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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HÓA








TIỂU LUẬN
CÔNG NGHỆ SINH HỌC
KHỬ CÁC HỢP CHẤT VÒNG THƠM TRONG DẦU MỎ
THEO PHƯƠNG PHÁP 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 H
2
. Đồng thời, quá
trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa hợp chất dị vòng của S và N sinh ra SO
x
,
NO
x
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

[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.
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
SVTH: Huỳnh Đức Kỳ - Hóa dầu K31 – ĐH Quy Nhơn GVHD: TS.Đỗ Biên Cương
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

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
trong họ các chất đồng đẳng của ankyl

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
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.

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

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.
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
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

của chất xúc tác sinh học.
Để giảm chi phí liên quan đến việc việc xử lý, phân tách và loại bỏ
nước, về lý tưởng thì cần đạt được tỷ lệ thể tích của dầu trên nước phải là tối
đa. Tuy nhiên, điều này có thể dẫn tới thêm những vấn đề về sự nhủ hóa (ví dụ
như, nhũ tương water-inoil), cản trở việc xử lý, phân tách các pha. Do đó, tỷ lệ
thể tích tối ưu có thể sẽ được xác định bằng thực nghiệm với nguyên liệu cụ thể
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

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
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
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

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
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
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

xúc tác sinh tiềm năng mới nó có thể có đầy đủ chọn lọc nhóm hỗn hợp cho
việc bổ sung di truyền mong muốn bởi DNA: DNA lai hoặc PCR, theo bởi hóa
chất xác nhận của dị hóa. Tuy nhiên, sự cô lập của xúc tác sinh thực sự mới lạ
(tức là, những loại có ít tương đồng để biết đến gen dị hóa thơm đó, mục 3.2)
đòi hỏi kỹ thuật phải lựa chọn và sàng lọc vi sinh sinh hóa cổ điển. Đáng chú ý,
Kilbane et al. [70] tìm thấy rằng chất hướng hóa chất đơn giản và shakeflask
làm giàu của vi khuẩn lạ có khả năng chọn lọc loại bỏ các N dị nguyên tử từ
quinoline (C9H7N) đã không thành công, và lặp đi lặp lại vòng làm giàu và đột
biến đã được yêu cầu để chọn một dòng với mong muốn dị biến hoạt động.

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
4.2. Ví dụ về các hệ thống di truyền cho quá trình oxy hóa thơm
Bởi vì tiềm năng rộng của xúc tác vi khuẩn, đó cũng là một mảng đa
dạng của các hệ thống di truyền mã hóa và điều chỉnh thơm hydroxyl hóa và
hoạt động phân cắt vòng. Nhìn chung, các catabolic thơm gen được quy định
như một hoặc nhiều operons có thể được mã hóa rất lớn plasmid (ví dụ như
Novosphingobium (trước đây Sphingomonas) aromaticivorans
F199 plasmid pNLl, 184 kb [62]), kích thước trung bình plasmid (ví dụ,
Pseudomonas putida NCIB 9816-4 plasmid pDTGl, 84 kb [71]) hoặc trên
nhiễm sắc thể (ví dụ, Mycobacterium sp. PYR-1 [72] và Sphingomonas sp.
ANT 17 [60]). Nhiều loại trong số những vi khuẩn này sử dụng các con đường
thoái hóa tương tự như trong hình. 1, nhưng có số lượng ngày càng tăng của
các báo cáo của các con đường mới, chẳng hạn như chất hóa học rút từ than đá
thoái hóa do Mycobacterium sp. LB501T [73]. Thật không may, chi tiết đặc
tính di truyền của hầu hết các con đường lạ vẫn còn để được giải quyết số
lượng lớn các giao dịch tài liệu với các mô tả của "tái phát hiện" cổ điển PAH
catabolic gen.
4.2.1. Gene tổ chức và tương đồng
Các gen cho quá trình oxy hóa PAH thường được tổ chức thành "trên"

phức tạp hơn nah như operons. Ví dụ, các gen nhiễm sắc thể cho thơm dị hóa
trong một số sphingomonads thì rời rạc và dư thừa [59], kết quả có khả năng từ
chuyển nhượng gen lặp đi lặp lại bên [7]. Thơm dị hóa trong S. yanoikuyae BI
liên quan đến sáu operons với con đường phức tạp cho mono-và dị hóa thơm đa
vòng [83]. Một số operons dị hóa là hai bên bởi yếu tố chèn hoặc liên kết với
các transposon [56, 84], tạo thành có khả năng di động "catabolic cassette".
Điều này có thể giải thích cho sự chuyển giao rõ ràng của chúng bên và sự xuất
hiện của vi khuẩn khác nhau, nhưng cũng có nghĩa đối với sự ổn định di truyền
của một số ứng cử viên xúc tác sinh. Lặp đi lặp lại chèn vào plasmid lớn hoặc
nhiễm sắc thể cũng có thể chiếm cho sự hiện diện của nhiều enzyme
isofunctional, sự dư thừa như vậy có thể làm phức tạp những nỗ lực để kỹ sư
chặn đột biến ở các bước cụ thể enzyme (Phần 4).
Ít hơn nhiều đã được công bố về Gram dương PAH làm suy giảm
vi khuẩn, chẳng hạn như Mycobacterium sp. PYR-1 có cả dioxygenase và
monooxygenase hoạt động chống lại PAH và một trật tự gen bất thường trong
catabolic operon [72]. Dioxygenase gen thơm trong cụm chủng
phylogenetically với các gen dioxygenase khác Gram dương, bao gồm cả
Rhodococcus và Nocardioides spp. [72], chứ không phải là Gram đã được
nghiên cứu tiêu cực nah gen.

Hình 3.A. tổng quát operon tổ chức đối cho gen nah-Mke cổ điển, trích từ Refs.
[7,71] Các mũi tên chỉ hướng phiên mã, và bóng chỉ ra các gen cho enzym liên
quan . Aabcd mã hóa dioxygenase ban đầu; B dehydrogenase, C extradiol
dioxygenase, D isomerase, E hydratase aldolase, F dehydrogenase
salicylaldehyde. Q là không đặc trưng. "R" là gen quy định phân kì sao chép
mô tả cho P. putida NAH7 [81]. G, H, I, N, L, J, K bao gồm các operon con
đường thấp hơn cho salicylate suy thoái, có thể được tách ra từ operon trên
kilobases nhiều. B. Gene tổ chức của các Pseudomonas sp. LD-2 carbazole
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

trong sinh vật là kết quả trong khả năng đồng thời làm suy giảm thơm nhiều
chất nền. S. paucimobilis EPA505 có ít nhất hai tổ chức gen hydrocarbon dị
hợp được gây ra bởi một bộ một phần chồng chéo của các hợp chất thơm và
một số chất chuyển hóa [58]. Mặc dù các khả năng dị hóa như vậy của sinh vật
là ấn tượng, lợi thế này hiện nay có đáng kể hơn bởi sự tinh vi của các thao tác
di truyền cần thiết để đảm bảo kiểm soát được hoạt động. Tương tự như vậy,
Marcoux et al. [28] phát hiện ra rằng việc bổ sung các phân tử thấp trọng lượng
PAH một hỗn hợp của trọng lượng phân tử cao PAH có hiệu quả lớn hơn về
quá trình oxy hóa hơn đã bổ sung thêm các kích thích được biết đến như
salicylate và benzoate. Tuy nhiên, báo cáo này trái ngược với các quan sát sau
đó cùng một nhóm [65] người đánh dấu tác dụng ức chế của naphthalene vào
suy thoái của PAH cao hơn bởi một tập đoàn. Như trao đổi qua lại của kích
thích và thuốc ức chế là quan trọng đối với nguyên liệu hóa học phức tạp và các
sản phẩm, vì vậy, chất phản ứng hiệu quả nhất (s) nên được thực nghiệm xác
định cho mỗi chất xúc tác sinh trong bối cảnh của các nguyên liệu được nâng
cấp.
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
Trong trường hợp của monoaromatics ít nhất, đàn áp chất dị hóa và
quy định bởi các yếu tố tăng trưởng phụ thuộc sigma vào đặt lên trên
operonspecific quy định (ví dụ như, [90]). Quy định của toàn cầu của PAH suy
thoái chỉ có gần đây đã được giải quyết đối với một số sinh vật (ví dụ, [62]),
mặc dù nó có thể được quan trọng đối với hoạt động dị hợp tinh chỉnh và để đạt
được lặp đi lặp lại tái sử dụng xúc tác sinh di động toàn bộ.
4.3. Yếu tố di động ảnh hưởng đến sự phù hợp
*Chất nền hấp thu
Một số yếu tố vốn có để chất xúc tác sinh sẽ ảnh hưởng đến tốc độ hoạt động
của một hệ thống hai pha lỏng, bao gồm cả sự hấp thụ và giải hấp thụ chất nền.
*Độ bền với dung môi
Bao gồm: điều chỉnh nhanh chóng của các thành phần acid béo màng khi

các đoạn gen đột biến ngẫu nhiên đã được thực hiện trên loại hoang dã P.
fluorescens LP6a [55] bằng phương pháp tiêu chuẩn. Transconjugant với các
đột biến mong muốn trên con đường đó đã được lựa chọn sàng lọc cho tích lũy
các màu vòng cao chia tách sản phẩm của dibenzothiophene, tương tự như hợp
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
chất V, hình. 1. Các đột biến phân cực coi là bước E, hình. 1. Con đường thấp
hơn với qui định gen tương tự NahR vẫn còn nguyên vẹn trong dòng chất xúc
tác sinh học, để salicylate là một chất cảm ứng metabolizable của con đường
trao đổi operon trên. Tương tự trong nghiên cứu, Kotlar et al. [22] đặc hiệu bất
hoạt các gen mã hóa nahE naphthalene hydratase-aldolase (tương tự như bước
E, Hình 1) S. yanoikuyae N2, làm cho nó tích tụ sản phẩm phân cắt vòng thơm.
Riddle et al. [82] nhân bản vô tính và subcloned các gen dị hoá từ carbazole
làm suy giảm sinh vật Pseudomonas sp. LD2 [12]. Mã hóa gen meta-leavage và
enzyme hydrolase (carBa, carBb, carC;. Hình 3). Các xúc tác bước C và D
(Hình 2) đã bị xoá từ phân mảnh, để lại carbazole nhiều tiểu đơn vị gen
dioxygenase (carAal, xe Aa2, carAc, carAd; Hình 3) còn nguyên vẹn. Subclone
sau đó đã được chuyển vào dung môi có sức đề kháng, carbazole tế bào chủ
không làm suy giảm P. putida Idaho. Các chủng tái tổ hợp dự kiến sản xuất
carbazole chuyển hoá 2-aminobiphenyldiol (hợp chất III, Hình 2) trong các
phản ứng hai pha lỏng với carbazole hòa tan trong 1-methylnaphthalene. Chủng
tái tổ hợp hoạt động trong cả khi có mặt hay không có mặt của 10% Xylen
(nồng độ đủ để ức chế hoạt động trong E. coli). Tuy nhiên, quá trình oxy hóa
carbazole ít đáng kể hơn so với quá trình được tạo bởi các tế bào gốc khi có
hoặc không có Xylen hiện diện. Điều thú vị là, các gen carbazole không biểu
hiện trong các tế bào liên quan đến P. putida KT2440, bao gồm các dòng đặc
hiệu biểu hiện ở những gen dị hoá này. Không thể đoán trước biểu hiện gen dị
hoá được ghi nhận trong các vật chủ cổ điển, chẳng hạn như E. coli và thậm chí
trong các dòng vật chủ liên quan (ví dụ,
[67, 99]). Đây là một yếu tố để xem xét nổ lực tạo ra tái tổ hợp các xúc tác sinh

sẵn cho thao tác di truyền gen dị hóa thơm của nó. Các trở ngại quan trọng hiện
nay để quá trình chế biến sinh học thơm cho phù hợp là sự hiểu biết không đầy
đủ về sự đa dạng và quy định của các gen này.
5. VÍ DỤ về thơm BIO-CHẾ BIẾN.
5.1. BioARC (Biological Aromatic Ring Cleavage).
Quá trình mở vòng BioARC là quá trình oxy hóa một phần của chất nền thơm
để thu được các sản phẩm vòng thơm tương tự như hợp chất IV và V, hình 1.
Tại pH trung tính, các sản phẩm này sẽ phân vùng vào dung dịch hỗn hợp phản
ứng hai pha lỏng phản ứng, được phục hồi và
tiếp tục xử lý (ví dụ, bằng quá trình nhiệt hoá hydro cho năng suất
alkylaromatics). Các nguyên liệu chế biến sinh học và dòng chất sẽ chuyển hóa
nên sau đó tính thơm sẽ thấp hơn. Khái niệm này cho đến nay đã được thử
nghiệm bằng cách sử dụng chất xúc tác sinh học 21-41, một dòng đột biến của
P. fluorescens LP6a [55]. Gần đây, một dòng tái tổ hợp của S. yanoikuyae N2
[22] cũng đã được thử nghiệm cho hoạt động này. Chất xúc tác sinh học 21-41
có hầu hết các đặc tính mong muốn trong một quá trình xử lí vòng thơm bằng
xúc tác sinh học (mục 3). P. fluorescens được coi là không gây bệnh theo Bộ Y
Tế Canada [108], như có nhiều tiềm năng tránh các vấn đề về an toàn sinh học.
Dòng chất xúc tác sinh học có nguồn gốc từ các transposon đột biến của tự
nhiên loại P. fluorescens LP6a [55], với một loạt các chất nền thơm rộng
với khả năng oxy hóa nhiều hai_ ba vòng PAHs và những hợp chất dị vòng
[79], cũng như homologues alkyl [9]. Kiểu hình nền rộng này được duy trì ổn
định trong các đột biến mặc dù nah-hke gen dị hóa được trên 63 kb plasmid
trong dòng này [55, 79].
Để chuẩn bị sử dụng các chất xúc tác sinh học, nó được nuôi sẵn qua đêm mà
không cần hydrocarbon để mật độ tế bào cao và cảm ứng với một trong hai
salicylate hoặc 2-aminobenzoate hoạt động cao. Giống nuôi cấy cảm ứng được
thu hoạch cho tái sinh trong nước hoặc đệm phosphate để sử dụng như là một
tế bào nghỉ (tức là không phát triển). Chất xúc tác sinh học đang hoạt động
trong hệ thống hai pha lỏng với mô hình nguyên liệu (nền thơm hòa tan trong

tương ứng. Chi tiết các quy trình được tối ưu hóa liên quan đến làm bất định
chất xúc tác sinh để xử lí và tách, tái sử dụng và một nửa chu kì sống của các
chất xúc tác sinh, tách các tế bào từ pha lỏng, và xử lý dòng sản phẩm cũng như
xác định tối đa nguyên liệu: tỷ lệ phân tách tế bào. Tuy nhiên, kết quả cho đến
nay tiềm năng hỗ trợ của BioARC cho xăng dầu sinh học chế biến.
6.2. Kích hoạt sinh học của chất thơm:
US Patent # 6156946 [6] mô tả một quá trình kết hợp sinh học và điều
trị hóa học của chất nền thơm bao gồm mono-, di-và tricylic thơm hydrocarbon
cũng như là thay thế nó và các chất tương tự dị vòng trong nguyên liệu xác
thực. Bước đầu tiên là hydroxyl hóa của các chất thơm sử dụng vi khuẩn đột
biến hoặc tái tổ hợp để tạo ra hoặc dihydrodiol hoặc dihydroxy dẫn xuất (bước
A và B, Hình 1). Bước thứ hai là tách nước ở nhiệt độ cao (200 - 600 ° C) trong
môi trường CO và không có O2.
Đáng chú ý, sự hydro hóa hoặc xử lí hydrogenolysis được mô tả trong Patent
không yêu cầu trước khi tách các pha hữu cơ và dung dịch nước (Mặc dù ảnh
hưởng sự có mặt của tế bào chất xúc tác sinh học không được đề cập). Xử lí về
mặt lý thuyết này đạt được sự phân cắt vòng và (hoặc) loại bỏ các thơm
heteroatom N và S, dòng sản phẩm năng suất với trọng lượng phân tử thấp và
giảm hàm lượng heteroatom. Tùy thuộc vào các điều kiện phản ứng, chất
hydrogenolysis của dihydroxybiphenyls là sản lượng phenol, alkyl phenol,
monohydroxybiphenyls, dihydroxybiphenyls methyl hóa, cyclohexyl và
cyclopentylbenzenes, alkylbenzenes và dihydronaphthalenes, một số sản phẩm
khác. Tuy nhiên, không có ví dụ cụ thể để loại bỏ heteroatom được mô tả trong
các bằng sáng chế, và sự chuyển đổi các hỗn hợp nền có mặt trong nguyên liệu
xác thực cũng không hiệu quả.
Một số chủng vi khuẩn đã đề ra để được xúc tác sinh học phù hợp cho quá
trình, bao gồm các chủng đột biến của P. putida F bị ngăn lại tại bước dehydro
hóa (Bước B, Hình 1) để cw-dihydrodiols tích lũy, hoặc bước catechol
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

Hình 4.A. Sắc ký khí khối phổ (GC-MS) tổng ion quét cực chất chuyển hóa
tích lũy chất xúc tác sinh 21-41 sau khi ủ với naphthalene. chất chuyển hóa
được chiết xuất từ axit hóa trung bình và derivatized để mang lại các chất dẫn
xuất trimethylsilyl GC-MS phân tích; o-terphenyl là tiêu chuẩn thay thế. B.
Thánh Lễ quang phổ quét 591 và 596
trong bảng A, với cấu trúc được ưa chuộng nhất suy ra được hiển thị. Phỏng từ
Ref. [9].
Mặc dù cách tiếp cận này là có tiềm năng cho bio-denitrogenation, Bressler và
Gray [111] đã phân tích các sản phẩm của phản ứng hydro hoá bằng cách sử
dụng các mô hình chất chuyển hóa có chức năng chứa nhóm oxy cũng như
amin tự do (tương tự như những dự kiến từ cuộc tấn công góc carbazole [12]).
Mặc dù họ đã tìm thấy một số mô hình chất chuyển hóa nhiều hơn, dễ bị
hydrodenitrogenation xúc tác hơn bản thân carbazole, các hợp chất amin tự do
và rượu trên một chuỗi bên alkyl (ví dụ, hợp chất IV, Hình. 2) dễ nhanh chóng
bị một loạt các phản ứng phụ không mong muốn bao gồm ngưng tụ, trùng hợp
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
và vòng lại đóng cửa. Để tạo ra một chất nền phù hợp cho
hydrodenitrogenation hiệu quả, chất xúc tác sinh học hoặc sẽ phải loại bỏ các
nhóm amin tự do sau khi tấn công góc hoặc tạo ra một amin thơm mà không có
một nhóm phụ để lại chuỗi (ví dụ, một rượu). Điều này có thể là một hướng sản
xuất tiềm năng cho các thao tác di truyền trong tương lai của các xúc tác sinh
học ngăn chặn con đường carbazole và đưa hoạt động deaminase vào, hoặc
chuyển con đường dị hóa đối với các chất chuyển hóa nhiều hơn mong
muốn.Cách tiếp cận tiềm năng như vậy đã được chứng minh bởi Riddle et al.
[82]. Mặc dù các chủng tái tổ hợp của họkhông được sử dụng cho nghiên cứu
sinh học-denitrogenation ( tích lũy chất chuyển hóa được giữ lại bởi heteroatom
nitơ), nghiên cứu cho thấy tiềm năng cho thao tác di truyền của gen dị hóa và
biểu hiện trong các vật chủ dị hoá với các thuộc tính mong muốn. Đồng thời,
các chất chuyển hóa carbazole đã không phân cực hết mà nó phân chia thành

sẽ thay đổi đáng kể tùy thuộc vào việc áp dụng các quá trình trong lĩnh vực này
tại nhà máy lọc dầu.
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
Các hậu cần của quá trình scale-up,không phải là đơn giản, nó cũng liên quan
đến nhiều loại ứng dụng. Dự đoán, tái sản xuất và xử lý khối lượng lớn các chất
xúc tác sinh học được thực hiện thường xuyên trong ngành công nghiệp dược
phẩm, và các thực hành này nên được chuyển nhượng để biocatalysis dầu khí
một tình hình nhà máy lọc dầu. Tuy nhiên, nếu chất xúc tác sinh học được sử
dụng trong các giếng dầu, nó phải được đưa vào dễ dàng và an toàn của xử lý,
cũng như sự ổn định và hoạt động mạnh mẽ trong điều kiện có thể không liên
tục và cũng không lý tưởng.
Tầm quan trọng của chế biến sinh học thơm đến nay đã giảm được nguyên liệu
aromaticity và lượng heteroatom, với ý tưởng rằng sản phẩm có cực sẽ được
thêm vào (hoặc giữ lại trong) dòng hữu cơ tại một số điểm, vì vậy để duy trì
đầy đủ giá trị nhiên liệu trong các nguyên liệu sinh học-chế biến.Ngoài ra còn
tiềm năng chưa khám phá để chuyển hướng dòng chất chuyển hóa để thay thế
cho quá trình hóa học, như là điểm bắt đầu để tổng hợp hóa cho chất thị trường
thích hợp.
Tuy nhiên, bất kể các sản phẩm được giữ lại,được giới thiệu lại hoặc chuyển
hướng, vẫn còn cần thiết mà tất cả các sản phẩm chế biến sinh học đều có giá
trị cho quá trình và hiệu quả kinh tế. Khi nền kinh tế lọc dầu thông thường thay
đổi để thích ứng áp lực của các qui định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt
với chất lượng nguồn nguyên liệu bị suy giảm, thi hương liệu chế biến sinh học
có thể trở nên hấp dẫn hơn như là một liều thuốc hỗ trợ cho các quá trình xử lí
thông thường.
IV. Kết luận:
Ứng dụng xúc tác sinh học để tách các vòng thơm từ quá trình xử lí sinh
học dầu khí vẫn còn trong giai đoạn phát triển và một số câu hỏi về tính khả thi
của quá trình và lợi ích kinh tế vẫn chưa có ai trả lời. Chúng ta có thể tự tin dự