关键词：生物表面活性剂,合成表面活性剂,微生物提高石油采收率(MEOR)
摘 要：介绍了生物表面活性剂的基本特性､类型､生产及其在石油与环境领域中的应用。
内 容：
表面活性剂在许多工业领域都占有重要的地位,但化学合成的表面活性剂由于其原材料来源､价格､产品性能和环境污染等方面的问题,其使用受到一定的限制。为了解决上述问题,人们寄希望于应用生物技术来生产活性高､性能优､环境友好的表面活性剂。因此,生物表面活性剂的研制开发受到重视。
1 生物表面活性剂的基本特性与类型
由微生物生产的生物表面活性剂,其化学结构十分广泛,包括糖脂､脂肽､多糖 蛋酸络合物､磷脂､脂肪酸和中性脂等。虽然不同种类的微生物所合成的生物表面活性剂具有不同的性质与生理功能,但生物表面活性剂都具有下列特性:①能降低界面张力;②具有较好的热与化学稳定性;③乳化作用。
微生物生产的生物表面活性剂包括广泛的化学结构,不同的微生物生产的生物表面活性剂各不相同,其中具有良好性能的生物表面活性剂列于表1。
从化学结构上看,生物表面活性剂可分为糖脂､肽､脂肪酸和磷脂,其中研究得比较深入的是糖脂。糖脂是由二糖脂化到脂肪酸上构成的,常见的糖脂有分枝菌酸脂､海藻糖脂､鼠李糖脂､槐糖脂等。
2 生物表面活性剂的生产
2.1 生物表面活性剂生产的基质
许多微生物都能以烃类为唯一碳源产生生物表面活性剂。因此以烃类为基质生产生物表面活性剂是生物表面活性剂生产的主要基质。从目前看来,大多数生产菌都需要某种烃类作为生物合成的碳基质。其中酵母菌和真菌主要利用直链饱和烃,细菌则可利用异构烃､环烷烃､不饱和烃和芳香烃。
2.2 生物表面活性剂生产用菌种与培养基
生产生物表面活性剂的微生物可分为三类:完全以烷烃为碳源生产生物表面活性剂,如棒状杆菌;仅以水溶性底物为碳源,如枯草杆菌;以烃类和水溶性底物为碳源,如假单胞菌。
在生物表面活性剂生产用培养基中,碳源是生物表面活性剂结构与产量的关键,其它可能影响生物表面活性剂生产的营养成分包括氮源､磷源､金属离子和其它添加剂。此外,反应条件如温度､培养基pH和溶解氧水平或搅拌速度对生物表面活性剂的生产也具有重要影响。
2.3 生物表面活性剂合成的调节
生物表面活性剂的合成可通过油性物质的诱发作用､葡萄糖等物质的代谢抑制等方法进行调节,改变发酵条件如温度等都可对生物表面活性剂的合成进行调节。研究表明,烃和其它不溶于水的物质可以诱发微生物生产生物表面活性剂。
2.4 生物表面活性剂的提取和浓缩
在发酵液中生物表面活性剂往往浓度低且具亲水亲油性质,因此,生物表面活性剂的分离､提取和浓缩难度较大,成为生物表面活性剂生产成本的主要组成。
不同的生物表面活性剂具有不同的分离､提取和浓缩方法。当以不溶于水的烷烃为碳源时,必须在分离提取前先去除残余烷烃,水溶性胞外生物表面活性剂的分离通常需要多种浓缩步骤;而不溶于水的生物表面活性剂,则可通过离心等技术进行分离。
3 生物表面活性剂在石油和环境领域中的应用
与合成表面活性剂相比,生物表面活性剂具有如下突出优点:化学结构的多样性为特定应用的需要提供了更为广泛的选择,而这些特定基团一般用化学方法难以合成;良好的生物降解性使其在使用过程中与环境友好;生物表面活性剂一般无生物毒性。正是由于生物表面活性剂具有优越的理化性能和环保优势,其应用范围日益扩大到农业､建筑､食品饮料､工业清洗､皮革､造纸､石油及环保等许多领域。在此仅介绍生物表面活性剂在石油及环保中的应用。
3.1 利用生物表面活性剂提高石油采收率
提高石油采收率是提高石油产量的重要技术措施之一。在当前提高石油采收率技术中,微生物提高石油采收率(MEOR)尤为引人注目,利用微生物所产生或生产的生物表面活性剂提高石油采收率则是MEOR的重要分支。
生物表面活性剂提高石油采收率,可将发酵生产的生物表面活性剂注入油层,更多则是利用筛选的菌种在油层就地发酵产生生物表面活性剂。生物表面活性剂在油层中能大大降低油水界面张力,使油类乳化,改变油层岩石的润湿性,并籍此达到驱油､提高石油采收率的目的。
利用生物表面活性剂提高石油采收率已在国内外开展了大量的室内试验研究,目前正在逐步走向现场应用。
M.E.Singer实验室用H-13细菌,以正烷烃为唯一碳源,生产一种糖脂类表面活性剂,能使重油粘度降低95%以上,并形成稳定的水包油乳状液;F.Wagner实验室生产的海藻糖脂经现场试验表明,其用量为50ml•l-1时,石油采收率可提高30%,其效果远远大于合成表面活性剂。
我国中科院有机化学所､感光所､渗流力学所等单位对生物表面活性剂的生产菌种筛选､产品性能评价及提高石油采收率的应用效果进行了大量研究;大庆油田对海藻糖脂及其与合成表面活性剂提高石油采收率进行了试验研究。实验表明,单一表面活性剂可降低大庆原油界面张力至0.4～0.6mN•m-1;混合生物表面活性剂降低至0.1mN•m-1;海藻糖脂-碱二元体系降低至0.03mN•m-1;海藻糖脂与石油磺酸盐可降低至0.006mN•m-1。利用海藻糖脂-石油磺酸盐体系可提高石油采收率15%。
3.2 生物表面活性剂在环保领域的应用
生物表面活性剂具有无毒､易生物降解等环境友好性,因而十分适合于环境领域的应用。如为了消除土壤中有机污染物,可利用生物表面活性剂使污染物分散､增溶､乳化,进而促使污染物尽快生物降解,有人利用鼠李糖脂去除土壤中的脂肪族和芳香族烃类。生物表面活性剂在油污土壤的治理等领域具有良好的发展前景。
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