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生物表面活性劑及其在石油與環保中的應用

發布日期：2011-07-04 瀏覽次數：447

核心提示：生物表面活性劑及其在石油與環保中的應用

表面活性劑在許多工業領域都占有重要的地位,但化學合成的表面活性劑由于其原材料來源､價格､產品性能和環境污染等方面的問題,其使用受到一定的限制。為了解決上述問題,人們寄希望于應用生物技術來生產活性高､性能優､環境友好的表面活性劑。因此,生物表面活性劑的研制開發受到重視。

1 生物表面活性劑的基本特性與類型

由微生物生產的生物表面活性劑,其化學結構十分廣泛,包括糖脂､脂肽､多糖蛋酸絡合物､磷脂､脂肪酸和中性脂等。雖然不同種類的微生物所合成的生物表面活性劑具有不同的性質與生理功能,但生物表面活性劑都具有下列特性:①能降低界面張力;②具有較好的熱與化學穩定性;③乳化作用。

微生物生產的生物表面活性劑包括廣泛的化學結構,不同的微生物生產的生物表面活性劑各不相同,其中具有良好性能的生物表面活性劑列于表1。

從化學結構上看,生物表面活性劑可分為糖脂､肽､脂肪酸和磷脂,其中研究得比較深入的是糖脂。糖脂是由二糖脂化到脂肪酸上構成的,常見的糖脂有分枝菌酸脂､海藻糖脂､鼠李糖脂､槐糖脂等。

2 生物表面活性劑的生產

2.1 生物表面活性劑生產的基質

許多微生物都能以烴類為唯一碳源產生生物表面活性劑。因此以烴類為基質生產生物表面活性劑是生物表面活性劑生產的主要基質。從目前看來,大多數生產菌都需要某種烴類作為生物合成的碳基質。其中酵母菌和真菌主要利用直鏈飽和烴,細菌則可利用異構烴､環烷烴､不飽和烴和芳香烴。

2.2 生物表面活性劑生產用菌種與培養基

生產生物表面活性劑的微生物可分為三類:完全以烷烴為碳源生產生物表面活性劑,如棒狀桿菌;僅以水溶性底物為碳源,如枯草桿菌;以烴類和水溶性底物為碳源,如假單胞菌。

在生物表面活性劑生產用培養基中,碳源是生物表面活性劑結構與產量的關鍵,其它可能影響生物表面活性劑生產的營養成分包括氮源､磷源､金屬離子和其它添加劑。此外,反應條件如溫度､培養基pH和溶解氧水平或攪拌速度對生物表面活性劑的生產也具有重要影響。

2.3 生物表面活性劑合成的調節

生物表面活性劑的合成可通過油性物質的誘發作用､葡萄糖等物質的代謝抑制等方法進行調節,改變發酵條件如溫度等都可對生物表面活性劑的合成進行調節。研究表明,烴和其它不溶于水的物質可以誘發微生物生產生物表面活性劑。

2.4 生物表面活性劑的提取和濃縮

在發酵液中生物表面活性劑往往濃度低且具親水親油性質,因此,生物表面活性劑的分離､提取和濃縮難度較大,成為生物表面活性劑生產成本的主要組成。

不同的生物表面活性劑具有不同的分離､提取和濃縮方法。當以不溶于水的烷烴為碳源時,必須在分離提取前先去除殘余烷烴,水溶性胞外生物表面活性劑的分離通常需要多種濃縮步驟;而不溶于水的生物表面活性劑,則可通過離心等技術進行分離。

3 生物表面活性劑在石油和環境領域中的應用

與合成表面活性劑相比,生物表面活性劑具有如下突出優點:化學結構的多樣性為特定應用的需要提供了更為廣泛的選擇,而這些特定基團一般用化學方法難以合成;良好的生物降解性使其在使用過程中與環境友好;生物表面活性劑一般無生物毒性。正是由于生物表面活性劑具有優越的理化性能和環保優勢,其應用范圍日益擴大到農業､建筑､食品飲料､工業清洗､皮革､造紙､石油及環保等許多領域。在此僅介紹生物表面活性劑在石油及環保中的應用。

3.1 利用生物表面活性劑提高石油采收率

提高石油采收率是提高石油產量的重要技術措施之一。在當前提高石油采收率技術中,微生物提高石油采收率(MEOR)尤為引人注目,利用微生物所產生或生產的生物表面活性劑提高石油采收率則是MEOR的重要分支。

生物表面活性劑提高石油采收率,可將發酵生產的生物表面活性劑注入油層,更多則是利用篩選的菌種在油層就地發酵產生生物表面活性劑。生物表面活性劑在油層中能大大降低油水界面張力,使油類乳化,改變油層巖石的潤濕性,并籍此達到驅油､提高石油采收率的目的。

利用生物表面活性劑提高石油采收率已在國內外開展了大量的室內試驗研究,目前正在逐步走向現場應用。

M.E.Singer實驗室用H-13細菌,以正烷烴為唯一碳源,生產一種糖脂類表面活性劑,能使重油粘度降低95%以上,并形成穩定的水包油乳狀液;F.Wagner實驗室生產的海藻糖脂經現場試驗表明,其用量為50ml·l^-1時,石油采收率可提高30%,其效果遠遠大于合成表面活性劑。

我國中科院有機化學所､感光所､滲流力學所等單位對生物表面活性劑的生產菌種篩選､產品性能評價及提高石油采收率的應用效果進行了大量研究;大慶油田對海藻糖脂及其與合成表面活性劑提高石油采收率進行了試驗研究。實驗表明,單一表面活性劑可降低大慶原油界面張力至0.4～0.6mN·m^-1;混合生物表面活性劑降低至0.1mN·m^-1;海藻糖脂-堿二元體系降低至0.03mN·m^-1;海藻糖脂與石油磺酸鹽可降低至0.006mN·m^-1。利用海藻糖脂-石油磺酸鹽體系可提高石油采收率15%。