脂肽類(lèi)生物表面活性劑結(jié)構(gòu)鑒定及驅(qū)油性能

張 鑫，時(shí)冠蘭

中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州225009

生物表面活性劑是由微生物產(chǎn)生的一類(lèi)具有表面活性的生物大分子物質(zhì)［1］，能夠起到潤(rùn)濕、乳化、分散、降低體系的界面張力的作用［2］，其中最具代表的是脂肽類(lèi)生物表面活性劑。脂肽分子由親水的肽鍵和親油的脂肪烴鏈組成［3］，具有分子量小、界面活性高，能夠滲入低滲透的油藏、不易堵塞地層的特點(diǎn)，同時(shí)具有較強(qiáng)的耐溫耐鹽性能，所以它的使用范圍相當(dāng)廣［4］。目前，對(duì)生物表面活性劑的研究主要集中在產(chǎn)生菌的篩選和培養(yǎng)條件優(yōu)化等方面［5］，而對(duì)生物表面活性劑結(jié)構(gòu)及其在不同環(huán)境條件下的性能認(rèn)識(shí)不足，更缺乏生物表面活性劑對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性分析，這影響生物表面活性劑的作用效果和規(guī)模化應(yīng)用。

本文中，筆者對(duì)分離得到的脂肽菌株開(kāi)展鑒定，并對(duì)生物表面活性劑相關(guān)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析環(huán)境因素對(duì)其生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，為微生物采油實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 生物表面活性劑制備及結(jié)構(gòu)鑒定

1.1 菌種純化

將發(fā)酵液于LB 平板上進(jìn)行劃線，37 ℃培養(yǎng)24 h 后，挑取優(yōu)勢(shì)菌落，于液體LB 培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)14 h后，采用新鮮培養(yǎng)液于LB平板上再進(jìn)行劃線，重復(fù)上述過(guò)程3 次，獲得菌種S19 的純菌株。圖1為S19純化后的菌落圖。

圖1 純化后菌落圖

1.2 培養(yǎng)基優(yōu)化

1）碳源。分別用20 g/L 的蔗糖、麥芽糖、葡萄糖等為單一的碳源，其他的培養(yǎng)基成分不變，在37 ℃的搖床培養(yǎng)48 h，培養(yǎng)液通過(guò)萃取富集，用高效液相色譜定量分析測(cè)定表面活性劑產(chǎn)量，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同碳源培養(yǎng)產(chǎn)物量及性能

2）氮源。分別用等摩爾量的氮，包括NH4Cl、NaNO3、（NH4）2SO4為單一變量，其他的培養(yǎng)基成分不變，在37 ℃的搖床培養(yǎng)48 h，培養(yǎng)液通過(guò)萃取富集，用高效液相色譜定量分析測(cè)定表面活性劑產(chǎn)量，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同氮源培養(yǎng)產(chǎn)物量及性能

3）金屬離子。將金屬離子（Mg2+/Fe3+）作為變量，設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)組，其他培養(yǎng)基成分不變，在37 ℃的搖床培養(yǎng)48 h，培養(yǎng)液通過(guò)萃取富集，用高效液相色譜定量分析測(cè)定表面活性劑產(chǎn)量，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同金屬鹽條件下產(chǎn)物量及性能

由圖2～4可知：最佳碳源為葡萄糖，加入量為20 g/L；最適合氮源為NH4Cl，加入量為1.34 g/L；最適金屬鹽為FeCl3，加入量為0.1 mmol/L。

1.3 結(jié)構(gòu)解析

1.3.1 初步定性

采用薄層層板（TLC）法對(duì)樣品進(jìn)行了初步定性。樣品點(diǎn)硅膠板后用氯仿/甲醇展開(kāi)，茚三酮顯色［6］，根據(jù)圖5顯色情況，初步認(rèn)為產(chǎn)物為脂肽。

圖5 產(chǎn)物酸水解后TLC分析

1.3.2 HPLC-MS分析

采用HPLC-MS 聯(lián)用儀對(duì)培養(yǎng)產(chǎn)物進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6～8和表1。

表1 分析鑒定結(jié)果

圖6 產(chǎn)物的液相色譜（a）和3.86 min峰處物質(zhì)的質(zhì)譜（b）

圖7 產(chǎn)物液相色譜（a）和4.66 min峰處物質(zhì)的質(zhì)譜（b）

圖8 產(chǎn)物液相色譜（a）和5.46 min峰處物質(zhì)的質(zhì)譜（b）

由圖6～8 和表1可知：主要產(chǎn)物是碳鏈為C13～15的脂肽類(lèi)化合物。

2 生物表面活性劑性能分析

2.1 乳化性

將不同質(zhì)量濃度的脂肽表面活性劑與原油按油水比5∶5 混合，充分振蕩后，在60 ℃下靜置24 h，油水形成上下不分層的均勻乳狀液，表現(xiàn)出較好的乳化性能。

2.2 界面張力

采用區(qū)塊地層水配制不同濃度脂肽表面活性劑，在75 ℃條件下，利用TX-500C 型界面張力儀測(cè)試溶液與江蘇油田M 區(qū)塊原油的表面張力，結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知：當(dāng)生物表面活性劑濃度大于0.2%后，表面張力達(dá)到超低表面張力，說(shuō)明其具有較高的表面活性，洗油能力強(qiáng)。

圖9 不同濃度的生物表面活性劑與M區(qū)塊原油表面張力

2.3 潤(rùn)濕性

在索氏抽提器中用甲苯洗滌油藏巖芯薄片（①四氫呋喃驅(qū)替或浸泡巖心薄片，4 d；②氯仿驅(qū)替或浸泡巖心薄片，4 d；③甲醇驅(qū)替或浸泡巖心薄片，4 d，替掉氯仿；④水驅(qū)替或浸泡巖心薄片，干燥至恒質(zhì)量），處理后的巖心用江蘇油田瀝青改性，然后進(jìn)行潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖10～11所示。

圖10 油濕巖心接觸角（92°）

圖11 脂肽溶液浸泡24 h后油濕巖心接觸角（39°）

由圖10～11 可知：脂肽表面活性劑可改善巖心潤(rùn)濕狀態(tài)，使油濕巖心接觸角由92°降至39°，從而減少原油流動(dòng)阻力，提高原油采收率。

2.4 驅(qū)油性能

采用孔隙度為19.2%、水測(cè)滲透為40 × 10-3μm2的巖心（4.5 cm×4.5 cm×30 cm），利用0.5%的生物表面活性劑驅(qū)替原油，結(jié)果見(jiàn)圖12。

由圖12可知：與水驅(qū)相比，利用0.5%的生物表面活性劑驅(qū)替原油，可提高采收率12%，驅(qū)油效果顯著。

圖12 生物表面活性劑驅(qū)油效率

3 油藏適應(yīng)性能評(píng)價(jià)

3.1 pH對(duì)脂肽穩(wěn)定性的影響

將發(fā)酵液通過(guò)離心除去菌體，上清液（表面張力為26.5 mN/m）用HCl或NaOH 調(diào)節(jié)pH，2 h后測(cè)定上清液的表面張力，結(jié)果如圖13所示。由圖13可知：pH 在5.0～12.0 范圍內(nèi)，表面張力變化不大，表明脂肽對(duì)pH 的適應(yīng)范圍很寬，但是當(dāng)pH 低于5.0，脂肽產(chǎn)生沉淀，使得表面張力迅速上升。

圖13 不同pH下脂肽表面張力變化

3.2 溫度對(duì)脂肽穩(wěn)定性的影響

考察不同溫度對(duì)脂肽的表面張力的影響，結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：當(dāng)溫度為40～120 ℃時(shí)，脂肽表面張力變化不明顯；當(dāng)溫度為120 ℃時(shí)，脂肽生物表面活性劑仍然沒(méi)有失活，表明脂肽對(duì)高溫有較強(qiáng)的耐受性。

圖14 不同溫度下脂肽表面張力變化

3.3 NaCl對(duì)脂肽穩(wěn)定性的影響

在上清液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl 并測(cè)定溶液的表面張力，結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)下脂肽表面張力變化

由圖15可知：即使鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)19%，脂肽表面張力基本沒(méi)有變化，表明該脂肽對(duì)鹽的耐受性較強(qiáng)。

4 結(jié)論

1）從油田產(chǎn)出液中獲得高效菌株，通過(guò)HPLC-MS 分析，主要產(chǎn)物為碳鏈C13～15-Surfactin脂肽類(lèi)化合物，為深入研究其作用機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

2）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)生物表面活性劑性能和油藏適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，該表面活性劑可使油濕巖心接觸角由92°降至39°，對(duì)原油乳化效果好，界面張力低，洗油能力強(qiáng)，在pH 5.0～12.0、溫度40～120 ℃、鹽度2%～19%條件下性能穩(wěn)定，可在該油藏環(huán)境中大量繁殖。

3）室內(nèi)驅(qū)油模擬試驗(yàn)中，用0.5%的生物表面活性劑驅(qū)替原油，對(duì)比水驅(qū)提高采收率12%，驅(qū)油效果顯著。