生物乳化劑在石油工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

姚俊虎,徐 峰,姚 快,佘躍惠*

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100;2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430100;3.江漢油田石油工程技術(shù)研究院,湖北 潛江 433124)

傳統(tǒng)的石油開采技術(shù)包括2個(gè)階段:一次采油和二次采油[1]。一次采油是使用地層壓力從儲(chǔ)層中提取石油和天然氣,原油采收率為5%～10%;二次采油是通過向儲(chǔ)層注入氣體或水來增大儲(chǔ)層壓力,以補(bǔ)充地層中的巖石和流體的彈性能量,原油采收率為10%～40%。盡管儲(chǔ)層已使用傳統(tǒng)采油技術(shù)開采2次,但仍有超過60%的原油未被采出[1-2]。微生物提高原油采收率(microbial enhanced oil recovery,MEOR)作為一種環(huán)境可持續(xù)且具有成本效益的技術(shù),可以減少或替代使用苛刻化學(xué)品和能源密集型EOR方法來回收老化田中的大量石油[3]。MEOR一般通過微生物代謝物與儲(chǔ)層相互作用來實(shí)現(xiàn),主要機(jī)制包括:1)生物表面活性劑降低油/水界面張力,改變巖石潤(rùn)濕性,乳化殘油,提高細(xì)菌的遷移能力;2)生物聚合物進(jìn)入高滲透性多孔介質(zhì),對(duì)大孔道進(jìn)行封堵,擴(kuò)大水驅(qū)的波及系數(shù);3)沼氣、培養(yǎng)液和生物酸溶解碳酸鹽巖石,使水更容易進(jìn)入巖石孔隙與殘余油接觸,同時(shí),產(chǎn)生的氣體增大儲(chǔ)層壓力;4)儲(chǔ)層中的微生物以原油為碳源,降解長(zhǎng)鏈飽和烴,降低原油黏度,提高流動(dòng)性。雖然MEOR機(jī)制是相互關(guān)聯(lián)的,但是普遍認(rèn)為前2種機(jī)制的影響更大[4-5]。

微生物的代謝或次生代謝產(chǎn)物表面活性化合物(surface active compounds,SAC)可大致分為有效降低表面和界面張力的低分子量分子(生物表面活性劑)以及穩(wěn)定乳液但不降低表面張力的高分子量聚合物(生物乳化劑)[6]。Uzoigwe等[7]強(qiáng)調(diào)生物乳化劑不是生物表面活性劑,它們雖然都是乳化劑,但只有生物表面活性劑具有降低表面張力的作用。生物表面活性劑在石油工業(yè)中的應(yīng)用主要有:增大油/水的表面積、加速微生物對(duì)各種油的降解、改善水和土壤的生物修復(fù)、提高原油采收率、清理儲(chǔ)存罐和管道結(jié)垢。生物乳化劑可以形成非常穩(wěn)定的乳液,并且可以通過更換溶劑而不稀釋即可重新乳化,因此生物乳化劑在化妝品和食品行業(yè)比生物表面活性劑更受歡迎[8];此外,一些生物乳化劑能夠提高多環(huán)芳烴等低溶解性有機(jī)化合物的生物利用度[9],生物乳化劑中的多糖、脂肪酸和蛋白質(zhì)成分賦予了它們更好的乳化潛力和穩(wěn)定乳液的能力[6]。

目前,已有大量文獻(xiàn)對(duì)產(chǎn)生物乳化劑的細(xì)菌[不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)[10]、芽孢桿菌(Bacillus)[11]、假單胞菌(Pseudomonas)[12]、放線菌(Actinomycetes)[13]、真菌[14]和藻類[15]]進(jìn)行了總結(jié),但關(guān)于其在石油工業(yè)中的應(yīng)用很少提及。為此,作者對(duì)不同類型生物乳化劑的基本特性進(jìn)行總結(jié),分析生物乳化劑的乳化機(jī)理以及乳化活性影響因素,并對(duì)生物乳化劑在石油工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為生物乳化劑更廣泛推廣提供依據(jù),為稠油降黏工作的環(huán)境友好性發(fā)展開辟新的可行性思路。

1 生物乳化劑的來源和分類

1.1 生物乳化劑的來源

生物乳化劑相對(duì)于化學(xué)表面活性物質(zhì)具有獨(dú)特的性質(zhì),如生物降解性、發(fā)泡性、無毒性、高效性、生物相容性以及pH、溫度和礦化度的高選擇性,生物乳化劑被認(rèn)為是具有表面活性的生物分子材料[16]。生物乳化劑在自然界中含量豐富,常由細(xì)菌、酵母、真菌產(chǎn)生(表1)。

表1 生物乳化劑產(chǎn)生菌

1.2 生物乳化劑的分類

通常,高分子量生物乳化劑是由蛋白質(zhì)、多糖、脂蛋白、脂多糖及其復(fù)合物組成[7,10,37]。Fracchia等[38]提出,微生物可以產(chǎn)生廣泛的兩親化合物即生物乳化劑,其中大多數(shù)生物乳化劑是陰離子或兩親的,疏水部分基于長(zhǎng)鏈脂肪酸或脂肪酸衍生物,親水部分是碳水化合物、氨基酸、磷酸鹽或環(huán)肽。微生物產(chǎn)生的生物乳化劑種類多樣,下面著重介紹以下4種生物乳化劑:脂肽和脂蛋白、糖蛋白、胞外多糖(exopolysaccharide,EPS)、肽糖脂。表2列出了常見的生物乳化劑。

表2 常見的生物乳化劑

1.2.1 脂肽和脂蛋白

在生物乳化劑中,脂肽、脂蛋白是一類由脂肪酸和肽或蛋白質(zhì)組成的兩親化合物,它能使不溶于水的烴類物質(zhì)增溶,從而加速微生物利用烴類物質(zhì)。硝基還原假單胞菌(PseudomonasnitroreducensTSB.MJ10)[39]可以產(chǎn)生一種脂肽類生物乳化劑,由己酸酯和辛酸酯等中鏈脂肪酸組成,與脂肪族、芳香族和原油等烴類化合物都可以形成穩(wěn)定乳液。微小桿菌(Exiguobacteriumsp.strain N4-1P)[40]產(chǎn)生的生物乳化劑主要由脂肽組成,以棕櫚酸和硬脂酸為主要脂肪酸,其對(duì)烴類化合物同樣具有很強(qiáng)的降解作用,并且外加適量烴類碳源即可提高該生物乳化劑的產(chǎn)量。目前脂肽和脂蛋白類生物乳化劑還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段,但已有越來越多的研究證明了其在烴類污染的水源、土壤的生物修復(fù)中的巨大潛力。

1.2.2 糖蛋白

糖蛋白類生物乳化劑是糖和蛋白質(zhì)組成的高分子量生物聚合物,糖可以是葡萄糖、甘露糖、半乳糖、木糖、葡萄糖醛酸、α-葡聚糖、阿拉伯糖、N-乙酰半乳糖胺等。糖蛋白類生物乳化劑在石油污染廢水的修復(fù)、生物膜形成和細(xì)胞表面調(diào)節(jié)等環(huán)境修復(fù)方面得到了廣泛應(yīng)用[52-53]。糖蛋白類生物乳化劑不僅在極端環(huán)境(高溫、高鹽、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿)中保持高乳化活性和高穩(wěn)定性,且產(chǎn)量可觀,有利于其在工業(yè)應(yīng)用中推廣。

研究最充分的糖蛋白類生物乳化劑是由醋酸鈣不動(dòng)桿菌(AcinetobactercalcoaceticusRAG-1)[54]產(chǎn)生的,它是蛋白質(zhì)和陰離子雜多糖的復(fù)合物,雜多糖由2種主要糖(D-半乳糖胺、D-半乳糖氨基糖醛酸)、1種次要糖(葡萄糖)和二脫氧二氨基己糖組成。嗜熱脂肪地芽孢桿菌(GeobacillusstearothermophilusA-2)可產(chǎn)生一種新型糖蛋白類生物乳化劑,其單糖包括甘露糖、葡萄糖、半乳糖和葡萄糖醛酸[44]。釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)可產(chǎn)生一種可以有效乳化甘露糖蛋白的生物乳化劑[55]。在許多研究中,糖蛋白類生物乳化劑顯示出高乳化活性,經(jīng)蛋白酶K處理后,基本都失去了乳化活性,這表明蛋白質(zhì)可能是糖蛋白類生物乳化劑的主要功能物質(zhì)。這一現(xiàn)象與抗輻射不動(dòng)桿菌(AcinetobacterradioresistensKA53)產(chǎn)生的著名生物乳化劑Alasan相似,Alasan中45 kDa的蛋白質(zhì)被證明具有最高的乳化活性[18]。從近幾年對(duì)糖蛋白類生物乳化劑的研究來看,該類生物乳化劑大多可以在胞外形成耐熱的纖維狀生物膜,增強(qiáng)細(xì)胞黏附作用。此外,它還可以增大脂肪族和多環(huán)芳烴的溶解度,是一種可行的石油污染生物修復(fù)方案。

1.2.3 胞外多糖(EPS)

微生物用于吸收和利用烴的功能性產(chǎn)物通常與其最重要的代謝物EPS密不可分[56-60]。EPS是真核生物和原核生物分泌的多糖,用于提供細(xì)胞黏附或環(huán)境保護(hù)[61],已被廣泛應(yīng)用于石油、食品、制藥、化工、造紙、化妝品等行業(yè)。一些典型的EPS(黃原膠、Alasan、Emulsan)已經(jīng)在MEOR中進(jìn)行了研究和應(yīng)用[62],它們都具有良好的乳化性、疏水性和穩(wěn)定性。具有特定乳化功能的EPS在MEOR中通常被認(rèn)為是生物乳化劑。蒼白地芽孢桿菌(Geobacilluspallidus)XS2和XS3產(chǎn)生的生物乳化劑[57]顯示出對(duì)一些典型的長(zhǎng)鏈烷烴、芳烴和烴混合物的乳化特性,并且乳液的穩(wěn)定性良好。從勝利油田分離得到的嗜熱解烴菌DM-2[59]表現(xiàn)出相似甚至更好的乳化特性,幾乎可以完全乳化甲苯、二甲苯和柴油。

此外,EPS的化學(xué)成分、黏度和乳化活性會(huì)隨著培養(yǎng)條件改變而變化。EPS的化學(xué)成分在同一種屬中是相似的,但不同種屬之間存在很大差異。Martínez-Checa等[46]發(fā)現(xiàn),就化學(xué)成分而言,在烴類介質(zhì)中產(chǎn)生的EPS中的糖醛酸百分比始終高于用葡萄糖培養(yǎng)獲得的EPS,而這種大量存在的糖醛酸被證明可以用于生物降解和廢水處理。Castellane等[47]發(fā)現(xiàn),熱帶根瘤菌(Rhizobiumtropici)SEMIA4080和其突變株MUTZC3的碳水化合物含量存在差異,所產(chǎn)生的EPS也具有不同的黏度。EPS的多樣性決定了其在工業(yè)應(yīng)用中的巨大潛力。

1.2.4 肽糖脂

相比于低分子量生物表面活性劑如鼠李糖脂、海藻糖脂,高分子量肽糖脂類生物乳化劑的報(bào)道較少。多數(shù)生物乳化劑中都含有多糖,但多糖本身沒有乳化活性,而當(dāng)其與微生物生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)相結(jié)合時(shí),可能會(huì)成為有效的生物乳化劑[63]。肽糖脂類生物乳化劑不僅具有良好的乳化活性,在極端環(huán)境條件下可保持乳液穩(wěn)定,而且綠色、無毒能滿足各種應(yīng)用要求。銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)產(chǎn)生的肽糖脂類生物乳化劑對(duì)十二烷、原油和煤油等底物表現(xiàn)出高乳化活性,并具有良好的熱穩(wěn)定性[51]。鏈霉菌(StreptomycesS22)產(chǎn)生的肽糖脂類生物乳化劑不僅對(duì)烴類底物具有良好的乳化活性,還能降低表面張力[50]。

2 生物乳化機(jī)理

生物乳化劑在本質(zhì)上是兩親性的,同時(shí)具有親水和疏水結(jié)構(gòu),這使得它們能夠優(yōu)先存在于極性和非極性介質(zhì)之間[64]。隨著生物乳化劑加入到溶液中,表面或界面張力將持續(xù)降低,直到生物乳化劑達(dá)到臨界膠束濃度(critical micelle concentration,CMC)。在此過程中,生物乳化劑在表面或者界面的累積導(dǎo)致不同相之間的排斥力減弱,并使兩相更容易混合和相互作用[38]。圖1描述了生物乳化劑在2種溶劑之間的乳化過程。

圖1 生物乳化劑的乳化過程

在達(dá)到CMC時(shí)生物乳化劑由于極性頭基和非極性尾基之間的許多弱化學(xué)作用(疏水作用、范德華力和氫鍵)開始自發(fā)地結(jié)合成聚集體,如膠束、囊泡或連續(xù)雙層結(jié)構(gòu);所形成聚集體的結(jié)構(gòu)很大程度上是由溶解生物乳化劑的溶劑的極性決定的。在水溶液中,膠束的親水頭基向外朝著水相,疏水尾基在膠束的核心(水包油膠束)中締合[38,64];而在某些溶液中,乳化劑則會(huì)以雙層形式展開,使得溶液表面盡量攤開,形成棒狀膠束或?qū)訝钅z束以降低表面張力。圖2是常見的生物乳化劑聚集體結(jié)構(gòu)。

圖2 常見的生物乳化劑聚集體結(jié)構(gòu)

3 生物乳化劑在石油工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 石油開采

隨著MEOR的不斷發(fā)展,其操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、成本效益高、毒性低、生物降解性好等優(yōu)點(diǎn)也愈發(fā)突出[65-66]。因此生物乳化劑已成為化學(xué)合成表面活性劑提高儲(chǔ)層巖石潤(rùn)濕性、降低油水界面張力、改善原油流動(dòng)性的有效替代品。Liu等[32]研究發(fā)現(xiàn),地衣芽孢桿菌L20產(chǎn)生的生物乳化劑雖然不能顯著降低原油和水之間的界面張力,但在高溫、高鹽和寬泛pH值條件下表現(xiàn)出良好的乳化活性和穩(wěn)定性;而且該生物乳化劑在實(shí)驗(yàn)中改變了不同滲透率巖心切片的疏水表面的潤(rùn)濕性,使其變得更親水;在巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中采收率提高了19%。Zhou等[44]分離獲得嗜熱、兼性厭氧、產(chǎn)糖蛋白類生物乳化劑的嗜熱脂肪地芽孢桿菌A-2,該生物乳化劑具有很高的乳液穩(wěn)定性,柴油乳液層在室溫下可穩(wěn)定保持12個(gè)月,且粒徑幾乎沒有變化;在巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中采收率提高了6.8%。

研究發(fā)現(xiàn),在石油開采過程中應(yīng)用的微生物必須適應(yīng)儲(chǔ)層環(huán)境,產(chǎn)生生物乳化劑或生物表面活性劑,必須能夠利用烴類化合物,并且應(yīng)該易于激活或調(diào)節(jié)。地芽孢桿菌屬對(duì)各種芳烴和烷烴都有著不同程度的利用,同時(shí)它還可以將許多底物轉(zhuǎn)化為具有乳化特性的EPS,展現(xiàn)了其在MEOR中的應(yīng)用前景[11]。不難看出生物乳化劑通過改變巖石潤(rùn)濕性和乳化油等方式在多孔介質(zhì)中改善了原油的流動(dòng)性,從而提高了原油采收率。

3.2 稠油運(yùn)輸

隨著輕質(zhì)原油儲(chǔ)層的枯竭,石油開采的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了重質(zhì)原油。由于重質(zhì)原油的黏度非常高,因此無法通過常規(guī)方法進(jìn)行管道運(yùn)輸(管道運(yùn)輸只適合黏度低于0.2 Pa·s的原油)[67]。重質(zhì)原油管道運(yùn)輸方法有加熱、與輕烴混合、裂化降黏、環(huán)形流動(dòng)結(jié)構(gòu)和形成水包油乳液等,其中形成水包油乳液是簡(jiǎn)單有效的方法[68]。但在重質(zhì)原油管道運(yùn)輸中使用的乳化劑一般為陰離子化學(xué)乳化劑,很少使用生物乳化劑。

為了探究更加經(jīng)濟(jì)的乳化劑,Hayes課題組[69]提出了使用含有水溶性化學(xué)表面活性劑或者組合使用生物表面活性劑協(xié)同生物乳化劑的“表面活性劑包”概念。Martínez-Checa等[46]發(fā)現(xiàn),由嗜鹽單胞菌(HalomonaseurihalinaF2-7)產(chǎn)生的EPS類生物乳化劑V2-7具有乳化重質(zhì)原油的特性,表現(xiàn)出假塑性行為,即表觀黏度隨著剪切速率的加快而降低,在重質(zhì)原油管道運(yùn)輸中表現(xiàn)出很好的應(yīng)用潛力。

不動(dòng)桿菌屬在石油工業(yè)中已被廣泛使用,尤其是生物乳化劑Emulsan,它是由醋酸鈣不動(dòng)桿菌RAG-1產(chǎn)生的,通過形成重質(zhì)油-水的乳狀液來降低管道運(yùn)輸中石油和石油產(chǎn)品的黏度[10,54]。由此可見,在重質(zhì)原油管道運(yùn)輸中應(yīng)用生物乳化劑的經(jīng)濟(jì)性、可行性以及環(huán)境友好性。

3.3 石油污染修復(fù)

生物修復(fù)包括加速污染環(huán)境的自然生物降解過程,通常包括使用氮肥和磷肥、調(diào)節(jié)pH值和水分含量、添加微生物等;當(dāng)污染物水溶性較差時(shí),添加乳化劑和表面活性劑可以提高污染物的生物利用度,從而提高生物降解率。從這個(gè)意義上說,碳?xì)浠衔锷锝到獾囊粋€(gè)主要限制是由于其低溶解度而降低了生物利用度。生物乳化劑可作為修復(fù)石油污染土壤和水源的增強(qiáng)劑[37,70-71]。

生物乳化劑的穩(wěn)定性和無毒性是其在修復(fù)應(yīng)用中實(shí)施的決定性因素[72]。因?yàn)闊崃W(xué)不穩(wěn)定的系統(tǒng),任何溫度升高都會(huì)導(dǎo)致液滴碰撞幾率增加[73],所以要求生物乳化劑在高溫下能夠保持乳液的穩(wěn)定性。Marques等[72]從紅樹林沉積物中分離出來的毛菌(MucorcircinelloidesUCP0001)可以產(chǎn)生一種離子型生物乳化劑,經(jīng)過120 d的評(píng)估,發(fā)現(xiàn)該生物乳化劑無毒且在極端溫度、pH值、鹽度的條件下可以保持乳液的穩(wěn)定性。從富含脂質(zhì)的廢水中分離出的不動(dòng)桿菌Ab9-ES和Ab33-ES產(chǎn)生的生物乳化劑XB9和YB33對(duì)食用油(葵花籽油、菜籽油、蓖麻油、米糠油等)表現(xiàn)出較高的乳化活性,而且在各種極端條件下也具有很好的穩(wěn)定性,在石油污染修復(fù)中應(yīng)用潛力巨大[74]。

在對(duì)石油污染土壤和水源或者海洋環(huán)境進(jìn)行生物修復(fù)時(shí),通常都是從原位分離目的菌株,再通過優(yōu)化培養(yǎng)條件提高生物乳化劑產(chǎn)量,并對(duì)環(huán)境耐受性進(jìn)行評(píng)價(jià),最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境的生物修復(fù)[75-76]。

4 結(jié)語

與化學(xué)乳化劑相比,生物乳化劑不僅在極端物理化學(xué)條件下穩(wěn)定,而且具有低毒性、可生物降解性、生物相容性、高效率以及原位合成等優(yōu)勢(shì)[45]。Martínez-Checa等[46]將嗜鹽單胞菌F2-7產(chǎn)生的生物乳化劑V2-7與3種常用化學(xué)乳化劑(Tween 20、Tween 80、Triton X-100)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)V2-7對(duì)環(huán)境友好,且能夠有效乳化正十四烷、正十六烷、正辛烷、二甲苯、礦物輕質(zhì)油、重質(zhì)油等。這充分證明了生物乳化劑具有與化學(xué)乳化劑相同的作用效果,表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。

生物乳化劑在石油開采、稠油運(yùn)輸及石油污染修復(fù)方面得到了越來越多的應(yīng)用。然而,生物乳化劑產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高等問題對(duì)其工業(yè)應(yīng)用也是一個(gè)巨大挑戰(zhàn),尋找更有效的生物乳化劑和更高產(chǎn)量的生物乳化劑產(chǎn)生菌是目前的研究重點(diǎn)。目前關(guān)于生物乳化劑的研究已進(jìn)入應(yīng)用推廣階段,生物乳化劑產(chǎn)生菌代謝底物的選擇研究已非常完善,乳化機(jī)理研究也較為成熟。今后的工作應(yīng)集中于提高產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本,以適應(yīng)大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。此外,應(yīng)更加深入探究生物乳化劑的乳化機(jī)理,以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境條件。