải được

xử lý trước khi một đưa một quá trình ra sản xuất thương mại Một số vấn đề

đó có thể trong một số quá trình cụ thể khác là phổ biến trong nhiều ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất vi sinh vật (enzym) Bên cạnh vấn đề về mặt sinh học, vấn đề hiệu quả khi sản xuất với quy mô lớn sinh khối có ích thì liên quan đến mỗi tiềm năng của quá trình xử lý bằng sinh học, nhưng sự lựa chọn công thức hóa của chất xúc tác sinh để dễ dàng và an toàn khi xử lý thì cũng sẽ

phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau dù quá trình đó được áp dụng trong mỏ dầu hay một nhà máy lọc dầu Tương tự như vậy, có nhiều vấn đề liên quan khi xử

lý sinh khối chất thải yêu cầu cần lượng nhu cầu oxy sinh học (BOD) và lượng nhu cầu oxy hóa học (COD) nhiều, nhưng cụ thể sẽ khác nhau tùy thuộc vào từng vị trí của mỗi bộ phận xử lý Tuổi thọ của các chất xúc tác sinh học và sự phù hợp của nó để phục hồi lại và tái sử dụng cũng là ứng dụng cụ thể Về mặt

kỹ thuật, các vấn đề an toàn đã được đặt ra cho hoạt động của lò phản ứng hai pha lỏng two liquid-phase, đặc biệt là ở nhiệt độ cao với những pha hữu cơ dễ cháy hay ở áp suất cao cung cấp oxy để phản ứng Đối với quá trình mở vòng thơm bằng phương pháp sinh học (Biological Aromatic Ring Cleavage

“BioARC”), và có thể là quá trình khử nitơ bằng sinh học denitrogenation), các vấn đề tách và thu hồi các sản phẩm phân cực từ pha chứa nước phải được giải quyết, cũng như xử lý chúng sau khi thu hồi

(bio-4 ĐẶC TÍNH CỦA CHẤT XÚC TÁC SINH HỌC TRONG XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT THƠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Các thuộc tính của chất xúc tác sinh học (biocatalysts) trong quá trình sử

lý sinh học các chất thơm bao gồm:

1 Phát triển nhanh chóng với mật độ cao trong một môi trường không giãn nở

mà không cần

hydrocarbon, tạo ra sinh khối, hoặc có cấu tao hay nhanh chóng suy ra được hoạt tính của xúc tác

2 Chất xúc tác phải bền, và quá trình oxy hóa chất thơm phải được duy trì liên

tục bởi các tế bào đã sinh trưởng trước như một huyền phù trong dung dịch

3 Một loạt các hoạt tính phản tương tác lại các chất nền alkyl-aromatic và

alkyl-heterocyclic với một số phản ứng phụ không mong muốn;

4 không có hoạt tính phản tương tác với các chất nền non-target chẳng hạn như

các hydrocarbon ;

5 Một hệ thống di truyền có thể được điều khiển để cho phép tách riêng biệt từ

một khối tại một bước mong muốn của enzyme, như thế sẽ ngăn được sự mất carbon và sinh ra sản phẩm oxy hóa mong muốn

6 Tính ổn định và khả năng dự đoán các kiểu hình và đột biến không mong

muốn dù sự dị hóa các gen là cấu trúc plasmid-borne hay nhiểm sắc thể;

7 Hoạt động trong hệ thống phản ứng two-liquid-phase ở đó chất nền là pha

không trộn lẫn nước với một tỷ số truyền thể tích lớn để gây ra huyền phù tế bào;

8 Chất xúc tác sinh học phải không gây bệnh để an toàn khi vẫn chuyển và sử

dụng;

9 Chịu đựng tốt khi phải chịu ảnh hưởng ngộ độc của nguyên liệu hay các hợp

chất mới tạo ra bỡi phản ứng xúc tác sinh học;

10 Khả năng mở rộng quy mô sản xuất sinh khối có lợi để tiến tới tổ chức sản

xuất thương mại

4.1 Ví dụ của ứng cử viên của vi khuẩn xúc tác sinh học:

Có không thiếu các chi vi khuẩn là các ứng viên tiềm năng cho khả năng chia tách hoặc hydroxyl hóa vòng thơm Một danh sách ngắn gọn sự chọn lọc

ví dụ được đưa ra trong Bảng 1, biết thêm thông tin chi tiết được xem xét trong Ref [43] Những các chủng có hoạt động chống PAH(Polycyclic aromatic hydrocarbon) và dị vòng thơm, mặc dù hệ thống di truyền của chúng có thể ko được biết đến nhiều hiện nay để tạo ra con đường đột biến mong muốn Trong

số các ứng cử viên là những họ Gram âm như Pseudomonas và Gram dương như Rhodococcus

Pseudomonads từ lâu đã thu hút sự quan tâm như xúc tác linh hoạt thường được sản xuất oxygenase để tấn công hydrocarbon Rhodococci, những loại có tính đặc biệt sử dụng con đường "4S" [45], đã được quan tâm nhiều hơn trong biodesulfurization, nhưng nói chung, di truyền học của chúng ít được đặc trưng

Xúc tác sinh học có một bề mặt tế bào ưa nước (ví dụ như Pseudomonas spp.) phụ thuộc vào khối lượng vận tải của PAH từ giai đoạn dầu tới pha dung dịch nước

Với nền cao không tan trong nước (ví dụ, lớn hơn PAH), điều này có thể là một

tỉ lệ hạn chế yếu tố Ngược lại, vi khuẩn với các bề mặt kỵ nước (ví dụ, Rhodococcus erythropolis IGTS8 [45]) có thể đạt được liên hệ mật thiết với các chất nền bằng cách gắn với dầu: nước giao diện và có thể mất các nền PAH trực tiếp từ các giọt dầu Quá trình này có lợi thế là giảm thiểu những hạn chế

do vận chuyển khối lượng chất nền, nhưng có thể ổn định nước trong dầu hoặc dầu-trong-nước nhũ tương [46], có khả năng làm cho nó khó khăn để tách dầu

và chất xúc tác sinh sau khi xử lí Tương tự như vậy, vi khuẩn sản xuất chất hoạt động bề mặt có thể không thích hợp làm biocatalysts Mặc dù các sản phẩm ngoại bào của chúng có thể tăng cường hình thành giọt và

"pseudosolubilization" trong biocatalysis, chúng cũng có thể ổn định nhũ tương, cản trở sự phân tách cuối cùng của dầu được xử lí và pha dung dịch

Có tiềm năng cho các cực trị, đặc biệt là thermophiles, được sử dụng xử lý sinh học [16] Những lợi thế của làm việc tại lò phản ứng sinh học nhiệt độ cao hơn bao gồm giảm độ nhớt nguyên liệu (để cải thiện trộn) và có thể được để xử lý dầu vì nó đi ra khỏi môi trường này (thường ở nhiệt độ cao) mà không cần phải

để làm mát nó đến một nhiệt độ phù hợp Tuy nhiên, tương tự hạn chế của vận chuyển hàng loạt và xa rời thực tế ứng dụng

Bảng này không phải là một danh sách toàn diện, mà là một chỉ số về sự đa dạng về họ với tiềm năng để xử lý sinh học thơm