基于復(fù)配菌的原油降黏效果分析

王衛(wèi)強(qiáng)，丁影影，王國(guó)付，李 佳

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

0 引 言

中國(guó)稠油資源分布廣、產(chǎn)量豐富，由于密度大、黏度高、凝點(diǎn)高等特性導(dǎo)致原油流動(dòng)困難[1-2]。微生物可改善稠油物性：一是通過(guò)微生物自身活動(dòng)來(lái)降解稠油中大分子結(jié)構(gòu)烴類，打破稠油中大分子聚合體結(jié)構(gòu)，減少稠油中的重質(zhì)組分，降低原油黏度[3-4]；二是通過(guò)微生物代謝產(chǎn)物(酸、氣及生物表面活性物質(zhì)等)乳化稠油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等，對(duì)原油進(jìn)行大幅度降黏[5-7]。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)是稠油中極性極強(qiáng)的重質(zhì)組分，同時(shí)也是導(dǎo)致稠油開(kāi)采和運(yùn)輸困難的主要因素之一，單一微生物對(duì)其降解率不高或很難降解[8-9]。為此，通過(guò)分離、篩選，選育出了能降低原油黏度的菌株和產(chǎn)表面活性劑的菌株，通過(guò)對(duì)兩者進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究，在短時(shí)間內(nèi)可高效地降低原油黏度，從而大幅提高稠油的流動(dòng)性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1) 培養(yǎng)基。實(shí)驗(yàn)用培養(yǎng)基及其組成見(jiàn)表1。

(2) 菌種來(lái)源。從長(zhǎng)期油污土壤中篩選出2株菌株：一株為呈短桿狀，白色，無(wú)鞭毛，無(wú)芽孢的高效原油降黏菌D-8，另一株為呈圓球狀，且菌體產(chǎn)黏稠狀、略有淡黃色活性物質(zhì)的表面活性劑產(chǎn)生菌B-12。

表1 培養(yǎng)基類型及組成

(3) 稠油來(lái)源。實(shí)驗(yàn)用原油為遼河油田齊40塊稠油，35 ℃下脫氣原油密度為914 kg/m3，黏度為2 315 mPa·s。

(4) 實(shí)驗(yàn)儀器。實(shí)驗(yàn)用儀器主要包括：ALC-210.4電子分析天平、LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌器、DK-98-I IA電熱恒溫水浴鍋、SHZ-82水浴恒溫振蕩器、BHC-1300IIA/B2型生物潔凈安全柜、PHS-25PH酸度計(jì)、UV-2550紫外分光光度計(jì)、LDV-T2黏度溫控一體機(jī)、BX-51偏光顯微鏡以及聚焦光束反射測(cè)量?jī)x(FBRM)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 復(fù)配菌培養(yǎng)。將D-8和B-12按不同比例復(fù)配，得到復(fù)配菌DB8-12，按不同接種量接種于液體培養(yǎng)基中，在35℃恒溫水浴中及搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min下振蕩培養(yǎng)。每隔12 h利用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行菌體光密度值(OD值)的測(cè)定[10]，并利用Origin軟件繪制菌體的生長(zhǎng)曲線圖，以確定復(fù)配菌最適宜生長(zhǎng)的外界條件。

(2) 復(fù)配菌原油降黏影響因素。考查復(fù)配菌液接種量、培養(yǎng)時(shí)間及培養(yǎng)溫度對(duì)復(fù)配菌降黏效果的影響，確定復(fù)配菌達(dá)最大降黏率的條件。

(3) 復(fù)配菌對(duì)原油粒徑分布影響。用FBRM可檢測(cè)到復(fù)配菌作用前后原油液滴長(zhǎng)度分布[11]，利用ic FBRMTM軟件獲得原油油樣的粒徑分布。得到復(fù)配菌作用前后稠油粒徑的變化情況，從微觀角度說(shuō)明復(fù)配菌的降黏機(jī)理及功效。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)配菌生長(zhǎng)性能的研究

2.1.1 復(fù)配比例對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

D-8和B-12分別按1∶1、1∶2、1∶3、2∶1、2∶3、3∶1、3∶2比例復(fù)配，按1%接種量接種于富集培養(yǎng)基中，在35 ℃恒溫水浴中及搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min下振蕩培養(yǎng)5 d，每12 h測(cè)一次OD值(表2)。由表2可知：培養(yǎng)時(shí)間為0～36 h時(shí)，不同復(fù)配比例下菌體OD值均呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，該時(shí)期為復(fù)配菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；培養(yǎng)時(shí)間為36～72 h時(shí)，菌體OD值達(dá)到最高，且?guī)缀醣３植蛔儯摃r(shí)期即為復(fù)配菌生長(zhǎng)的穩(wěn)定期；當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間超過(guò)72 h后，各菌體的OD值均呈明顯下降的趨勢(shì)，該時(shí)期復(fù)配菌進(jìn)入生長(zhǎng)衰亡期。由表2可知，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，B-12所占比例過(guò)多或過(guò)少都不利于復(fù)配菌的生長(zhǎng)繁殖，這是因?yàn)锽-12過(guò)少則D-8生長(zhǎng)較慢，B-12過(guò)多也會(huì)抑制D-8的生長(zhǎng)，適量的B-12對(duì)D-8的生長(zhǎng)具有良好的協(xié)同促進(jìn)作用。 D-8與B-12按3∶2比例復(fù)配組合，在36 h后的生長(zhǎng)量高于任一其他復(fù)配組合，且整體OD值最大。因此，選擇D-8和B-12按3∶2比例復(fù)配最佳。

表2 不同時(shí)間、不同復(fù)配比例下復(fù)配菌的OD值

2.1.2 接種量對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響

D-8和B-12按3∶2比例復(fù)配，分別按1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%接種量接種于液體培養(yǎng)基中，在35 ℃恒溫水浴中及搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min下振蕩培養(yǎng)5 d，每12 h測(cè)一次OD值(表3)。由表3可知：按5%、6%、7%接種量接種的復(fù)配菌組合菌體生長(zhǎng)速度經(jīng)過(guò)先升高再降低的過(guò)程，這是由于剛開(kāi)始菌體生長(zhǎng)速度較快，很快消耗盡培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致菌體不生長(zhǎng)甚至死亡，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與文獻(xiàn)[12]一致。按1%、2%、4%接種量接種的復(fù)配菌組合菌體生長(zhǎng)速度較快，但總體長(zhǎng)勢(shì)不如按3%接種量接種的復(fù)配菌組合菌體生長(zhǎng)旺盛，因此，復(fù)配菌按3%接種量接種生長(zhǎng)效果最佳。

表3 不同時(shí)間、不同接種量下復(fù)配菌的OD值

2.2 復(fù)配菌形態(tài)的觀察

為便于顯微鏡觀察，選用液體石蠟培養(yǎng)基(清澈透明)培養(yǎng)各菌種[13]。復(fù)配菌按3%接種量接種于液體石蠟培養(yǎng)基中，培養(yǎng)24 h后，放于偏光顯微鏡下觀察，可清晰地看到D-8與B-12復(fù)配后共存于培養(yǎng)基中，菌種數(shù)目較多且分布均勻，說(shuō)明2種菌復(fù)配達(dá)到了互利共生的效果，有利于微生物的降黏研究。

2.3 復(fù)配菌降黏效果的影響因素

2.3.1 復(fù)配菌液摻混量對(duì)降黏效果的影響

在35 ℃水浴中恒溫振蕩培養(yǎng)36 h后，按3%接種量接種得到復(fù)配菌液。將該菌液分別與50 mL原油混合，復(fù)配菌液體積比分別為5%、10%、15%、30%、45%。將復(fù)配菌與原油混合于錐形瓶中，在35 ℃恒溫水浴中及搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min下振蕩培養(yǎng)，72 h后測(cè)各復(fù)配菌組合作用后脫水原油黏度，同時(shí)與未加菌液處理的原油作空白對(duì)照，比較不同菌液接種量對(duì)原油降黏效果的影響(圖1)。由圖1可知：復(fù)配菌液與原油按一定比例混合時(shí)，即復(fù)配菌液體積比為0～20%時(shí)，原油黏度隨混合菌液量的增大而顯著降低，降黏率在該區(qū)間幾乎呈直線上升趨勢(shì)；復(fù)配菌液體積比為20%～30%時(shí)，降黏率增長(zhǎng)較緩慢；復(fù)配菌液體積比為30%以上時(shí)，降黏率隨復(fù)配菌液投放量的增加幾乎不再變化，此時(shí)降黏率處于相對(duì)穩(wěn)定階段。考慮到經(jīng)濟(jì)因素，確定復(fù)配菌液最佳體積比為30%。

圖1 復(fù)配菌液不同添加量下原油降黏效果

2.3.2 復(fù)配菌與原油作用時(shí)間對(duì)降黏效果的影響

將復(fù)配菌液體積比按30%與50 mL原油混合于錐形瓶中，配制7個(gè)樣品，將樣品在35 ℃恒溫水浴中及搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min下振蕩培養(yǎng)，分別在混合培養(yǎng)24、36、48、60、72、84、96 h后測(cè)脫水原油黏度(圖2)。由圖2可知：原油黏度隨復(fù)配菌液與原油作用時(shí)間的延長(zhǎng)呈緩慢下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的降黏率呈上升趨勢(shì)；復(fù)配菌液體積比按30%與原油混合，35 ℃下作用72 h后原油黏度為842 mPa·s，并隨時(shí)間的延長(zhǎng)降黏率基本趨于穩(wěn)定，肉眼可觀測(cè)到原油流動(dòng)性明顯變好。研究結(jié)果表明，菌株在原油中能快速生長(zhǎng)繁殖，在較短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到降黏效果，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖2 不同作用時(shí)間復(fù)配菌原油降黏率效果

2.3.3 復(fù)配菌培養(yǎng)溫度對(duì)降黏效果的影響

將復(fù)配菌液按體積比為30%與50 mL原油混合于錐形瓶中，配制6個(gè)樣品，將樣品分別置于30、35、40、45、50、55 ℃恒溫水浴中，在搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min下振蕩培養(yǎng)，72 h后測(cè)定各樣品的脫水原油黏度(圖3)。由圖3可知：溫度為30～40 ℃時(shí)，復(fù)配菌作用后的稠油黏度隨溫度升高呈顯著降低趨勢(shì)，這是因?yàn)椋涸跍囟鹊陀?0 ℃時(shí)，其生長(zhǎng)繁殖能力隨溫度的升高而增強(qiáng)，40 ℃時(shí)降黏率達(dá)到了60.3%；當(dāng)溫度為40～45 ℃時(shí)，隨溫度的升高，降黏率增長(zhǎng)緩慢，在該溫度區(qū)間內(nèi)原油黏度受溫度影響較小，45 ℃時(shí)培養(yǎng)72 h后，稠油黏度降至810 mPa·s，降黏率達(dá)61.8%；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，稠油黏度變化不大，但降黏率明顯降低，這是由于溫度過(guò)高導(dǎo)致菌體失活，從而使加復(fù)配菌前后黏度無(wú)明顯改變；當(dāng)溫度達(dá)55 ℃時(shí)，原油黏度幾乎不變。

圖3 不同培養(yǎng)溫度下原油降黏率效果

2.4 復(fù)配菌對(duì)原油粒徑分布的影響

將復(fù)配菌處理后黏度降至810 mPa·s的原油脫水后，在45 ℃條件下，用聚焦光束反射測(cè)量?jī)x觀測(cè)油滴粒徑分布情況，并與未加菌處理原油粒徑分布進(jìn)行對(duì)比。復(fù)配菌作用前后粒徑分布對(duì)比曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知：未加菌處理原油的粒徑集中分布在0～40 μm，該區(qū)間段內(nèi)油滴所占的比例最大；而40～100 μm的油滴所占的比例較低，均不超過(guò)0.5%。經(jīng)復(fù)配菌處理后的原油油樣中1～5 μm的油滴大幅度增加，最高比例達(dá)到5.8%，遠(yuǎn)高于未加菌處理原油的油樣粒徑； 5～10 μm的油滴所占百分比顯著增大，最高比例達(dá)9.2%；大于10 μm的油滴所占的比率由4.8%降至1.6%，尤其是30～100 μm的油滴，經(jīng)過(guò)復(fù)配菌處理后該區(qū)間段的大油滴完全被降解，所占比例降為0。經(jīng)過(guò)復(fù)配菌液處理后，原油中的大分子烴被降解為小分子烴，從而表現(xiàn)為油樣大粒徑所占比例下降，小粒徑所占比例上升，宏觀表現(xiàn)為黏度降低。在稠油的開(kāi)采及輸送中加復(fù)配菌降黏有利于提高原油流動(dòng)性，因此，復(fù)配菌降黏是降黏開(kāi)采及降黏輸送最經(jīng)濟(jì)、高效的途徑之一。

圖4 原油經(jīng)復(fù)配菌處理前后粒徑大小百分比分布

3 實(shí)踐指導(dǎo)

利用微生物進(jìn)行稠油的降黏開(kāi)采及輸送，菌種的好壞非常重要。為提高降黏效率， D-8及B-12的分離、篩選是強(qiáng)化微生物采油及輸油技術(shù)的基礎(chǔ)， D-8及B-12的復(fù)配則是關(guān)鍵。研究所選菌株生命力強(qiáng)，復(fù)配后能很好地生長(zhǎng)繁殖，且能在原油體系中快速生長(zhǎng)，較少的菌液添加量即可達(dá)到迅速乳化稠油、降低黏度的效果，解決了單一菌株適應(yīng)性差、生命力弱、降黏率低的問(wèn)題。但需注意的是B-12的添加量需得到很好的控制，添加量過(guò)低則達(dá)不到較好的降黏效果，添加量過(guò)高則又會(huì)抑制菌株的生長(zhǎng)，從而影響稠油的降黏率。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)將一株短桿狀、無(wú)芽孢的D-8和一株圓球狀，且菌體產(chǎn)黏稠狀、略有淡黃色活性物質(zhì)的B-12進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化出其最佳培養(yǎng)條件為：D-8和B-12按3∶2比例復(fù)配，按3%接種量接種；在pH值為7.5，溫度為35 ℃下培養(yǎng)3 d后具有最大菌體光密度值。

(2) 將DB8-12菌液按體積比為30%與原油混合，在45 ℃恒溫水浴中及搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min下振蕩培養(yǎng)72 h后，原油黏度由2 120 mPa·s降至810 mPa·s，降黏率達(dá)到了61.8%。表明DB8-12在原油中能快速生長(zhǎng)繁殖，在短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到降黏效果。

(3) 原油經(jīng)DB8-12作用后，部分大分子烴被降解為小分子烴，即呈現(xiàn)出大粒徑所占比例降低，小粒徑所占比例大幅上升，宏觀表現(xiàn)為黏度降低，流動(dòng)性顯著提高。DB8-12適合用于遼河稠油的降黏開(kāi)采及輸送。

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