基于解烴菌對(duì)含蠟原油除蠟降黏的實(shí)驗(yàn)分析

鮑天宇，王衛(wèi)強(qiáng)，羅 超，賈宇童，李 闊

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

我國(guó)的含蠟原油儲(chǔ)量非常豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)90% 原油蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%~40%[1]。含蠟原油在運(yùn)輸過(guò)程中，當(dāng)溫度降低至原油析蠟點(diǎn)時(shí)，原油中的蠟晶結(jié)晶析出,進(jìn)而以管壁粗糙凸起處為結(jié)晶中心聚集，形成蠟沉積[2?3]。輸油管道結(jié)蠟后導(dǎo)致含蠟原油的黏度增加，管道流通面積減小，流動(dòng)阻力增加，致使含蠟原油輸送效率降低[4]。甚至當(dāng)管壁結(jié)蠟達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)堵塞管路，直接影響含蠟原油生產(chǎn)，造成間接經(jīng)濟(jì)損失[5]。目前國(guó)內(nèi)常用的含蠟原油輸送方式有加熱輸送、稀釋輸送、添加化學(xué)藥劑輸送等[6]，但這些方法均有自身不可克服的缺陷。

微生物清防蠟技術(shù)通過(guò)微生物自身活動(dòng)來(lái)降解含蠟原油中大分子結(jié)構(gòu)烴類(lèi)（長(zhǎng)碳鏈烴），從而打破含蠟原油中大分子聚合結(jié)構(gòu)（降解為短碳鏈烴），減少重質(zhì)組分，降低含蠟量[7]。利用微生物法對(duì)含蠟原油進(jìn)行有效的除蠟降黏，可改善含蠟原油流動(dòng)性，最終保證含蠟原油的正常生產(chǎn)，管線正常輸送，大幅降低管輸費(fèi)用[8]。

針對(duì)大慶含蠟原油特點(diǎn)，從被大慶原油污染的土壤中挑選出一株解烴菌，對(duì)其除代謝產(chǎn)物性能及除蠟降黏效果進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 培養(yǎng)基成分

LB 培養(yǎng)基：蛋白胨10 g/L，酵母粉5 g/L，NaCl 5 g/L，瓊脂粉10 g/L，純水1 000 mL，pH 7.0。

無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基：純水1 000 mL，NaCl 5 g/L，（NH4）2SO41 g/L，MgSO4·7H2O 0.25 g/L，KH2PO45 g/L，K2HPO45 g/L，NaNO32 g/L，液 體 石 蠟2 mL，pH 7.0~7.2。

1.2 實(shí)驗(yàn)油樣

實(shí)驗(yàn)油樣來(lái)自于大慶油田，蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%，在37 ℃條件下表觀黏度為2 862 mPa·s。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

恒溫水浴振蕩器（江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠）；生化恒溫培養(yǎng)箱（上海一恒科技有限公司）；紫外分光光度計(jì)（上?？坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司）；pH 計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；離心機(jī)（日本HITACHI）；JJ2000B 型旋轉(zhuǎn)滴界面張力測(cè)量?jī)x（上海中晨數(shù)字設(shè)備有限公司）；Q2000 DSC 差示熱量掃描儀（美國(guó)TA 梅特勒?利托多公司）；HAKEE 流變儀（上海珩璟科技有限公司）。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 菌株篩選 將5 g 大慶油田油污土壤加入100 mL 無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，放入恒溫水浴振蕩器中培養(yǎng)至溶液渾濁（振蕩條件為37 ℃、150 r/min），取1 mL 培養(yǎng)基上清液轉(zhuǎn)接到新鮮100 mL 的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，在同等條件下培養(yǎng)至溶液渾濁，如此反復(fù)轉(zhuǎn)接5 次，得到解烴菌菌液，然后取100 μL 菌液均勻涂布到LB 固體培養(yǎng)基上，放入生化恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，再用接種環(huán)挑取單菌在新鮮LB 固體培養(yǎng)基上劃線純化，最終得到純化后的解烴菌。

1.4.2 解烴菌生長(zhǎng)環(huán)境優(yōu)化 對(duì)該菌在不同溫度、pH、轉(zhuǎn)速條件下優(yōu)化其生長(zhǎng)環(huán)境。

光密度值測(cè)定：將純化后的解烴菌菌液以5%接種量(體積分?jǐn)?shù)，下同）接到無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，分別在30、32、34、36、38 ℃進(jìn)行培養(yǎng)，通過(guò)紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)為600 nm 處測(cè)定菌液光密度值。

pH 測(cè)定：利用pH 計(jì)將培養(yǎng)基pH 調(diào)至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0，菌液光密度值測(cè)定方法同上。

轉(zhuǎn)速測(cè)定：將搖床轉(zhuǎn)速分別調(diào)至90、120、150、180、210 r/min，菌液光密度值測(cè)定方法同上。

1.4.3 解烴菌代謝產(chǎn)物性能分析 將菌株以5%接種量種于100 mL 無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，并增設(shè)不加菌為對(duì)照，在37 ℃、150 r/min 條件下振蕩培養(yǎng)7 d。

乳化性能分析：采用離心機(jī)離心去除菌體[9]，得到無(wú)菌上清液，取4 mL 無(wú)菌上清液與4 mL 液體石蠟混合后,通過(guò)渦旋振蕩器振蕩2 min，在室溫條件下放置24 h 后測(cè)定乳化層高度，乳化高度值與總高度值之比即為乳化指數(shù)。

界面張力測(cè)定：采用離心機(jī)離心去除菌體，得到上清液，通過(guò)界面張力儀測(cè)定液體表面張力[10]。

排油活性測(cè)定：采用離心機(jī)離心去除菌體，得到無(wú)菌上清液，取60 mL 無(wú)菌水倒入直徑為15 cm的無(wú)菌潔凈平板中，并在表面滴1 mL 液體石蠟形成油膜，滴一滴無(wú)菌上清液，觀察排油現(xiàn)象，并測(cè)量排油圈直徑大小。

1.4.4 解烴菌除蠟性能分析 將菌株以5% 接菌量接入100 mL 無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，并加入40 mL 大慶含蠟原油（蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%，密度為873 kg/m3，37 ℃表觀黏度為2 862 mPa·s），在37 ℃、150 r/min條件下振蕩培養(yǎng)7 d 后，利用Q2000 DSC 差示熱量掃描儀測(cè)定經(jīng)解烴菌菌液處理前后的大慶油田油樣中蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在測(cè)量前，使用電子天平準(zhǔn)確稱(chēng)取4 ~6 mg 油樣放入坩堝中，將坩堝蓋蓋好壓緊放入儀器中，通過(guò)差示掃描量熱儀測(cè)定含蠟原油蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)、析蠟點(diǎn)、析蠟高峰點(diǎn)等參數(shù)變化，得到DSC曲線，放熱峰的內(nèi)插基線與DSC 曲線包圍的峰面積即蠟晶放熱量，采用式（1）對(duì)原油蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算[11]。

式中，TC為熱譜線偏離基線對(duì)應(yīng)的溫度，℃；dQ 為蠟釋放出的熱量，J/g；-Q 為蠟的平均結(jié)晶釋放熱，J/g。

1.4.5 解烴菌降黏性能分析 將菌株以5% 接菌量接入100 mL 無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，并加入40 mL 大慶含蠟原油（蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%，密度為873 kg/m3），在37 ℃、150 r/min 條件下振蕩培養(yǎng)7 d 后低速離心脫水，通過(guò)流變儀測(cè)量經(jīng)解烴菌作用前后含蠟原油黏度變化[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌株生長(zhǎng)環(huán)境優(yōu)化

通過(guò)紫外分光光度計(jì)測(cè)得該解烴菌在不同溫度下的生長(zhǎng)曲線如圖1 所示。由圖1 可見(jiàn)，解烴菌的活性強(qiáng)度隨溫度變化呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)溫度較低時(shí)，解烴菌細(xì)胞內(nèi)酶的活性隨之下降，使物質(zhì)代謝過(guò)程中各種生化反應(yīng)速度減慢，因而解烴菌的繁殖速度也隨之減慢；相反，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，解烴菌的生長(zhǎng)也遭到抑制。所以，確定較佳生長(zhǎng)溫度為36 ℃。

圖1 不同溫度下解烴菌生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curve of hydrocarbon?solving bacteria at different temperatures

紫外分光光度計(jì)測(cè)得該解烴菌在不同pH 條件下的生長(zhǎng)曲線如圖2 所示。由圖2 可見(jiàn)，解烴菌在pH 6.0~8.0 的活性都是先增高后降低。隨著pH 的升高，解烴菌生長(zhǎng)受阻，當(dāng)超過(guò)最適pH 時(shí)，引起解烴菌的死亡。確定pH 為7.0 時(shí)，解烴菌表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)特性。

圖2 不同pH 下解烴菌生長(zhǎng)曲線Fig. 2 Growth curve of hydrocarbon?solving bacteria at different pH values

紫外分光光度計(jì)測(cè)得該解烴菌在不同搖床轉(zhuǎn)速（90~210 r/min）條件下的生長(zhǎng)曲線如圖3 所示。由圖3 可以看出，搖床的轉(zhuǎn)速太高和太低都不適宜解烴菌生長(zhǎng)，當(dāng)搖床轉(zhuǎn)速為90 r/min 時(shí)，解烴菌生長(zhǎng)量不高；當(dāng)轉(zhuǎn)速為210 r/min 時(shí)，解烴菌生長(zhǎng)速度慢，確定解烴菌最佳的搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min。

2.2 代謝產(chǎn)物性能分析

排油活性測(cè)定：通過(guò)觀察細(xì)菌代謝產(chǎn)物形成的排油圈(見(jiàn)圖4)可以看出，在水面上形成的油膜在表面活性物質(zhì)作用下從油膜中心向四周排擠，在中心形成一塊清潔圓形區(qū)域，測(cè)得其直徑為7.7 cm。中心圓形區(qū)域的大小與代謝產(chǎn)物的表面活性有關(guān)，中心區(qū)域圓形直徑越大，活性強(qiáng)度越高，這表明該菌代謝產(chǎn)物表面活性強(qiáng)，有利于細(xì)菌降解。

圖3 不同搖床轉(zhuǎn)速下解烴菌生長(zhǎng)曲線Fig. 3 Growth curve of hydrocarbon?decomposing bacteria at different rotating speeds

圖4 發(fā)酵液排油活性檢測(cè)Fig. 4 Detection diagram of oil removal activity of fermentation broth

乳化指數(shù)測(cè)定：乳化指數(shù)是微生物清防蠟的一個(gè)重要指標(biāo)[13]。微生物在以石蠟為碳源進(jìn)行新陳代謝時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些表面活性劑，這類(lèi)表面活性劑與石蠟混合后會(huì)產(chǎn)生乳化作用，乳化作用會(huì)增加石蠟在液相中與烴類(lèi)物質(zhì)的接觸表面積，從而提高細(xì)菌對(duì)石蠟的降解[14?15]。測(cè)得本實(shí)驗(yàn)乳化層高度為5.7 cm，乳化指數(shù)為71%，而對(duì)照組未產(chǎn)生乳化，說(shuō)明該解烴菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物具有較強(qiáng)的乳化性能，可促進(jìn)細(xì)菌對(duì)石蠟的降解。

界面張力測(cè)定：采用離心機(jī)離心去除菌體，得到無(wú)菌上清液，通過(guò)界面張力儀測(cè)定液體表面張力變化[16]。測(cè)得對(duì)照組界面張力為78.34 N/m，實(shí)驗(yàn)組的界面張力為39.49 N/m，表明該菌株代謝產(chǎn)物具有降低界面張力的作用，界面張力的降低有利于石蠟在液相中的溶解度，界面張力越低，石蠟在液相中越易溶解，細(xì)菌能更好吸收利用，可促進(jìn)細(xì)菌對(duì)石蠟的降解。

2.3 解烴菌除蠟性能分析

利用Q2000 DSC 差示熱量掃描儀對(duì)經(jīng)解烴菌菌液處理前后大慶油田油樣蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)、析蠟點(diǎn)和析蠟高峰點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 解烴菌處理前后大慶含蠟原油差示熱量掃描Fig. 5 Differential heat scanning of waxy crude oil in Daqing before and after treatment with hydrocarbon bacteria

從圖5 可以看出，大慶含蠟原油未經(jīng)菌株處理的結(jié)晶放熱值為36.79 J/g，蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%，析蠟點(diǎn)為46.93 ℃，析蠟高峰點(diǎn)為22.80 ℃；而經(jīng)菌株處理后，結(jié)晶放熱值為16.70 J/g，原油蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%，析蠟點(diǎn)為44.80 ℃，析蠟高峰點(diǎn)為21.93 ℃。從以上結(jié)果分析得到，含蠟原油在經(jīng)菌株作用7 d 后，原油蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)、析蠟點(diǎn)以及析蠟高峰點(diǎn)均產(chǎn)生了顯著變化。原油蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低可降低含蠟原油輸送管道的結(jié)蠟程度，而析蠟點(diǎn)以及析蠟高峰點(diǎn)的降低表明該菌株在一定程度上可起到防蠟的作用[17?18]。

2.4 解烴菌降黏性能分析

含蠟原油經(jīng)菌株在最優(yōu)環(huán)境下作用7 d 后，通過(guò)流變儀測(cè)得原油黏度變化如圖6 所示。從圖6 中可以看出，含蠟原油經(jīng)菌株處理后，非牛頓流體黏度下降較為顯著，反常點(diǎn)由53 ℃降為50 ℃。這表明該菌株通過(guò)除蠟降低了原油黏度，改善了流動(dòng)性，可大幅降低含蠟原油管輸費(fèi)用[19]。

圖6 解烴菌處理前后原油黏溫曲線Fig. 6 Crude oil viscosity?temperature curve before and after treatment by hydrocarbon?decomposing bacteria

3 結(jié) 論

（1）在室內(nèi)條件下，從被大慶原油污染的土壤中篩選出一株解烴菌。該菌種在36 ℃、pH 7.0、搖床轉(zhuǎn)速150 r/min 的培養(yǎng)環(huán)境下，生長(zhǎng)狀況較好。

（2）經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，該解烴菌代謝產(chǎn)物性能乳化指數(shù)為71%，具有較強(qiáng)的表面活性和排油活性，可使液體表面張力從78.34 N/m 降低到39.49 N/m，在一定程度上增強(qiáng)蠟的溶解。

（3）含蠟原油經(jīng)解烴菌處理后，蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低54%，析蠟點(diǎn)降低2 ℃，反常點(diǎn)降低3 ℃，黏度降低15%，有效改善了大慶原油的流動(dòng)性，適用于一定條件下含蠟原油的開(kāi)采及輸送，為輸油管道清防蠟提供了另一種方法。