绿色煤炭——煤炭的生物降解转化

★煤炭科技.加工转化一-兖矿集团煤化公司协办★绿色煤炭煤炭的生物降解转化*徐敬尧张明旭(安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽省淮南市，232001)滴要分析和阐述了绿色化学生物技术在煤炭生物转化领域应用的重要性及其应用。生物技术与矿业技术相结合将为传统的矿业工程技术领域注入崭新活力，必将促进矿业技术.获得新的更快发展。关键词縑色煤炭生物转化 生物降解 .中图分类号Q939. 99; TQ530.2文献标识码AGreen coal一- -The biodegradation of coal conversionXu Jingyao, Zhang Mingxu(School of Material Science and Engineeing, Anhui University of Science & Technology. Huainan, Anhui 232001. China)Abstract It analyses and elaborates the importance of green chemistry mining bio- technology and its applica-tion in coal biodegradation. It holds that the combination of bio- technology and mining- technology will add a newvigor in traditional mining engineering technology which will boost the development of mining technique.Key words green coal;biotranstormation; biodegradation煤炭的生物降解转化利用与传统的工业转化方生物溶解。主要是利用真菌、细菌和放线菌等微生法相比，具有能耗低、转化条件温和、转化效率.物的转化作用来实现煤的溶解、液化和气化，使之高、转化产物的经济效益和应用价值高、设备要求转化成易溶于水的物质或者烃类气体，从中提取有简单和绿色环保等- -系列优越性，因而日益受到人特殊价值的化学品及制取清洁燃料、工业添加剂与们的重视和关注，相关研究正方兴未艾。农植物生长促进剂等，最终实现煤的溶解、液化和.从生物化学角度看，利用生物体内某种生物酶气化。如把溶煤产物转化为具有很高附加值的单一或多种生物酶来抑制有害微生物的生长或者有害物的低分子芳烃类和可替代石油作为清洁燃料的甲质的产生，或利用微生物对某种矿物质的选择性作烷、甲醇和乙醇等物质。目前微生物将纤维素转化用来生产无害和洁净矿物质的生物转化技术等，如为醇、将纤维索转化为沼气、氢气和一氧化碳为主煤炭生物转化技术应该属于绿色化学范畴，因为其的煤气甲烷化技术基本成熟，在常温和常压下即可加工过程是生物化学过程。进行。利用微生物降解石油和木质素的研究进展迅速，煤与石油、木质素同源，特别是年轻的低阶煤1绿色化的煤炭生 物转化技术中就含有大量的类木质素物质，试验已证明能被微1.1 生物转化技术生物大量降解。煤炭生物转化属生物加工的范畴，是指煤在微煤炭的生物降解转化研究始于20世纪80年生物参与下发生大分子的解聚作用，称生物降解或代。德国法克斯(Fakoussa) 和美国科恩(Co-.基金项目:国家自然科学基金项目(50474056);高hen)发现，某些真菌能在煤块上生长，并能将煤等学校博士学科点专项科研基金项目(20050361001); 安转化中国煤化工物转化研究在世界徽省高校省级自然科学研究重点项目(KJ2007 A083);上CNMHG进展。国内外研究2005-2007安徽省学术技术带头人后备人选科研资助专者已丌两山右丁佩土初，同五这些微生物(包括细项绿色煤炭一一煤炭的生物降解转化*67菌、放线菌、真菌)可降解经氧化处理后的低价煤预处理，褐煤生物溶解能力大为增强。(氧化状态)。随着全球石油资源紧缺状况的加剧,.中国大连理工大学韩威、杨海波等用硝酸氧化开拓有着广泛应用价值和前景的煤炭生物转化技平庄、扎赉诺尔褐煤，用云芝进行生物作用，煤失术，实现以煤代油、煤炭绿色转化之路，既符合中重及收集产物的分析表明，溶解达30% ~ 60%;国国情，又符合洁净煤技术的国际发展方向，还在安徽理工大学已故王龙贵教授使用白腐菌降解转化一定程度上可缓解国际高油价对中国的冲击。这也硝酸处理义马褐煤和淮南次烟煤的结果亦表明，酸是我国在能源战略上立足国内资源优势，保证能源.处理有助于煤生物降解转化。持续、可靠供应，实现能源可持续发展，特别是煤1.4 煤炭降解转化方式的研究炭行业可持续发展的一条重要途径。在降解转化方式上国内外研究者主要集中在固1.2 降解转化煤炭的微生物体溶煤和液体溶煤两种方式，如国外的科恩(Co-能够降解转化煤炭微生物的来源是根据它们的hen)、斯科特(Scott)， 中国安徽理工大学的安徽代谢产物，如分泌的酶、螯合剂等具有攻击煤中或省矿业工程重点实验室等都进行了这方面的研究。类似于煤的有机化合物中某些成分、结构等作用，-般来说，固体溶煤比液态溶煤效果更好，液态溶可从现有的各种微生物中筛选出来的。例如，木质煤主要是为了进行大规模工业应用。液态溶煤又可素结构与低阶煤类似，所以可以选用能降解木质素分为菌体液体培养溶煤和菌体培养液(不含菌体)的微生物如黄孢原毛平革菌来进行微生物溶煤研溶煤，它们主要是用来对溶煤机理进行研究，以考究，并已取得一定效果。再如煤中有芳环结构，故察是哪种因素使得煤发生降解作用。可选用能降解芳环的细菌如假单胞菌属来进行溶煤2微生物溶煤产物分析研究。此外，还可从生长在暴露于自然界中煤上的微生物中分离菌种。不同微生物与不同煤样的作用煤炭生物降解转化产物的分析是基于现代煤化有一定的匹配关系，因此，不同煤种溶降解煤的微学及生物学的分离技术和分析手段所进行的有关产生物的筛选就显得非常重要。中国的煤种繁多，低物组成、结构和性质的分析。它是降解转化产物的阶煤的储量很大，进行菌煤匹配的筛选工作具有重应用基础，也是降解转化机理的研究基础。常规应大的实际意义。用的是工业分析、元素分析、红外光谱、核磁共振已经分离鉴定出来用于溶降解煤试验的微生物波谱、质谱、沉淀性与溶解性分析等。也有用紫外有很多。细菌类有枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌，线、气(液)相和凝胶色谱及凝胶电泳等方法。煤.蜡状芽孢杆菌和假单胞菌DLC-07.放线菌类有.炭降解转化产物的许多性质被研究者所研究，其中云芝，链霉菌，链霉菌(75Vi2) 和栗褐链霉菌。.包括产物组成、产物结构、溶解度、分子量、酸沉真菌类的担子菌属中有云芝，茯苓和粉状侧胞菌;淀性质、吸光度、蛋白质含量和发热量等，但结论酵母菌中的一些菌种及丝状真菌中的曲霉，土曲各异。如:煤炭生物降解转化产物是酸，可沉淀，霉，曲霉菌，青霉菌和小克银霉菌。在这些种属其沉淀是可碱溶的，微生物溶煤产物极易溶于水，中，云芝、青霉、假单胞菌的液化能力较强。较难溶于甲醇，在有机酸中的溶解度，一般随有机1.3 煤炭生物降解转化的种类溶剂的极性升高而增大。已故王龙贵教授的研究表已经试验过的煤种有风化褐煤、褐煤，甚至年明，对于义马褐煤、淮南次烟煤用真菌降解，其结.轻烟煤，煤溶解程度似乎与煤种关系较大，而与微论是:微生物溶煤产物是碱可沉淀的，其沉淀是酸生物种类关系次之，而大多数未经预处理的褐煤及.可溶的。年轻烟煤却不能为所试验的真菌所降解。一般来2.1 微生物对煤降解产物的可能应用讲，煤溶解程度减小次序为:风化煤，暴露于空气煤与生物作用所得到的液体产物尽管在基本结中的煤，未暴露于空气中刚开采出来的煤。构上与褐煤相似，但由于生物种类不同，煤样化学试验表明低价煤经过预处理更容易被细菌降解组成不均一，相互作用机理不同，这些液体产物的转化。为此，人们试验了各种氧化预处理方法，如中国煤化工生物与煤作用所得用硝酸浸泡氧化处理、微波辐射处理、高温空气氧的液THCNMHG域。目前，由于缺化煤(150C)、 .氧化氢和臭氧(或联合)进行氧化乏产王大重纯很件煤厂丽时仅不，这一领域的工作68中国煤炭第35卷第3期2009年3月进展不大。煤炭生物转化的机理。煤炭的降解转化产物是一种水溶性的液态产3煤炭生物降解转化研究的发展方向物。该产物含有多种官能团，具有较大的工、农、牧、医等方面的应用潜力。对此，研究者提出了各煤炭生物降解转化研究只有短短20来年的时种可能的用途。如费森(Faison) 根据木腐真菌溶间。美国、德国、意大利、澳大利亚等发达国家在解煤所得产物的特点与该菌溶解木质素所得到的聚此领域已开展了广泛的研究并取得一系列成果。中合木质素是相似的特点提出:被木质素真菌所溶解国随后也紧跟其上，但目前这方面的研究工作进展的煤类物质可望像聚合木质素那样，工业上用于抗较慢，还存在不少问题，主要表现在两个方面。氧剂、表面活性剂、树脂或黏合剂成分，特别是作(1)溶煤菌种方面。目前在溶煤菌种的寻求上为商业离子交换树脂或吸附剂用;农业上用作土壤还未取得突破性进展，尚未找到效果特别显著且适调节剂，改善植物根部的吸收;医学上作为免疫辅应广泛的廉价菌种。目前所报道的菌种对煤炭的降药等。并且指出，真菌作用溶解煤而释放出低分子解转化能力有限，且菌种在生长过程中还需另外加芳烃，这些芳烃带有很多含氧官能团，是工业上有.人各种营养物，这使得溶煤成本大大提高。这一点价值的化学品。克雷恩(Klein) 等建议，可将煤也是制约煤的微生物转化技术工业化的瓶颈。的转化产物合成聚羟基烯烃类精细化学品。卡奇赛通过现代生物工程手段选育、创造出高效煤炭德(Catcheside) 等认为，目前煤炭降解转化技术转化菌种，进一步加快煤炭转化速度，降低溶煤成在低阶煤选矿、低阶煤的特殊低分子量有机物的转本，为工业化应用技术研究打下基础。化以及制取新的液体燃料等方面的应用已成为从当代生物技术的发展来看，各种新技术、新可能。.方法层出不穷，为我们彻底改造煤炭转化菌，培育生物溶解煤的多酚多阴离子结构在农业方面得性能优异新菌种提供了技术上的支持。利用多样性到了应用，可以作为土壤调节剂，改善植物根部的.的生物基因库，构成特定功能的微生物新种群，实吸收作用，解除士壤中的有害化学物质。佟威等用现煤炭的高效转化对跨学科地研究，以实现最后的花盆土培养考察云芝培养液溶解硝酸氧化样品对玉突破有着重要的意义。目前，细胞工程、基因工程米种植的影响，结果表明浇灌煤溶物水溶液有助于在此领域的应用已经朝着构建能够降解特殊化合物玉米出苗及干旱时增加抗旱能力。同时他们又考察超级工程菌的微生物方向前进，基因操作水平被用了煤溶物对蒜苗的生物影响，发现煤溶产物对蒜苗来提高微生物体内特异酶水平，而这些酶具有特异的生长具有明显刺激作用。王龙贵教授进行了利用性生物转化的作用。研究表明，这些酶是由降解质白腐真菌把硝酸预处理义马褐煤降解后的水溶物作粒编码组成，降解质粒常见于细菌的细胞质，分子为水煤浆添加剂的试验研究，制备了两种浓度量大，通过2个细菌的相互接触，质粒可从供体细(50%，68%)的水煤浆，通过对其物理化学性质菌转移到受体细菌，而供体细菌通过复制作用仍可的研究表明:该水煤浆具有较高浓度、较低粘度、保持这种质粒。降解质粒的发现及其转移和用生物较好流动性和较高稳定性，即优质水煤浆。价格方工程构建特殊功能的超级新菌的成功对煤炭的生物面考虑到微生物培养基的成本，与蔡系添加剂成本转化开辟了广阔的前景。据报道，美国就已用4种基本差不多。假单胞细菌的基因组人到同一菌株中，创造了有超2.2生 物降解转化煤炭机理的探讨常降解能力的超级菌，其降解石油的速度奇快，几虽然，研究者们提出了多种生物溶煤机理，如小时能够分解石油中2/3的烃类，而自然降解需要.碱作用机理、生物分泌的螯合剂作用机理、酶作用1年多才行。机理等，但到现在为止，到底是哪种作用机制，还(2)微生物溶煤产物利用方面。人们一直希望不十分清楚。本实验窒拟着手从多方面研究探讨煤用微生物降解转化煤来生成某些结构单一的、有较炭的生物降解转化机理，如菌的培养液对煤炭降解高经济价值的化学品。由于煤本身结构的复杂性及转化作用、溶解产物的红外光谱、X_射线衍射等煤微中国煤化工的复杂性，要想直手段和煤炭降解产物的热分析等，对煤转化产物与接得Y台CN M H G的困难。但有报道原煤结构及组成进行比较等，从更深层次上来研究把煤先气化再利用微生物间接转化成甲烷等单一化绿色煤炭一煤炭的生物降解转化 "59学品。研究者就微生物溶煤产物曾提出了许多可能版社，1996年5月的用途，但目前溶煤液态产物只在用作农作物生长[3]王龙贵。煤炭的微生物转化与利用[M]. 北京:化促进剂方面取得了一定进展。鉴于煤的生物转化成学工业出版社，2006年1月[4] 张明旭，王龙贵.煤炭生物转化技术研兖及其进展本及效率，开发新的用途显得非常重要。综上所述，寻求高效菌种、开发溶煤新产品和[5[J] .安徽理工大学学报, 2005 (4)王龙贵，欧泽琛.析燃煤污染危害及其防治[J] .拓展溶煤产物的新用途将是今后煤的微生物转化的选煤技术, 2004 (1)主要研究方向。虽然煤的微生物转化研究目前仍处[6] 韩威，佟威，杨海波，煤的微生物溶(降)解及其于探索阶段,但它是煤综合利用研究中的新领域，产物研究[J] .大连理工大学学报，1994 (6)因而前最十分广阔。中国有丰富的煤炭资源，热值[7] 柳丽芬，阳卫军，成莹等.鹤岗风化酶的微生物溶低和利用价值低的褐煤以及风化煤、泥炭的储量很解研究[J] .大连理工大学学报，1996 (4)大，因此有针对性地研究低价煤的微生物转化技.[8]张东晨.现代矿业生物技术的发展及在煤炭加工中术，在中国具有更重大的现实意义。的应用[J] .中国煤炭，2006 (3)参考文献:作者简介:徐敬尧(1971-),男，安徽淮南人，讲[1] 仲崇立编著.绿色化学导论[M] .北京:化学工业师，博士研究生,从事煤炭生物转化研究。出版社，2000年9月[2_魏德洲。资源微生物技术[M] .北京:冶金工业出(责任编辑康淑云)(上接第63页)并且对故障响应速度快，解决了传统保护系统需要控制信号切断该条线路，并将故障数据信息、报警对检测数据进行集中处理而导致的误判或控制延迟信息以及分支位置信息发送到中心节点处，由中心的缺陷，具有很好的应用前景。节点对数据进行处理并传输到用户终端进行显示。路由节点应用程序流程如图5所示。[1] 孟祥忠。现代供电技术[M] .北京:清华大学出版初始化社，2006[数据采集[2] 董挺挺，沙超等。基于CC2420的无线传感器网络数据漶波]节点的设计[M] .计算机与自动化技术，2007[3] 束洪春。配电网络故障选线[M] .北京:机械工业'零序电压达出版社，2008 (8)到动作值?4] Yuan Zhenhai A Study on Zero Sequence DC SmallYYCurrent Earthing Line Selection System Leaking Resistance零序电流大零序电流方 NDC Voltage [C] . Proceedings of the 2004 International于整定值?向为正E?Conference (CDIC04) IEEE, 2004Y[5]IEEE Std. 802. 15. 4- 2003. Wireless Medium Acess[断定该分支福电Control (MAC) and Physical Layer (PHY) SpecificationsC发出控制信号]for Low Rate Wireless Personal Area Networks. 2003发送报警信号[6]Polastre J, Saewczyk R, Mainwaring A. Culler D,和位置信号Anderson J, Analysis of wireless sensor networks for habitatmonitoring. Wireless Sensor Networks, 2004图5路由节点应用程序 流程图4结语作者简介:孟祥忠(1964-),男，教授,博士。主要研究方向是电网智能控制与保护、无线传感器网络。本文将无线传感网络引人到矿井电网漏电保护中国煤化工系统中，相对传统有线的漏电保护系统，无线系统YHCN M H G任编辑张艳华)定位简单，无需走线，成本低廉，抗干扰能力强，70中国煤炭第35卷第3期2009年3月