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DE68905180T2 - ENZYMATIC DESULFURATION OF CARBON. - Google Patents

ENZYMATIC DESULFURATION OF CARBON.

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Publication number
DE68905180T2
DE68905180T2 DE8989304725T DE68905180T DE68905180T2 DE 68905180 T2 DE68905180 T2 DE 68905180T2 DE 8989304725 T DE8989304725 T DE 8989304725T DE 68905180 T DE68905180 T DE 68905180T DE 68905180 T2 DE68905180 T2 DE 68905180T2
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DE
Germany
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sulfur
enzyme
substrate
sulfatase
coal
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Ernest E Kern
William M Menger
David A Odelson
Anthony S Sinskey
Debra J Trantolo
Donald L Wise
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Houston Industries Inc
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Houston Industries Inc
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L9/00Treating solid fuels to improve their combustion

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)

Abstract

Coal is desulfurized by treatment with a hydrolase to convert organic sulfur moieties in the coal matrix to sulfates, and by treatment with a sulfatase to cleave the sulfates.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Entschwefelung von Fossilbrennstoff und besonders auf die Entschwefelung von Kohle mit Enzymen, wie beispielsweise Oxidasen und Hydrolasen.This invention relates to the desulfurization of fossil fuel and particularly to the desulfurization of coal with enzymes such as oxidases and hydrolases.

Hauptsächlich aufgrund umweltschützender Belange besteht ein zunehmender Bedarf an schwefelarmen Emissionen aus schwefelhaltigen Fossilbrennstoffen, wie zum Beispiel Kohle. Bisher haben Entschwefelungsverfahren sowohl nach der Verbrennung als auch vor der Verbrennung zur Verfügung gestanden. Zum Beispiel handelt es sich bei der Rauchgasentschwefelung um einen weithin bekannten Prozeß nach der Verbrennung. Er ist jedoch im allgemeinen in bezug auf die Menge und die Arten der Schwefelverbrennungsprodukte, die entfernt werden können, unpraktisch, teuer und limitiert. Die Rauchgasbehandlung läßt auch andere wirtschaftliche Auswirkungen in bezug auf Handhabung und Verarbeitung von schwefelhaltigen Brennstoffen, wie beispielsweise durch den in Kohle enthaltenen Schwefel verursachte Korrosion an den zur Handhabung der Kohle benutzten Einrichtungen, außer acht. Prozesse vor der Verbrennung, die zu schwefelarmen Brennstoffen führen, können andererseits sowohl Schwefelemissionen als auch die Korrosion von Einrichtungen reduzieren.Mainly due to environmental concerns, there is an increasing need for low-sulfur emissions from sulfur-containing fossil fuels such as coal. To date, desulfurization processes have been available both after combustion and before combustion. For example, flue gas desulfurization is a well-known post-combustion process. However, it is generally impractical, expensive and limited in terms of the amount and types of sulfur combustion products that can be removed. Flue gas treatment also ignores other economic impacts related to handling and processing of sulfur-containing fuels, such as corrosion of the equipment used to handle the coal caused by the sulfur contained in coal. Pre-combustion processes that result in low-sulfur fuels, on the other hand, can reduce both sulfur emissions and corrosion of equipment.

Herkömmliche Kohle-Entschwefelungsprozesse umfassen physikalische Verfahren, wie zum Beispiel Pyritflotation oder Magnetscheiden. Obwohl diese physikalischen Verfahren praktisch und wirtschaftlich sind, können sie nur anorganischen Schwefel entfernen und führen im allgemeinen zu erheblichen Energieverlusten. Andererseits sind chemische Kohlen-Entschwefelungsprozesse, wie beispielsweise Oxidation mit Ferrisalzen, Chlor oder Ozon oder die Reduktion mit einem Lösungsmittel-Wasserstoff-Gemisch dagegen etwas wirksamer bei der Entfernung organischen Schwefels, haben aber im allgemeinen zahlreiche Nachteile, wie Korrosionsprobleme durch Reagenzien, hohe Energiebedürfnisse und kostenaufwendige Rückgewinnung von Reagenzien.Conventional coal desulfurization processes involve physical processes such as pyrite flotation or magnetic separation. Although these physical processes are practical and economical, they can only remove inorganic sulfur and generally result in significant energy losses. On the other hand, chemical coal desulfurization processes such as oxidation with ferric salts, chlorine or ozone or reduction with a solvent-hydrogen mixture are somewhat more effective in removing organic sulfur, but have In general, there are numerous disadvantages, such as corrosion problems caused by reagents, high energy requirements and costly recovery of reagents.

Es wurden auch Versuche zur Entfernung von Schwefel aus Kohle mit Hilfe mikrobiologischer Verfahren angestellt. Das frühe Interesse in diesem Bereich konzentrierte sich auf Mikroorganismen, die für die Schwefeldigestion natürlich geeignet waren, wie zum Beispiel in Grubenwasser vorkommender Thiobacillus und in Schwefelquellen vorhandener Sulfolobus, wie in Detz et al, American Mining Congress Journal, Band 65, S. 75 (1979); Kargi et al, Biotechnology and Bioengineering, Band 24, S. 2115-2121 (1982) berichtet. Diese Bakterien nutzen jedoch nur anorganischen Schwefel und besitzen keine Veranlagung zur Entfernung von organischem Schwefel. Vor kurzem haben sich die Anstrengungen auf die Adaptation von Mikroorganismen zur Entfernung von organischem Schwefel gerichtet. Derartige Versuche werden zum Beispiel in Isbister et al, "Microbial Desulfurization of Coal" ["Mikrobielle Entschwefelung von Kohle"] in Attia (Herausgeber), Processing and Utilization of High Sulfur Coal, S. 627 (1985); und Robinson und Finnerty, "Microbial Desulfurization of Fossil Fuels" ["Mikrobielle Entschwefelung von Fossilbrennstoffen"] (University of Georgia) berichtet. Es liegen jedoch zahlreiche Hindernisse vor, die noch aus dem Weg geräumt werden müssen, bevor derartige Techniken praktikabel werden. Zum Beispiel ist es schwer und kostenaufwendig, optimale Wachstumsbedingungen in einem großangelegten Verfahren aufrechtzuerhalten, für das typischerweise teure Wachstumsfaktoren und exzessive Nährstoffe oder Zusatzmittel erforderlich sind. Derartige Zusatzmittel können selbst potentiell umweltsgefährdend und möglicherweise genauso schwer auf wirtschaftliche Weise zu entfernen sein wie der Schwefel. Das Wachstum von Mikroorganismen kann auch toxische Nebenprodukte oder Verbindungen produzieren, die zu Mortalität führen können oder die Mikroorganismen außerstande setzen, Schwefel zu katabolisieren. Außerdem werden derartige Fermentationsprozesse gewöhnlich von Problemen heimgesucht, wie zum Beispiel Kulturstabilität, -mutation oder -kontamination, Reaktorstörungen, Substratvariation und dergleichen. Folglich bleibt eine unausgefüllte Lücke für ein wirtschaftliches und effizientes Verfahren für die Entschwefelung von Kohle und anderen Fossilbrennstoffen.Attempts have also been made to remove sulfur from coal using microbiological processes. Early interest in this area focused on microorganisms that were naturally adapted to sulfur digestion, such as Thiobacillus found in mine water and Sulfolobus present in sulfur springs, as reported in Detz et al, American Mining Congress Journal, Vol. 65, p. 75 (1979); Kargi et al, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 24, pp. 2115-2121 (1982). However, these bacteria utilize only inorganic sulfur and have no predisposition to remove organic sulfur. Recently, efforts have focused on adapting microorganisms to remove organic sulfur. Such attempts are reported, for example, in Isbister et al, "Microbial Desulfurization of Coal" in Attia (ed.), Processing and Utilization of High Sulfur Coal, p. 627 (1985); and Robinson and Finnerty, "Microbial Desulfurization of Fossil Fuels" (University of Georgia). However, there are numerous obstacles that must be overcome before such techniques become practical. For example, it is difficult and expensive to maintain optimal growth conditions in a large-scale process, which typically requires expensive growth factors and excessive nutrients or additives. Such additives can themselves be potentially environmentally hazardous and may be as difficult to remove economically as the sulfur. The growth of microorganisms can also produce toxic byproducts or compounds that can cause mortality or render the microorganisms unable to catabolize sulfur. In addition, such fermentation processes are usually plagued by problems, such as culture stability, mutation or contamination, reactor disturbances, substrate variation and the like. Consequently, an unfilled gap remains for an economical and efficient process for the desulfurization of coal and other fossil fuels.

Gemäß einem ersten- Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Entfernung von Schwefel aus einem organischen Schwefel enthaltenden Fossilbrennstoffsubstrat bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt:According to a first feature of the present invention, there is provided a process for removing sulphur from a fossil fuel substrate containing organic sulphur, comprising the steps of:

Oxidieren des Fossilbrennstoffsubstrats, indem das Substrat mit einer Säure oder einem Oxidationsenzym in Kontakt gebracht wird;oxidizing the fossil fuel substrate by contacting the substrate with an acid or an oxidizing enzyme;

In-Kontakt-Bringen des Substrats mit einem Schwefel entfernenden Enzym; undcontacting the substrate with a sulfur-removing enzyme; and

Rückgewinnung eines Fossilbrennstoffs mit herabgesetztem Schwefelgehalt.Recovery of a fossil fuel with reduced sulfur content.

Die vorliegende Erfindung umfaßt folglich die biochemische Behandlung von Kohle und anderen Fossilbrennstoffen zur Entfernung von Schwefel oder zum Entschwefeln von Fossilbrennstoff. Die biochemische Behandlung umfaßt, daß der schwefelhaltige Fossilbrennstoff mit einem Enzym oder Enzymen in einer Menge in Kontakt gebracht wird, die im allgemeinen bei der Herabsetzung der Schwefelmenge im Brennstoff wirksam ist. Die Enzyme werden dem Fossilbrennstoff direkt zugesetzt und brauchen nicht von auf dem Fossilbrennstoff als ein Substrat oder Wachstumsmedium wachsenden Mikroorganismen produziert zu werden. Folglich braucht der Prozeß nicht zur Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit irgendwelcher enzymproduzierender Mikroorganismen kontrolliert zu werden, sondern kann zur Begünstigung der enzymatisch vermittelten Umwandlung des Schwefels in eine Form, die vom Fossilbrennstoff getrennt werden kann, optimiert werden.The present invention thus encompasses the biochemical treatment of coal and other fossil fuels to remove sulfur or to desulfurize fossil fuel. The biochemical treatment involves contacting the sulfur-containing fossil fuel with an enzyme or enzymes in an amount generally effective in reducing the amount of sulfur in the fuel. The enzymes are added directly to the fossil fuel and do not need to be produced by microorganisms growing on the fossil fuel as a substrate or growth medium. Thus, the process does not need to be controlled to maintain the viability of any enzyme-producing microorganisms, but can be optimized to favor the enzymatically mediated conversion of the sulfur to a form that can be separated from the fossil fuel.

Die Erfindung wird rein beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:The invention will be described purely by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prozesses ist;Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the process according to the invention;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prozesses ist;Fig. 2 is a schematic representation of an alternative embodiment of the process according to the invention;

Fig. 3 eine graphische Darstellung von Spektraldaten von Filtraten von Dibenzothiophen (DBT) ist, das mit einer Peroxidase und einer Sulfatase, wie im Beispiel 1 weiter unten beschrieben, behandelt wurde;Figure 3 is a graphical representation of spectral data from filtrates of dibenzothiophene (DBT) treated with a peroxidase and a sulfatase as described in Example 1 below;

Fig. 4 eine graphische Darstellung von Spektraldaten von Filtraten von Wyodak-Kohle bei verschiedenen Zeitspannen nach Behandlung mit einer Peroxidase und einer Sulfatase, wie im Beispiel 2 weiter unten beschrieben, ist; undFig. 4 is a graphical representation of spectral data of filtrates of Wyodak coal at various time periods after treatment with a peroxidase and a sulfatase as described in Example 2 below; and

Fig. 5 eine graphische Darstellung von Spektraldaten von Filtraten von Illinois Nr. 6-Kohle bei verschiedenen Zeitspannen nach Behandlung mit einer Peroxidase und einer Sulfatase, wie im Beispiel 3 weiter unten beschrieben, ist.Figure 5 is a graphical representation of spectral data of filtrates of Illinois No. 6 coal at various times after treatment with a peroxidase and a sulfatase as described in Example 3 below.

Die vorliegende Erfindung umfaßt einen Prozeß zur Behandlung von Fossilbrennstoffen und besonders Fossilbrennstoffen, die organischen Schwefel enthalten. Zu den in Betracht gezogenen Fossilbrennstoffen zählen Erdöl und Kohle; Produkte aus Fossilbrennstoff-Umwandlungsprozessen, z.B. sich von Kohle herleitende Flüssigkeiten kommen auch in Frage. Wie hierin gebraucht, zählt zu Kohle alles verkohlte organische Material, wie beispielsweise Torf, Braunkohle, subbituminöse Kohle, bituminöse Kohle und Anthrazitkohle. Um den größten Nutzen aus der erfindungsgemäßen Behandlung zu ziehen, sollte der Fossilbrennstoff organischen Schwefel enthalten, obwohl auch anorganischer Schwefel mit Hilfe dieses Prozesses entfernt werden könnte. Mit organischem Schwefel sind im allgemeinen organische Thiophene, Sulfide und Thiole gemeint, wohingegen anorganischer Schwefel gewöhnlich auf Sulfate und Metallsulfide, wie Pyrit verweist.The present invention comprises a process for treating fossil fuels, and particularly fossil fuels containing organic sulfur. Fossil fuels contemplated include petroleum and coal; products of fossil fuel conversion processes, e.g. coal-derived liquids, are also contemplated. As used herein, coal includes all carbonized organic material such as peat, lignite, subbituminous coal, bituminous coal and anthracite coal. To obtain the greatest benefit from the treatment of the invention, the fossil fuel should contain organic sulfur, although inorganic sulfur could also be removed by this process. By organic sulfur is meant generally organic thiophenes, sulfides and thiols, whereas inorganic sulfur usually refers to sulfates and metal sulfides such as pyrite.

Nach dem vorliegenden Prozeß wird im allgemeinen ein zweistufiger Reaktionsweg eingesetzt. In einer derartigen Zweistufenreaktion wird der organische Schwefel initial durch Oxidation in ein Schwefeloxid, z.B. Sulfat umgewandelt. In einigen seltenen Fällen dürfte jedoch eine Oxidation nicht notwendig sein, weil der organische Schwefel überwiegend in der Sulfatform vorliegen kann oder im wesentlichen nur das natürlich vorkommende Sulfat entfernt werden soll. In diesem Sinn kann die Oxidation als eine optionale Reaktion angesehen werden. Für optimale Schwefelentfernung wird jedoch Oxidation bevorzugt. Die Oxidation wandelt im wesentlichen den organischen Schwefel in Sulfat um. Das Sulfat wird enzymatisch entfernt, zum Beispiel mittels einer durch Schwefelhydrolase, z.B. einer Sulfatase ausgelösten Hydrolyse.According to the present process, a two-stage reaction route is generally used. In such a two-stage reaction, the organic sulfur is initially converted by oxidation into a sulfur oxide, e.g. sulfate. In some rare cases, however, oxidation may not be necessary because the organic sulfur may be predominantly in the sulfate form or essentially only the naturally occurring sulfate is to be removed. In this sense, oxidation can be considered an optional reaction. However, for optimal sulfur removal, oxidation is preferred. Oxidation essentially converts the organic sulfur into sulfate. The sulfate is removed enzymatically, for example by means of hydrolysis triggered by a sulfur hydrolase, eg a sulfatase.

Der Fossilbrennstoff kann zur Behandlung nach dem vorliegenden Verfahren durch allgemein bekannte Verfahren vorbereitet werden; z.B. können feste Fossilbrennstoffe, wie beispielsweise Kohle zermahlen und in Wasser aufgeschlämmt werden. Der Schlamm kann durch Zermahlen des festen Fossilbrennstoffs in eine entsprechende Partikelgröße, typischerweise 10 - 50 um, und Vermischen mit Wasser vorbereitet werden. Einzig zum Zweck der Veranschaulichung wird die weiter unten beschriebene Erfindung mit Bezug auf einen zermahlenen Kohleschlamm beschrieben, unter der Voraussetzung, daß andere Fossilbrennstoffe und Medien analog eingesetzt werden können. Zum Beispiel kann im Fall von Öl die Vorbereitung einer Emulsion, wenn eine wässrige enzymatische Behandlung eingesetzt wird, oder die Behandlung des Öls unvermischt, mit einem Lösungsmittel oder in einem Gemisch mit einer anderen nicht mischbaren Flüssigkeit ausreichend sein.The fossil fuel may be prepared for treatment according to the present process by well-known methods; for example, solid fossil fuels such as coal may be ground and slurried in water. The slurry may be prepared by grinding the solid fossil fuel to an appropriate particle size, typically 10 - 50 µm, and mixing with water. For purposes of illustration only, the invention described below will be described with reference to a ground coal slurry, with the understanding that other fossil fuels and media may be used analogously. For example, in the case of oil, preparation of an emulsion when an aqueous enzymatic treatment is used, or treatment of the oil neat, with a solvent, or in a mixture with another immiscible liquid may be sufficient.

Die Oxidation des Kohleschlamms kann durch Behandlung mit einem Oxidationsenzym, wie beispielsweise einer Peroxidase, einer Laccase oder einer ähnlichen Oxidase herbeigeführt werden. Wie hierin benutzt, ist eine Peroxidase ein beliebiges Enzym mit der E.C.-Nummer 1.11.1.7, z.B. Meerrettichperoxidase, und eine Laccase ist ein beliebiges Enzym mit der E.C.-Nummer 1.10.3.2, z.B. Pyricularis oxyzae- Laccase.Oxidation of the coal sludge can be brought about by treatment with an oxidizing enzyme such as a peroxidase, a laccase or a similar oxidase. As used herein, a peroxidase is any enzyme having E.C. number 1.11.1.7, e.g., horseradish peroxidase, and a laccase is any enzyme having E.C. number 1.10.3.2, e.g., Pyricularis oxyzae laccase.

Die Oxidation kann zum Beispiel dadurch herbeigeführt werden, daß Fossilbrennstoffsubstrat mit Meerrettichperoxidase in Anwesenheit von Sauerstoffüberschuß bei einer Temperatur zwischen 0 - 80ºC und einem pH zwischen 5 - 9 in Kontakt gebracht wird, wobei die Meerrettichperoxidasemenge von 0,01 bis zu 10 Gewichtsteilen je 100 Gewichtsteile des Fossilbrennstoffsubstrats rangiert.The oxidation can be brought about, for example, by contacting fossil fuel substrate with horseradish peroxidase in the presence of excess oxygen at a temperature between 0 - 80ºC and a pH between 5 - 9, the amount of horseradish peroxidase being from 0.01 up to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the Fossil fuel substrate.

Als andere Möglichkeit kann teilweise Oxidation mittels Säurebehandlung der Kohlepartikel herbeigeführt werden. Die Säureoxidation kann bei Umgebungstemperatur stattfinden. Dies würde in der herkömmlichen oxidativen Vorbehandlungsart von Kohle vor der Entschwefelung durchgeführt werden.Alternatively, partial oxidation can be induced by acid treatment of the coal particles. The acid oxidation can take place at ambient temperature. This would be carried out in the conventional oxidative pretreatment of coal prior to desulfurization.

Die Oxidation dient dem Umwandlung der organischen Schwefelanteile in Schwefeloxid oder -anteile, wie Sulfat. Es ist wünschenswert, die höchstmögliche Menge an organischem Schwefel in Schwefeloxide umzuwandeln. Andererseits ist eine vollständige Oxidation in Schwefeldioxid, genau wie auch eine übermäßige Oxidation des Kohlenstoffs in der Kohlematrix, im allgemeinen unerwünscht. Im allgemeinen kann der gewünschte Oxidationsgrad durch Variation des Oxidasetyps oder eines anderen Oxidationsmittels, der Konzentration des Oxidationsmittels, Dauer des Kontakts zwischen der Kohle und dem Oxidationsmittel und anderen Behandlungsbedingungen, wie z.B. pH, Temperatur und Sauerstoffverfügbarkeit erzielt werden.Oxidation is used to convert the organic sulfur moieties into sulfur oxide or moieties such as sulfate. It is desirable to convert the maximum amount of organic sulfur to sulfur oxides. On the other hand, complete oxidation to sulfur dioxide is generally undesirable, as is excessive oxidation of the carbon in the coal matrix. In general, the desired degree of oxidation can be achieved by varying the type of oxidase or other oxidizing agent, the concentration of the oxidizing agent, the duration of contact between the coal and the oxidizing agent, and other treatment conditions such as pH, temperature, and oxygen availability.

Die Hydrolyse der oxidierten Schwefelanteile wird dann, wie vorstehend erwähnt, durch Sulfatase-Behandlung herbeigeführt. Wie hierin benutzt, umfaßt Sulfatase jedes Enzym, das zum Hydrolysieren der Schwefelanteile zur Herbeiführung einer wasserlöslichen Schwefelverbindung in der Lage ist. Zu spezifischen Beispielen zählen Enzyme mit der E.C.-Nummer 3.1.6.1, wie beispielsweise Napfschnecken- Sulfatase, Aerobacter aerogenes-Sulfatase, Seeschnecken- Eingeweide-Sulfatase, Helixpomatia-Sulfatase und dergleichen.Hydrolysis of the oxidized sulfur moieties is then accomplished by sulfatase treatment, as mentioned above. As used herein, sulfatase includes any enzyme capable of hydrolyzing the sulfur moieties to produce a water-soluble sulfur compound. Specific examples include enzymes having E.C. number 3.1.6.1, such as limpet sulfatase, Aerobacter aerogenes sulfatase, sea snail gut sulfatase, Helixpomatia sulfatase, and the like.

Das In-Kontakt-Bringen des Fossilbrennstoffsubstrats mit dem Sulfatase-Enzym kann zum Beispiel in Anwesenheit von Wasserüberschuß bei einer Temperatur zwischen 0 - 80ºC und einem pH zwischen 5 - 9 erfolgen, wobei die Menge des Sulfatase-Enzyms von 0,01 bis zu 10 Gewichtsteilen je 100 Gewichtsteile des Substrats rangiert.Contacting the fossil fuel substrate with the sulfatase enzyme can, for example, be carried out in the presence of excess water at a temperature between 0 - 80ºC and a pH between 5 - 9, with the amount of the sulfatase enzyme ranging from 0.01 up to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the substrate.

Die Oxidation und der Kontakt mit dem Schwefel entfernenden Enzym kann gleichzeitig oder konsekutiv erfolgen. Das Oxidationsenzym und das Schwefel entfernende Enzym können beim Packen, bevor sie mit dem Substrat in Kontakt gebracht werden, immobilisiert werden.The oxidation and contact with the sulfur-removing enzyme can be carried out simultaneously or consecutively. The oxidation enzyme and the sulfur-removing enzyme can be mixed during packing before they are brought into contact with the substrate. be immobilized.

Die Kohlepartikel können mit der Sulfatase und/oder Oxidationsenzymen, mit oder ohne zusätzlicher chemischer Oxidation behandelt werden. Ein in Betracht gezogenes Prozeßschema ist ein Wirbelbettreaktor wie in Fig. 1 veranschaulicht. Im allgemeinen wird durch den ganzen Wirbelbettreaktor 100 eine gleichmäßige Konzentration und Temperatur aufrechterhalten, und das Enzym wird auf Trägerpartikeln E immobilisiert, die verhältnismäßig größer sind als die Kohlepartikel in dem Schlamm, der typischerweise in den unteren Teil des Reaktors 100 eingespeist wird. Dieser Größenunterschied erlaubt die Zurückhaltung der Enzymträgerpartikel E durch Katalysatorrückhaltesieb S und Schwerkraftabscheidung im oberen Teil des Reaktors 100 in Nähe der Abflußöffnung C im üblichen Wirbelbettbetrieb. Luft oder anderes geeignetes Gas wird zur Förderung der Rückmischung und der Bedingungen des kontinuierlichen Rührkesselreaktors typischerweise auf dem Boden des Reaktors 100 zugeführt.The carbon particles can be treated with the sulfatase and/or oxidation enzymes, with or without additional chemical oxidation. One process scheme contemplated is a fluidized bed reactor as illustrated in Figure 1. Generally, a uniform concentration and temperature is maintained throughout the fluidized bed reactor 100, and the enzyme is immobilized on carrier particles E which are relatively larger than the carbon particles in the slurry typically fed into the lower portion of the reactor 100. This size difference allows retention of the enzyme carrier particles E by catalyst retention screen S and gravity separation in the upper portion of the reactor 100 near the discharge opening C in conventional fluidized bed operation. Air or other suitable gas is typically supplied to the bottom of the reactor 100 to promote backmixing and continuous stirred tank reactor conditions.

Ein alternatives Verarbeitungsschema für einen Wanderbettreaktor, das im allgemeinen dem Format der nachstehend dargelegten Beispiele folgt, ist in Fig. 2 veranschaulicht. Der Kohleschlamm wird aus dem Verweil- /Vorbereitungstank 200 im allgemeinen am oberen Ende des geneigten Wanderbetts 202 eingespeist und am unteren Ende davon abgegeben. Während die Kohle durch den Reaktor 202 nach unten fließt, kommt sie zur Freisetzung des Schwefels als Sulfat, das in der Enzymlösung löslich ist, kontinuierlich mit der Enzymlösung in einer Gegenstromweise in Kontakt. Der Enzym-/Sulfatlösungsabfluß aus dem Reaktor wird durch Adsorption an ein Sorbens in einer Enzymadsorptionseinheit 204 zurückgewonnen. Die Sulfatlösung wird problemlos von dem Sorbens getrennt und im Tank 206 gesammelt, in dem zum Beispiel Kalk oder anderes basisches Material zur Präzipitation des Sulfats vor der Entsorgung benutzt werden kann. Das adsorbierte Enzym aus der Einheit 204 wird dann in der Einheit 208 desorbiert. Das desorbierte Enzym wird dann zusammen mit allem Zusatzenzym dem Reaktor 202 wieder zugeführt, während das Sorbens durch den Enzymadsorptions- /Enzymdesorptionszyklus rückgeführt werden kann.An alternative processing scheme for a moving bed reactor, generally following the format of the examples set forth below, is illustrated in Figure 2. The coal slurry is fed from the hold/preparation tank 200 generally at the top of the inclined moving bed 202 and discharged at the bottom thereof. As the coal flows downward through the reactor 202, it continuously contacts the enzyme solution in a countercurrent manner to release the sulfur as sulfate which is soluble in the enzyme solution. The enzyme/sulfate solution effluent from the reactor is recovered by adsorption to a sorbent in an enzyme adsorption unit 204. The sulfate solution is readily separated from the sorbent and collected in tank 206 where, for example, lime or other basic material may be used to precipitate the sulfate prior to disposal. The adsorbed enzyme from unit 204 is then desorbed in unit 208. The desorbed enzyme is then returned to reactor 202 together with all additional enzyme. while the sorbent can be recycled through the enzyme adsorption/enzyme desorption cycle.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele veranschaulicht.The invention is illustrated by the following examples.

Beispiel 1example 1

Aus 100 mg Dibenzothiophen ("DBT") in 3 ml 0,1 M Tris- Puffer, pH 7,0, wurde eine Suspension hergestellt. Zu dieser Suspension wurden bei Raumtemperatur 0,5 ml Meerrettichperoxidase (Sigma P 8000) zu 2 mg/ml in Puffer und 0,5 ml Aerobacter aerogenes-Sulfatase (Sigma S 1629) zu 2 mg/ml in Puffer zugefügt. Das Gemisch wurde bei Raumtemperatur in einer Luftatmosphäre gehalten, und Reaktionsproben wurden periodisch entnommen und gefiltert. Feststoffe wurden auf elementare Zusammensetzung analysiert. Diese Analysedaten sind Tabelle 1 zu entnehmen. TABELLE 1 Elementaranalyse (Gewichtsprozent) Probe DBT/Peroxidase DBT/Peroxidase/SulfataseA suspension was prepared from 100 mg of dibenzothiophene ("DBT") in 3 ml of 0.1 M Tris buffer, pH 7.0. To this suspension were added at room temperature 0.5 ml of horseradish peroxidase (Sigma P 8000) at 2 mg/ml in buffer and 0.5 ml of Aerobacter aerogenes sulfatase (Sigma S 1629) at 2 mg/ml in buffer. The mixture was maintained at room temperature in an air atmosphere and reaction samples were periodically removed and filtered. Solids were analyzed for elemental composition. These analytical data are shown in Table 1. TABLE 1 Elemental analysis (weight percent) Sample DBT/Peroxidase DBT/Peroxidase/Sulfatase

Filtrate von dem mit Peroxidase/Sulfatase behandelten DBT wurden auf spektrale Veränderungen analysiert, und diese Spektraldaten werden in Fig. 3 dargestellt. Die Spektraldaten lassen eine Spektralverschiebung in Richtung zu den längeren Wellenlängen erkennen, was auf eine erhöhte Polarität schließen läßt, die von einer Umwandlung von DBT durch die Peroxidase/Sulfatase-Enzyme zu erwarten wäre. Die Elementaranalyse läßt eine Zunahme des Sauerstoffgehalts und eine Abnahme des Schwefelgehalts erkennen. Darüber hinaus wurde auch beobachtet, daß die Ausgangsreaktionsgemische deutlich zweiphasige Flüssigkeits-Feststoff-Gemische waren, wohingegen spätere Reaktionsgemische stark benetzt waren und wie milchige Suspensionen aussahen.Filtrates from the peroxidase/sulfatase treated DBT were analyzed for spectral changes and these spectral data are presented in Figure 3. The spectral data show a spectral shift towards the longer wavelengths, indicating increased polarity that would be expected from conversion of DBT by the peroxidase/sulfatase enzymes. Elemental analysis shows an increase in oxygen content and a decrease in sulfur content. In addition, it was also observed that the starting reaction mixtures were clearly two-phase liquid-solid mixtures, whereas later reaction mixtures were heavily wetted and looked like milky suspensions.

Beispiel 2Example 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde unter Verwendung von 100 mg in der Kugelmühle zermahlener Wyodak-Kohle anstelle von DBT durchgeführt. Die Resultate werden in Tabelle 2 und Fig. 4 dargestellt. TABELLE 2 Elementaranalyse (Gewichtsprozent) Probe Stunden Wyodak-Kohle Wyodak-Kohle/Peroxidase/SulfataseThe procedure of Example 1 was carried out using 100 mg of ball milled Wyodak coal instead of DBT. The results are presented in Table 2 and Fig. 4. TABLE 2 Elemental Analysis (Wt.%) Sample Hours Wyodak Coal Wyodak Coal/Peroxidase/Sulfatase

Die für Wyodak-Kohle in Fig. 4 nachgewiesenen spektralen Veränderungen sind ähnlich denen, obwohl ausgeprägter als die mit DBT beobachteten, was in Gegenwart der Peroxidase und Sulfatase auf eine umfassendere Reaktion der Wyodak-Kohle als des DBT hindeutet.The spectral changes detected for Wyodak coal in Fig. 4 are similar to, although more pronounced than, those observed with DBT, suggesting a more extensive response of Wyodak coal than DBT in the presence of peroxidase and sulfatase.

Der in den Daten in Tabelle 2 anhand der Elementaranalyse zu beobachtende große prozentuale Abfall des Schwefels deutet darauf hin, daß circa 80% des Schwefels entfernt wurde. Es wird gemeint, daß die Ergebnisse mit der Wyodak-Kohle besser sind als mit DBT, weil nur ein Bruchteil des organischen Schwefels in Kohle aromatischer, thiophenartiger Schwefel ist, der im allgemeinen widerstandsfähiger gegenüber chemischer Umsetzung ist als andere Arten des in Kohle gefundenen organischen Schwefels. Die prozentuale Zunahme des Stickstoffs ist wahrscheinlich auf die Haftung der Enzyme an den Kohlepartikeln zurückzuführen.The large percentage decrease in sulfur observed in the data in Table 2 based on elemental analysis indicates that approximately 80% of the sulfur was removed. It is believed that the results are better with the Wyodak coal than with DBT because only a fraction of the organic sulfur in coal is aromatic, thiophene-type sulfur, which is generally more resistant to chemical conversion than other types of organic sulfur found in coal. The percent increase in nitrogen is probably due to the adhesion of the enzymes to the coal particles.

Beispiel 3Example 3

Das Verfahren von Beispiel 2 wurde unter Verwendung von Illinois Nr. 6-Kohle anstelle von Wyodak-Kohle wiederholt. Die Ergebnisse werden in Tabelle 3 und Fig. 5 dargestellt. TABELLE 3 Elementaranalyse(Gewichtsprozent) Probe Stunden Illinois Nr. 6-Kohle Illinois Nr. 6-Kohle/Peroxidase/SulfataseThe procedure of Example 2 was repeated using Illinois No. 6 coal instead of Wyodak coal. The results are presented in Table 3 and Fig. 5. TABLE 3 Elemental Analysis (Wt. Percent) Sample Hours Illinois No. 6 Coal Illinois No. 6 Coal/Peroxidase/Sulfatase

Wie aus Tabelle 3 und Fig. 5 zu entnehmen ist, entschwefelt die enzymvermittelte Behandlung der Illinois Nr. 6-Kohle die Kohle auf ähnliche Weise wie die Wyodak-Kohle.As can be seen from Table 3 and Fig. 5, the enzyme-mediated treatment of the Illinois No. 6 coal desulfurizes the coal in a similar manner to the Wyodak coal.

Claims (9)

1. Verfahren zur Enfernung von Schwefel aus einem organischen Schwefel enthaltenden Fossilbrennstoff-Substrat, welches die folgenden Schritte umfaßt:1. A process for removing sulphur from a fossil fuel substrate containing organic sulphur, which comprises the following steps: Oxidieren des Fossilbrennstoff-Substrats, indem das Substrat mit einer Säure oder einem Oxidationsenzym in Kontakt gebracht wird;oxidizing the fossil fuel substrate by contacting the substrate with an acid or an oxidizing enzyme; In-Kontakt-Bringen des Substrats mit einem Schwefel entfernenden Enzym; undcontacting the substrate with a sulfur-removing enzyme; and Rückgewinnung eines Fossilbrennstoffes mit herabgesetztem Schwefelgehalt.Recovery of a fossil fuel with reduced sulfur content. 2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem es sich bei dem Substrat um Kohle, Erdöl oder anhand von Verfahren hieraus gewonnene Produkte handelt.2. A process according to claim 1, in which the substrate is coal, petroleum or products obtained therefrom by processes. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Oxidation dadurch herbeigeführt wird, daß das Substrat mit Peroxidase oder Laccase in Kontakt gebracht wird.3. A process according to claim 1 or 2, in which the oxidation is brought about by bringing the substrate into contact with peroxidase or laccase. 4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem die Oxidation dadurch herbeigeführt wird, daß das Substrat mit Meerrettichperoxidase in Anwesenheit von Sauerstoffüberschuß bei einer Temperatur zwischen 0-80º C und einem pH-Wert zwischen 5 und 9 in Kontakt gebracht wird, und wobei die Meerrettichperoxidasemenge von 0,01 bis zu 10 Gewichtsteilen je 100 Gewichtsteile des Subtrats rangiert.4. A process according to claim 3, in which the oxidation is brought about by contacting the substrate with horseradish peroxidase in the presence of excess oxygen at a temperature between 0-80ºC and a pH between 5 and 9, and the amount of horseradish peroxidase ranges from 0.01 up to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the substrate. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem es sich bei dem Schwefel entfernenden Enzym um ein Sulfatase- Enzym handelt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Aerobacter-Spezies Sulfatase, Napfschnecken-Sulfatase, Seeschnecken-Eingeweiden-Sulfatase und Helix-Spezies Sulfatase umfaßt.5. A method according to any one of claims 1 to 4, in which the sulfur removing enzyme is a sulfatase enzyme selected from the group comprising Aerobacter species sulfatase, limpet sulfatase, sea snail viscera sulfatase and Helix species sulfatase. 6. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem das In-Kontakt- Bringen des Fossilbrennstoff-Substrats mit dem Sulfatase-Enzym in Anwesenheit von Wasserüberschuß bei einer Temperatur zwischen 0-80º C und einem pH-Wert zwischen 5 und 9 erfolgt, und wobei die Menge des Sulfatase-Enzyms von 0,01 bis zu 10 Gewichtsteilen je 100 Gewichtsteile des Substrats rangiert.6. A process according to claim 5, in which contacting the fossil fuel substrate with the sulfatase enzyme takes place in the presence of excess water at a temperature between 0-80ºC and a pH between 5 and 9, and wherein the amount of the sulfatase enzyme ranges from 0.01 up to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the substrate. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem die Oxidation und das In-Kontakt-Bringen mit dem Schwefel entfernenden Enzym konsekutiv erfolgt.7. A process according to any one of claims 1 to 6, in which the oxidation and the contacting with the sulfur-removing enzyme are carried out consecutively. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem die Oxidation und das In-Kontakt-Bringen mit dem Schwefel entfernenden Enzym gleichzeitig erfolgt.8. A process according to any one of claims 1 to 6, in which the oxidation and the contacting with the sulfur-removing enzyme are carried out simultaneously. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem besagtes Oxidationsenzym und besagtes Schwefel entfernendes Enzym beim Packen, bevor sie mit dem Substrat in Kontakt gebracht werden, immobilisiert werden.9. A method according to any one of claims 1 to 6, in which said oxidation enzyme and said sulfur removing enzyme are immobilized during packing before being brought into contact with the substrate.
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