聚電解質(zhì)納米粒子作為酶破膠劑載體的性能研究

孟玉玲,趙 菲,郭丹丹,張志偉,李 旭,劉開泉,李丕武

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 生物工程學(xué)院,濟南 250353

長時間以來,我國增儲上產(chǎn)的主要資源來自自然產(chǎn)能較低的低滲透油藏。但是其基本不能滿足工業(yè)油流的標(biāo)準(zhǔn),必須進行壓裂改造后才可以進行有效的工業(yè)開發(fā)[1]。在典型的壓裂操作中,高性能的壓裂液應(yīng)該在施工過程中保持高粘度,而結(jié)束施工后又能完全破膠[2]。這樣就必須向壓裂液中加入破膠劑(氧化劑或酶),降解聚合物從而降低粘度[3]。酶通常被用作破膠劑來降解瓜爾膠主鏈上甘露糖之間的醚鍵,然而,在高溫環(huán)境中,酶容易變性,失去了催化活性,這限制了酶作為壓裂液的破膠劑的應(yīng)用[4-6]。

為了提供這些特性和保護酶破膠劑免受環(huán)境因素的影響,破膠劑可以封裝在一個特殊的聚合物中,以實現(xiàn)控制釋放和延遲斷裂過程[7-11]。盡管封裝破膠已經(jīng)存在了一段時間,但大多數(shù)都是樹脂類封裝劑。由于樹脂包被劑分布不均勻,且在破膠過程中有些樹脂包被劑不會完全破裂或不破裂,造成壓裂液不完全破膠,使返排受阻[12-14]。因此,采用了一種最初為藥物輸送應(yīng)用開發(fā)的納米粒子體系-聚乙烯亞胺(polyethylenimine ,PEI)-硫酸葡聚糖(dextran sulfate ,DS)聚電解質(zhì)復(fù)合納米粒子(polyelectrolyte composite nano-particles ,PECNPs),并對其控釋行為進行了研究[15-17]。

PECNPs是在低濃度下陽離子包被劑PEI和陰離子包被劑DS通過靜電交替吸附作用進行層層自組裝形成的微膠囊結(jié)構(gòu),在混合過程中添加了帶電的甘露聚糖酶分子,它會并通過靜電和空間相互作用將其結(jié)合到微膠囊中,并且聚電解質(zhì)納米粒子外表面上的多余電荷有助于其膠體穩(wěn)定性[18-20]。使用這種納米微粒后,可以將破膠劑與壓裂液均勻混合,在注入時不會馬上釋放出甘露聚糖酶。在一定時間后,表層的包被劑因地層溫度和壓力的改變破裂釋放出甘露聚糖酶與壓裂液反應(yīng),使壓裂液開始破膠。

1 實驗部分

1.1 酶的添加順序?qū){米粒子緩釋性能的影響

制備0.4%w/w的瓜膠溶液,將配置好的溶液在600 rpm下再攪拌5 min,然后將攪拌速率降低到400 rpm又1 h,最后使該聚合物在200 rpm下再水合3 h。將pH調(diào)節(jié)至7。

將500 mL 0.4%w/w瓜爾膠置于30 ℃水浴鍋中,待其溫度穩(wěn)定后分別與3.1 mL的不同類型的納米粒子(見表1)均勻混合,混合后,用SNB-4數(shù)字粘度計測量壓裂液的粘度變化。設(shè)置對照組,測量0.1 mL 25%w/w 游離酶與30 ℃的瓜爾膠溶液混合均勻后的粘度變化。比對不同類型納米粒子的破膠效果。

表1 納米粒子體系在PEI、DS和甘露聚糖酶的添加順序上的差異 mL

1.2 溫度對納米粒子緩釋性能的影響

在典型配方中,將0.1 mL的25%w/w甘露聚糖酶溶液攪拌下逐滴添加2 mL 1%w/w的PEI(調(diào)節(jié)pH為7)水溶液,然后再將1 mL 1%w/w DS(調(diào)節(jié)pH為7)水溶液滴加到混合溶液中,再以600 rpm攪拌20 min。負(fù)載著25%w/w的甘露聚糖酶的納米顆粒備用。

用SNB-4數(shù)字粘度計分別在測定30 ℃、50 ℃和70 ℃條件下納米粒子與瓜爾膠混合均勻后的粘度變化,設(shè)置對照組,對比等量游離酶的破膠性能。

1.3 聚電解質(zhì)納米粒子的儲存穩(wěn)定性的測定

納米粒子在儲存5 d、10 d、15 d后,測試在30 ℃條件下納米粒子的緩釋性能。

1.4 聚電解質(zhì)納米粒子的粒徑和Zeta電位的測量

為了進一步探究納米粒子合成的機理,對其粒徑和Zeta電位進行表征,使用Zeta電位和納米粒徑測定儀(馬爾文公司)測量不同pH值的納米粒子的平均粒徑。用去離子水將納米顆粒的樣品稀釋約40倍。記錄的數(shù)據(jù)是通過檢測90°角處的光散射得到的三個測量值的平均值。還使用同一儀器通過相分析光散射測量了這些樣品的Zeta電位。將樣品用1.0 mmol KCl溶液稀釋約20倍。取每個樣品的三個測量值的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 酶的添加順序?qū){米粒子緩釋性能的影響

圖1 不同類型納米粒子破膠效果

從圖1可以看出PEI-DS納米粒子具有一定的緩釋性能,在30 ℃條件下延長破膠時間大約為60 min。混合添加順序?qū){米粒子的形成有很大的影響,在添加DS之前先添加甘露聚糖酶,納米粒子對酶分子的包封率高于將甘露聚糖酶添加到預(yù)先形成的PEE-DS納米粒子中,差別幾乎可以肯定是由于高分子量的酶分子無法插入到預(yù)先形成的PEI-DS顆粒中造成的,因此最后添加DS的添加順序制成的納米粒子的破膠效果最好。我們對類型B的納米粒子進行了進一步的研究。

2.2 溫度對納米粒子緩釋性能的影響

注: a)30 ℃下納米粒子與游離酶的破膠效果對比；b)50 ℃下納米粒子與游離酶的破膠效果對比；c)70 ℃下納米粒子與游離酶的破膠效果對比。

30 ℃、50 ℃和70 ℃條件下納米粒子和游離酶分別與瓜爾膠混合均勻后的粘度變化如圖2所示,在30 ℃和50 ℃條件下,納米粒子分別能延緩破膠時間約60 min,當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃,破膠時間僅能延緩30 min。溫度在一定程度上影響了納米粒子的緩釋性能。合適的溫度是重要的因素,過高的溫度會使納米粒子結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞。

2.3 聚電解質(zhì)納米粒子的儲存穩(wěn)定性的測定

圖3 不同儲存時間的納米粒子破膠效果

納米粒子的儲存穩(wěn)定性如圖3所示,儲存10 d之后,徹底破膠時間稍微延長,儲存15 d之后納米粒子的破膠效果出現(xiàn)了明顯的下降,由此我們推斷,納米粒子儲存一段時間后酶的活性有所下降導(dǎo)致無法完成破膠任務(wù),但是10 d之內(nèi)對酶活性影響效果較小。

2.4 聚電解質(zhì)納米粒子的粒徑和Zeta電位的測量

圖4 納米粒子粒徑和Zeta電位隨pH的變化

在pH范圍(6.0～8.5)內(nèi)測量了納米粒子的大小和Zeta電位如圖4所示。在測試范圍內(nèi),包被甘露聚糖酶的PEI-DS納米粒子的Zeta電位隨著pH的升高而降低,而粒徑在pH=7附近顯示最大,然后隨著pH的進一步升高而降低。這一現(xiàn)象推測是因為PEI上的電荷取決于pH。在PEI的等電點(10.8)時,PEI不帶電并且不緊湊的纏繞。 隨著pH值的降低,越來越多的仲胺基團被中和成-NH+-。這增加了PEI上的電荷密度,靜電排斥導(dǎo)致聚合物形成更伸展的構(gòu)型,從而增加了帶電基團與DS或酶上負(fù)電荷相互作用的可能性。相反,隨著pH值的升高并接近等電點,PEI的電荷更少且更緊湊,從而導(dǎo)致顆粒中的凈正電荷的量減少和PEI之間的排斥力減小,從而減小了粒徑。因此,環(huán)境pH是影響納米粒子形成的重要的因素,并且隨著環(huán)境pH升高,Zeta電位減小,納米粒子的粒徑減小。

3 結(jié) 論

實驗制成的PEI-DS納米粒子有一定的緩釋性能,探討了酶的混合順序?qū)垭娊赓|(zhì)納米粒子形成和緩釋性能的影響,30 ℃條件下,在添加DS之前加入酶形成的納米粒子可延長壓裂液的破膠時間約為60 min。

甘露聚糖酶的適用溫度在30～70 ℃,在現(xiàn)場使用的時候應(yīng)注意地層溫度對納米粒子結(jié)構(gòu)的影響,過高的溫度會使納米粒子結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞。納米粒子儲存至少10 d之內(nèi),納米粒子的作用效果不會有很大的變化,實際應(yīng)用中可對延長納米粒子的儲存穩(wěn)定性進行進一步的研究。

另外,pH也是影響納米粒子形成的重要的因素,納米粒子的適用pH在6～8.5范圍內(nèi),納米粒子的粒徑和電位會隨著pH的升高而減小。

據(jù)作者所知,在油田行業(yè)中尚未有緩釋甘露聚糖酶破膠劑的材料。 這種新型納米粒子的引入也將有助于改善甘露聚糖酶破膠劑的較高溫度和pH耐受性,在利用生物酶破膠劑提高低滲透油藏產(chǎn)量方面有著巨大的潛力。