Xem mẫu
- 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
nguon tai.lieu . vn
