磁性纳米颗粒固定化硫碱弧菌及其脱硫工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微生物固定化技术领域，尤其涉及一种基于Fe304磁性纳米颗粒的固定化硫碱弧菌，其制备方法以及使用其的脱硫工艺。
【背景技术】
[0002]硫循环作为地球化学循环中主要的组成部分，在人类生产生活方面发挥着重要的作用。特别是近些年，随着环境地不断恶化，以酸雨为代表的硫污染，给人类的生存带来了极大的威胁。酸雨主要是由化石燃料燃烧和火山喷发产生的二氧化硫经氧化产生的。天然气作为化石燃料的一种，在燃烧过程中会产生二氧化硫。主要是因为天然气中含有一定量的硫化氢，不仅对钻井、套管、集输管线等设备具有强烈的腐蚀作用，而且产生的二氧化硫污染环境。天然气中含有的硫化物有H2s、硫醇、硫醚、二硫化碳和硫化羰，其中天然气生物脱硫工艺处理的主要对象是H2s，硫化氢(h2s)是一种剧毒气体，对动物、微生物都有毒害作用，还会造成石油炼制过程的催化剂中毒，降低产品收率，引起设备和管路腐蚀，降低使用寿命。因此，脱硫是石油和天然气油气集输过程和石化产品加工的重要工序。
[0003]目前，针对硫化氢脱除的方法主要有物理吸附法、化学法、膜分离法及生物法。物理吸附主要是采用有机溶剂和多孔吸附材料，然而有机溶剂吸附需要在低温、高压的环境下操作，对设备的材质要求较高。而多孔吸附材料像活性炭，吸附率低，且随着饱和度的增力口，效率降低。虽然有报道活性炭可以用于硫化氢的深度脱硫，沼气经热处理活性炭脱硫后，硫化氢含量可以降到0.5ppm以下。但是，活性炭脱除硫化氢反应非常复杂，受吸附剂和气体的一系列物理和化学特性的影响(参见，Monteleone G, de Francesco M, Galli
S,Marchetti M, Naticch1ni V.Chemical Engineering Journal, 2011，173(2):407-414)。化学法脱除硫化氢分为化学吸附法和化学氧化法，前者利用碱性溶液将硫化氢反应生成相应的盐，后者利用化学氧化剂将石油和天然气中硫化氢氧化，生物脱硫技术具有经济、环保等优点，近年来在国内外相关研究与应用均展现出快速增长的势头。H2S的脱除技术主要有L0-CAT工艺、Amine-Claus工艺、膜分离法和生物脱硫等。微生物脱硫是利用微生物的代谢作用将H2S转化为单质硫等。以链烷醇胺为碱性溶液的胺吸收是天然气净化的主要方法，如乙醇胺、二乙醇胺、二甘醇胺、二异丙醇胺、N-甲基二乙醇胺等，该方法通常需要在高温下，并且原料价格昂贵。氧化铁法是化学氧化法中一种常用的脱硫方法，主要用于粗脱硫和低含硫气体精脱。生物脱硫具有低能耗、高效率、设备简单、不产生二次污染等优点。然而，传统的生物脱硫中所采用的微生物对环境变化敏感，过程控制复杂。
[0004]嗜盐嗜喊硫喊弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCC N0.8497)是本实验室从内蒙古鄂尔多斯盐碱湖中分离到的一株专性自养型硫氧化细菌，它利用hco3作为碳源，还原性的无机硫复合物作为硫源，隶属于硫碱弧菌属。该属微生物的特点是专性嗜盐嗜碱，能够氧化硫化物、硫代硫酸盐、单质硫、亚硫酸盐、连多硫酸盐(参见，SorokinDY,Kuenen JG,Jetten M, Arch Microb1l,2001 ; 175:94-101 ;Sorokin DY,AntipovAN, Kuenen JG, Arch Microb1l 2003;180:127-133.)。该属菌的生长 pH 范围是 7.5 ?10.65之间，钠离子浓度0.2?4M之间。Th1alkalivibr1 versutus D301除在盐碱湖硫循环中发挥关键作用外，还在废水和废气生物脱除硫化物方面具有良好的应用前景。
[0005]虽然,Th1alkalivibr1 versutus D301具有很多优点,然而在实际应用中仍然存在着许多问题。首先，它是一种自养微生物，生长周期长，细胞量少；其次，生长到后期，细胞易于与产生的硫单质结合在一起，不利于硫单质的分离；再有，硫单质与细胞结合，加快了硫单质的进一步氧化，不利于硫单质的积累。对于上述缺陷，可以采用细胞固定化进行解决:一方面，通过细胞固定化实现细胞的多次重复利用，以解决细胞生长缓慢，生物量低的问题；另一方面，通过细胞固定化减少细胞与硫单质的结合，从而利于后期单质硫的积累和分离。
[0006]目前，常用的细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，成本低等优点，应用范围较广；但是，传统的包埋法传质阻力和空间位阻大，因而生物活性较低。吸附法，降低了传统包埋法传质阻力，然而，受限于生物量负载量，结合力，生物催化活性，以及操作稳定性。
【发明内容】
[0007]针对上述嗜盐嗜喊硫喊弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCC N0.8497)在实际应用中所存在的问题，本发明提出一种基于Fe304磁性纳米颗粒的固定化硫碱弧菌，其制备方法以及使用其的脱硫工艺。本发明的Fe304磁性纳米颗粒固定化硫碱弧菌的脱硫活性高，可重复使用；并且减少了与单质硫的吸附，因而降低了单质硫的进一步氧化，便于单质硫的分离纯化。
[0008]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0009]第一方面，本发明提供了一种基于Fe304磁性纳米颗粒的固定化硫碱弧菌，其通过使Fe304磁性纳米颗粒吸附在嗜盐嗜碱硫碱弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCCN0.8497)的细胞表面而得；
[0010]作为优选，所述Fe304磁性纳米颗粒为Fe304超顺磁性纳米颗粒；
[0011]优选地,所述Fe304磁性纳米颗粒的直径为10-50nm,优选为10?20nm ；
[0012]优选地，所述Fe304磁性纳米颗粒采用共沉淀法制得。
[0013]所述嗜盐嗜碱硫碱弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，其地址为:北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，邮政编码:100101 ;保藏日期为2013年11月25日，保藏编号为 CGMCC N0.8497。
[0014]本发明基于Fe304磁性纳米颗粒的固定化硫喊弧菌具有较闻的脱硫效率，闻达9 5 %以上，与游离的硫碱弧菌的脱硫效率相当；在外加磁场的作用下，易于实现回收、再生，并且在重复利用3-6次后，仍然保持较高的脱硫效率，有效克服了嗜盐嗜碱硫碱弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301生长周期长，细胞量少的缺陷。
[0015]第二方面，本发明提供了如第一方面所述的固定化硫碱弧菌的制备方法，该制备方法包括:
[0016]在NaHC03缓冲溶液中，使Fe304磁性纳米颗粒与嗜盐嗜碱硫碱弧菌Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCC N0.8497)充分接触而得。
[0017]上述制备方法中，作为优选，所述NaHC03缓冲溶液的浓度为0.1?1.0M,优选为0.3?0.8M，更优选为0.5M ;其pH值7.0?12.0，优选为9.0?11.5，更优选为9.2。
[0018]作为优选，所述Fe304磁性纳米颗粒为Fe304超顺磁性纳米颗粒；
[0019]优选地,所述Fe304磁性纳米颗粒的直径为10-50nm,优选为10?20nm ；
[0020]优选地，所述Fe304磁性纳米颗粒采用共沉淀法制得。
[0021]作为优选，所述Fe304超顺磁性纳米颗粒与硫碱弧菌的细胞干重的重量比为1:(20?400)，优选为1:(100?200)，更优选为1:100。
[0022]作为优选，上述制备方法还包括将获得的基于Fe304超顺磁性纳米颗粒的固定化硫碱弧菌通过外加磁场进行分离的步骤；
[0023]进一步优选地,所述外加磁场为磁场强度为0?6000奥斯特的永磁场或电磁场。
[0024]在一个具体的实施方案中，如第一方面所述的固定化硫碱弧菌的制备方法包括如下步骤:
[0025](1) Fe304超顺磁性纳米颗粒的制备:
[0026]在盛有400mL蒸馏水的1L搅拌式反应器中按Fe3+:Fe2+物质的量之比为2: 1的比例加入三氯化铁和氯化亚铁，在氮气保护下升温到90°C，倾入过量浓氨水溶液，继续恒温30min ;冷却至室温，产物用磁铁分离后，经去离子水反复清洗，加入去离子水，制成浓度为20?150mg/L颗粒液体，在4°C储存备用；
[0027]该步骤的反应原理为:2Fe3++Fe2++80H— Fe304+4H20。
[0028](2)嗜盐嗜喊硫喊弧菌 Th1alkalivibr1 versutus D301 (CGMCC N0.8497)的培养: