生物表面活性劑在稠油降黏中的特性研究

吳 涓， 黃 楊， 左珊珊

(安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 合肥 230601)

生物表面活性劑在稠油降黏中的特性研究

吳 涓， 黃 楊， 左珊珊

(安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 合肥 230601)

從遼河油田某處土壤中分離篩選得到一株優(yōu)良的生物表面活性劑產(chǎn)生菌A3。通過16S rRNA基因序列相似性分析，將其鑒定為銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)。薄層層析(TLC)和紅外光譜分析表明，該菌株所產(chǎn)生物表面活性劑為糖脂類生物表面活性劑。對生物表面活性劑在稠油降黏中的特性進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，生物表面活性劑的用量、溫度、礦化度對稠油乳狀液的降黏均有一定的影響。在30℃～50℃范圍內(nèi)，稠油乳狀液的黏度變化幅度不大，降黏率可達(dá)85.7%。當(dāng)稠油乳狀液礦化度高達(dá)20 g/L時，降粘率為77.1%。當(dāng)生物表面活性劑在降黏體系中的濃度為3.33 mg/L，于30℃下反應(yīng)30 min時，稠油的降黏率最大可達(dá)到96.7%。無論是在表面活性劑的加入量、還是在靈敏性以及降黏性能方面，生物表面活性劑均優(yōu)于十六烷基三甲基溴化銨。

篩選；生物表面活性劑；表面張力；稠油；降黏

生物表面活性劑是微生物合成的具有雙親性的一類化合物，包括糖脂類、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂類、高分子聚合物，以及微粒生物表面活性劑等不同種類[1]。與化學(xué)表面活性劑相比，生物表面活性劑由于具有無毒、能生物降解等優(yōu)點(diǎn)，已在石油的降解、提高原油采收率、重油污染土壤的生物修復(fù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-3]。

隨著常規(guī)油可開采儲量的日益減少，國內(nèi)能源供應(yīng)日趨緊張，有效、經(jīng)濟(jì)地開采稠油越來越受到重視[4]。然而稠油的密度大、黏度大、凝點(diǎn)高、流動性差等特性給其開采和輸送帶來了很大困難[5-6]，增加了開發(fā)成本。因此，如何降低稠油黏度、改善其流動性是稠油開發(fā)過程中的關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)外稠油開采過程中采用的降黏方法主要有：物理降黏法、化學(xué)降黏法、改質(zhì)降黏法和微生物降黏法[7]，其中微生物降黏的機(jī)理之一是利用微生物所產(chǎn)的生物表面活性劑來降低水溶液和烴類物質(zhì)的表面張力，形成O/W結(jié)構(gòu)，達(dá)到乳化原油、降低稠油黏度和提高稠油流動性的目的，進(jìn)而提高原油采收率[8-10]。

與其他降黏法相比，微生物降黏法具有效率高、穩(wěn)定性好、無二次污染、在極端條件下仍有效等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景[11-13]。齊義彬等將一株芽孢桿菌QB26和一株假單胞菌T-1復(fù)配后作用于稠油，可顯著改善稠油的乳化效果[14]。易紹金等培養(yǎng)出的菌株WS-SPB具有良好的普適性和降黏性能，其對3個油田的稠油的降黏率均可達(dá)到50%以上[15]。Desouky等發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌在鹽濃度高達(dá)75 000 mg/L時仍可產(chǎn)生具有乳化性能的表面活性物質(zhì)[16]。

本研究從遼河油田的石油污染土壤中分離出一株性能優(yōu)良的生物表面活性劑產(chǎn)生菌，以遼河油田的稠油為研究對象，對生物表面活性劑在稠油降黏中的特性進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 菌種

本實(shí)驗(yàn)中所用菌株A3分離自被石油污染的土壤樣品，土壤樣品取自遼河油田。該菌株能以原油為唯一碳源生長，16S rRNA(GenBank序列號為KC137277.1)與銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)的同源性為100%。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用表面活性劑是從所篩選的菌株A3的發(fā)酵液中提取的生物表面活性劑，原油樣品取自遼河油田的脫水脫氣稠油，30℃時黏度為3180 mPa.s。

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括NDJ-79型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，QBZY-1型全自動表面張力儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 生物表面活性劑的提取

將發(fā)酵液離心(12 000 r/min，20 min，4℃)，取上清液用6 mol /L鹽酸調(diào)至pH 2.0，出現(xiàn)乳白色絮狀沉淀，4℃靜置過夜。12 000 r/min離心20 min，收集沉淀，用pH 2.0的鹽酸溶液反復(fù)洗滌2次，離心后收集沉淀。在沉淀中加入0.105 mol/L的NaHCO3溶液，用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0，得到棕黃色樣品溶液(粗品)。用氯仿/甲醇(V∶V=1∶1)萃取3次，合并有機(jī)相。再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得棕色黏稠物，將黏稠物冷凍干燥。

1.3.2 薄層層析分析

將冷凍干燥后的樣品用甲醇溶解，進(jìn)行薄層層析分析[17]。分別以苯酚-硫酸試劑(糖脂顯棕黃色)、磷鉬酸-乙醇試劑(磷脂顯藍(lán)綠色)和茚三酮為顯色劑(脂肽顯紫紅色)，觀察顯色斑點(diǎn)的顏色[18]。

1.3.3 紅外光譜分析

采用FTIR-650傅立葉變換紅外光譜儀對冷凍干燥后的生物表面活性劑樣品進(jìn)行紅外光譜掃描。

1.3.4 生物表面活性劑對稠油的降黏實(shí)驗(yàn)

稠油的黏度采用NDJ-79型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量。在測量容器中加入15 mL稠油，在一定溫度下水浴1 h，測定其黏度(η0)。用去離子水配制生物表面活性劑水溶液，在相同溫度下加熱30 min，受熱均勻后，按一定的油水比將生物表面活性劑水溶液加入到油樣中。打開黏度計(jì)，用轉(zhuǎn)子攪拌成乳狀液，反應(yīng)30 min后，在第3、5和8 min分別讀取黏度值，并取其平均值作為稠油乳狀液的黏度(η1)。降黏率R的計(jì)算公式如下：

式中：R為降黏率；η0為稠油的原始黏度，mPa·s；η1為加入生物表面活性劑后稠油的黏度，mPa·s。

在本文的所有實(shí)驗(yàn)中，每個樣品均做3次平行實(shí)驗(yàn)，取其平均值為最終結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物表面活性劑的化學(xué)性質(zhì)

從菌株A3發(fā)酵液中提取的生物表面活性劑呈棕黃色黏稠狀，萃取并冷凍干燥。薄層層析的分析結(jié)果顯示硅膠板上的斑點(diǎn)為棕黃色，而使用磷脂、脂肽類顯色劑則沒有任何顏色變化，可初步判定菌株A3所產(chǎn)生物表面活性劑屬于糖脂類。

圖 1 菌株A3所產(chǎn)生物表面活性劑的紅外吸收光譜圖

紅外光譜法分析結(jié)果如圖1所示，由圖1可以看出，在 3500～3000 cm-1處有較強(qiáng)的吸收帶，這說明有大量的-OH存在；1400～1200 cm-1波段處有糖類的一些特征吸收峰。如1400 cm-1處是糖類C-H 的變角振動，1100 cm-1處是 C-O-C 鍵的伸縮振動。C=O伸縮振動出現(xiàn)在1900～1630 cm-1，1750 cm-1處的吸收峰是 C=O 的伸縮振動。結(jié)合薄層層析的分析結(jié)果可推斷該生物表面活性劑屬于糖脂類。

2.2 生物表面活性劑對稠油乳狀液的降黏作用

2.2.1 稠油的黏溫特性

對于稠油而言，黏度是流體流動性能的重要參數(shù)之一。黏度既是稠油管道加熱輸送的主要設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)，也是稠油乳化降黏效率的評價標(biāo)準(zhǔn)。將15 mL稠油加入到測量容器中，在30℃～80℃范圍內(nèi)分別水浴加熱1 h，測定稠油的黏度度隨溫度的變化，考察溫度對稠油黏度的影響。

圖 2 稠油的黏度-溫度關(guān)系

稠油的黏度隨溫度的變化曲線表明(圖2)，遼河油田稠油黏度變化和溫度的關(guān)系十分密切。在溫度為28℃～42℃時，稠油黏度隨溫度的升高而急劇減小。在溫度高于42℃時，稠油黏度隨溫度的變化較之前緩慢，當(dāng)溫度達(dá)到62℃以上時，稠油黏度不再隨溫度而改變，并達(dá)到其最低黏度值300 mPa·s。稠油的這種黏溫特性可歸因于稠油中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的物理狀態(tài)隨溫度發(fā)生了變化，也可能是由于膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的歧化作用，產(chǎn)生了烴類和高凝聚的殘?jiān)黐19]。此外，油樣在50℃時黏度為 500 mPa·s，根據(jù)我國稠油的分類標(biāo)準(zhǔn)[20]，可知遼河油田該地區(qū)油樣屬普通稠油范疇。

2.2.2 生物表面活性劑的不同添加方式對稠油乳狀液降黏效果的影響

為了考察生物表面活性劑的不同添加方式對稠油的降黏效果，向測量容器中加入15 mL稠油，在所含生物表面活性劑質(zhì)量相同的情況下，分別加入一定量的發(fā)酵液、離心發(fā)酵液、生物表面活性劑水溶液，在30℃下反應(yīng)30 min，分別測定稠油乳狀液的黏度，計(jì)算降黏率，結(jié)果如圖3所示。發(fā)酵液使稠油的降黏率達(dá)到96.0%，離心發(fā)酵液的降黏率為97.1 %，生物表面活性劑水溶液的降黏率為94.3%?？梢姲l(fā)酵液和離心發(fā)酵液的降黏率略高于提純產(chǎn)物的水溶液，但生物表面活性劑的這3種添加方式對稠油的降黏效果并沒有顯著區(qū)別。劉皓等在研究中也得出同樣的結(jié)論[21]。試驗(yàn)中若直接采用發(fā)酵液進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)，可以有效規(guī)避油藏中如溫度、壓力、氧氣含量、礦化度等因素對菌株生長代謝的影響，提高微生物驅(qū)油的效率[22]。

圖 3 生物表面活性劑的不同添加方式對稠油降黏的影響

2.2.3 生物表面活性劑用量對稠油乳狀液降黏效果的影響

將菌株A3所產(chǎn)生物表面活性劑配成水溶液，向測量容器中加入15 mL稠油，分別加入不同量的生物表面活性劑水溶液，在30℃下反應(yīng)30 min，分別測定稠油乳狀液的黏度，計(jì)算降黏率。由圖4可見，當(dāng)生物表面活性劑含量在5 μg以下時，稠油乳狀液的黏度變化不明顯；繼續(xù)增加生物表面活性劑的用量時，稠油乳狀液的黏度會隨生物表面活性劑用量的增大而迅速降低；當(dāng)生物表面活性劑的加入量逐漸增大到50 μg以上時，稠油乳狀液的黏度不再下降。這一現(xiàn)象基本符合劉晨關(guān)于生物表面活性劑的加入量和降黏率關(guān)系的分析[23]，即隨生物表面活性劑加入量的增大，油水界面張力值有明顯下降；但當(dāng)加入量達(dá)到一定值后，隨著表面活性劑的增加界面張力值反而增大。

稠油乳化降黏的決定性因素是界面膜的強(qiáng)度，當(dāng)生物表面活性劑含量過低時，油水界面所吸附的分子較少，膜的強(qiáng)度差，乳狀液穩(wěn)定性較差，稠油黏度改變量較少；而當(dāng)過量的生物表面活性劑加入稠油中時，所形成的高濃度的膠束又會對油水界面膜產(chǎn)生破壞作用[24]。因此，綜合考慮，在本實(shí)驗(yàn)中確定菌株A3所產(chǎn)生物表面活性劑的最適用量為50 μg，即相當(dāng)于3.33 mg/L，稠油乳狀液的黏度值降為120 mPa·s，降黏率最大可達(dá)96.7%。本實(shí)驗(yàn)中的稠油取自遼河油田，對于不同來源、不同類型的稠油，由于稠油組分不同，最適的生物表面活性劑用量是有差異的[14,25]。李牧等篩選出一株脂肽或脂蛋白類生物表面活性劑產(chǎn)生菌，其最大降黏率為 58.1%[1]。易紹金等[15]從新疆油田油污土壤中優(yōu)選出稠油降黏菌JN-B，發(fā)現(xiàn)該菌株對新疆油田稠油的降黏率可達(dá)64.6%，由此可見，本實(shí)驗(yàn)所用的菌株A3是一株高效的降黏菌。

圖 4 生物表面活性劑加入量對稠油降黏的影響

2.2.4 溫度對稠油乳狀液降黏效果的影響

在5個測量容器中各加入15 mL稠油，分別在30℃、50℃、60℃、70℃和80℃下恒溫水浴1 h，加入生物表面活性劑水溶液，攪拌制得乳狀液，反應(yīng)30 min后測定稠油乳狀液黏度，計(jì)算降黏率。如圖5所示，溫度在30℃～50℃的范圍內(nèi)稠油乳狀液的黏度隨溫度增加有緩慢增長趨勢，溫度低于50℃時，菌株A3所產(chǎn)生物表面活性劑降黏性能良好，降黏率基本不受溫度干擾，高達(dá)85.7%。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，稠油乳狀液黏度迅速升高，可能是稠油乳狀液中的生物表面活性成分在高溫條件下逐漸失活，使得稠油乳狀液的黏度逐漸恢復(fù)增大。在30℃～50℃范圍內(nèi)，稠油乳狀液黏度低于600 mPa·s，而圖2中同樣溫度范圍內(nèi)稠油黏度(未加生物表面活性劑)遠(yuǎn)大于500 mPa·s。顯然，加入生物表面活性劑對稠油有明顯的降黏效果，且該稠油乳化體系在30℃～50℃范圍內(nèi)降黏效果較好。

2.2.5 礦化度對稠油乳狀液降黏效果的影響

在稠油乳狀液中加入不同量的NaCl對稠油的礦化度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使礦化度分別為0、2.5、5.0、7.5、15.0和20.0 g/L，30 ℃下反應(yīng)30 min后，分別測定稠油乳狀液黏度，計(jì)算降黏率。由圖6可見，NaCl 濃度對稠油乳狀液的黏度產(chǎn)生了一定的影響。當(dāng)?shù)V化度較低時，不影響稠油乳狀液的黏度。當(dāng)NaCl濃度由2.5 g/L增加至7.5 g/L時，稠油乳狀液的黏度有所增大，分析原因可能是較高的礦化度對生物表面活性劑的活性產(chǎn)生了一定的干擾；繼續(xù)增大NaCl濃度至20 g/L時，稠油乳狀液的黏度基本不變并穩(wěn)定在800 mPa·s左右，說明當(dāng)?shù)V化度增大到一定程度時，不再對生物表面活性劑起干擾作用，此時的降黏率仍然能維持在77.1%。該實(shí)驗(yàn)表明，該稠油乳化體系對礦化度的耐受范圍較寬。

圖5 溫度對稠油降黏的影響

圖 6 礦化度對稠油降黏的影響

2.2.6 生物表面活性劑、化學(xué)表面活性劑降黏性能的對比

分別向15 mL稠油中加入等量的菌株A3所產(chǎn)生物表面活性劑和化學(xué)表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(C16H33N(CH3)3Br)，控制其他反應(yīng)條件一致，分別測定反應(yīng)30 min后稠油乳狀液的黏度，對生物表面活性劑、化學(xué)表面活性劑的降黏效果進(jìn)行比較。

圖7表明，生物表面活性劑的降黏效果優(yōu)于化學(xué)表面活性劑，表現(xiàn)在：1)當(dāng)生物表面活性劑加入量達(dá)到5 μg時，稠油乳狀液的降黏率就開始迅速增大；但化學(xué)表面活性劑只有當(dāng)加入量達(dá)到30 μg以上時，其稠油乳狀液的降黏率才開始有明顯變化，且降黏效率一直低于生物表面活性劑。這一結(jié)果表明，菌株A3所產(chǎn)生物表面活性劑具有較高的降黏靈敏性，在低濃度時也可以有效地降低原油的黏度，并且其降黏活性高于等量的化學(xué)表面活性劑。2)生物表面活性劑最多能使稠油乳狀液的黏度降至120 mPa·s，其降黏率可達(dá)到96.7%，而化學(xué)表面活性劑最多只可將稠油乳狀液的黏度降至310 mPa·s，最大降黏率只有91.0%。3)生物表面活性劑在其加入量為45 μg時降黏率就能達(dá)到最大值，而化學(xué)表面活性劑的加入量要達(dá)到80 μg時降黏率才能達(dá)到最大值。本實(shí)驗(yàn)中所用生物表面活性劑是采用沉淀法和萃取法得到的粗提物，雖純度不高，但降黏效果仍明顯優(yōu)于化學(xué)表面活性劑。

圖 7 不同表面活性劑對稠油降黏的影響

3 結(jié)論

1)菌株A3所產(chǎn)生物表面活性劑的薄層層析和紅外光譜分析表明，該生物表面活性劑屬于糖脂類生物表面活性劑。

2)生物表面活性劑的3種不同添加方式對稠油降黏的影響不大。在降黏實(shí)驗(yàn)中，生物表面活性劑對稠油乳狀液的降黏率最大可達(dá)96.7%。

3)稠油降黏實(shí)驗(yàn)表明，在30℃～50℃范圍內(nèi)，稠油乳狀液的黏度變化幅度不大，且黏度均低于600 mPa·s，降黏率可達(dá)85.7%。當(dāng)稠油體系礦化度高達(dá)20 g/L時，降黏率為77.1%，表明稠油-生物表面活性劑復(fù)合體系對礦化度的耐受范圍較寬。無論是在表面活性劑的加入量、還是在靈敏性以及降黏性能方面，生物表面活性劑均優(yōu)于十六烷基三甲基溴化銨。

本研究結(jié)果為生物表面活性劑的合成提供了新的菌源。生物表面活性劑良好的稠油降黏性能和對礦化度的穩(wěn)定性拓寬了微生物采油的應(yīng)用領(lǐng)域，可為新型表面活性劑的開發(fā)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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Characteristics research on reducing viscosity of heavy oil by biosurfactant

WU Juan, HUANG Yang, ZUO Shan-shan

(School of Resources and Environmental Engineering， Anhui University， Hefei 230601, China)

An efficient biosurfactant-producing strain A3 was isolated from the soil of Liaohe oil field. According to the analysis of 16S rRNA sequence, it was identified asPseudomonasaeruginosa. The analysis by TLC and infrared spectrum showed that the biosurfactant produced by strain A3 belongs to glycolipid. The characteristics of biosurfactant in the viscosity reduction of heavy oil were investigated. The results showed that the dosage of biosurfactant, temperature and salinity had important effects on viscosity reduction of heavy oil. The small change in viscosity could be observed in the range of 30℃ to 50℃, and viscosity reduction rate of 85.7% could be obtained. The viscosity reduction rate of 77.1% could be obtained under the salinity of 20 g/L. Using 3.33 mg/L biosurfactant, the viscosity reduction rate of 96.7% could be obtained under 30℃ for 30 min. The biosurfactant from strain A3 is superior to chemical surfactant C16H33N(CH3)3Br in dosage, sensitivity and performance in viscosity reduction.

screening; biosurfactant; surface tension; heavy oil; viscosity reduction

2016-05-21；

2016-06-20

安徽省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(KJ2012A006)

吳 涓，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境微生物及其應(yīng)用方面的研究，E-mail：wujuan@ustc.edu

Q939.9;TE357.46

A

2095-1736(2017)03-0059-05

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.03.059