產(chǎn)乳化劑菌株及其在提高采收率中的研究進(jìn)展

何 欣，馬天祥?，于 洋，劉 琦，牛建杰

（1.中國(guó)石油大慶煉化公司，黑龍江 大慶 163411；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，溫室氣體封存與石油開(kāi)采利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

經(jīng)衰竭開(kāi)采和注水開(kāi)采后，仍有約65%的原油由于自身粘度和較高毛細(xì)管力被保留在油藏中［1］。傳統(tǒng)表面活性劑驅(qū)油理論認(rèn)為，降低油/水界面張力至超低（10-3mN/m）能有效提高原油采收率。然而，近年來(lái)部分研究表明油/水界面張力降至超低并非剝離儲(chǔ)層殘余油滴的必要條件，界面張力降低也不是衡量提高驅(qū)油效率的唯一指標(biāo)［2，3］?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，即使一些性能優(yōu)異的表面活性劑能將油/水界面張力降低至10-4mN/m，也不能達(dá)到較好的驅(qū)替效果。而且在一些驅(qū)油效果較好的表面活性劑驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)均發(fā)現(xiàn)采出液中存在明顯的乳化現(xiàn)象，且驅(qū)替效率與乳化程度成正比［2］。研究表明，雖然表面活性劑能通過(guò)降低界面張力使得殘余油從地層中脫附，但在后續(xù)長(zhǎng)距離的驅(qū)替過(guò)程中可能出現(xiàn)再次被地層吸附的現(xiàn)象。油/水乳狀液的形成可以在一定程度上避免該負(fù)面現(xiàn)象的發(fā)生，因此原油的乳化在采油過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用［2，4~6］。

生物表面活性劑按照功能可以分為2類。

（1）是低分子量的表面活性劑，如糖脂、磷脂、脂肪酸、短肽鏈等，它們可快速吸附在油/水界面處，并在低濃度下降低油—水的界面張力；

（2）是分子量較高的生物乳化劑，通常由多糖、雜多糖、脂多糖、脂蛋白和蛋白質(zhì)復(fù)合混合物組成［7~9］，它們一般不會(huì)顯著降低油水界面張力，但對(duì)油—水界面具有很強(qiáng)的親和力，有助于乳液的形成和穩(wěn)定。

生物乳化劑可以通過(guò)乳化作用將原油乳化成細(xì)小的液滴，從而達(dá)到增大微生物與疏水性基質(zhì)的接觸面積、增加疏水性基質(zhì)的表觀溶解度和調(diào)節(jié)微生物在表面上的附著與脫離的目的。生物乳化劑具有易生物降解、低毒、以及在極端溫度和pH值下活性高等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域［10］。但在提高采收率領(lǐng)域中，諸如脂肽類、糖脂類低分子量的生物表面活性劑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，而生物乳化劑因產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高等原因限制其廣泛應(yīng)用，因此，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異且生產(chǎn)成本低的生物乳化劑是未來(lái)提高采收率研究的重要方向之一。

文中介紹了國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)生物乳化劑及其分類，分析了生物乳化劑發(fā)酵過(guò)程的影響因素及純化方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外生物乳化劑應(yīng)用于提高采收率領(lǐng)域的研究，并對(duì)生物乳化劑領(lǐng)域未來(lái)的研究和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 生物乳化劑生產(chǎn)

1.1 產(chǎn)生菌及主要生物乳化劑

生物乳化劑是由微生物代謝產(chǎn)生的大分子生物表面活性物質(zhì)，其由疏水、親水2部分構(gòu)成，故同時(shí)具有親脂和親水的性質(zhì)，酯鍵、酰胺鍵或糖苷鍵可將疏水部分和親水部分結(jié)合［11］。

生物乳化劑的疏水部分通常為飽和、不飽和或羥化的烴鏈；親水部分較為多樣化，可簡(jiǎn)單為脂肪酸的羧基，也可復(fù)雜到糖脂的多糖基［12］。故可根據(jù)親水基團(tuán)的不同將生物乳化劑分為糖蛋白、雜多糖、蛋白質(zhì)、脂多糖、脂蛋白/脂肽、糖脂蛋白等［13］。其中，糖蛋白型是最常見(jiàn)的生物乳化劑類型，抗輻射不動(dòng)桿菌（Acinetobacter radioresistens）所產(chǎn)的Alasan 與解脂假絲酵母（Candida lipolytica）所產(chǎn)的Liposan 即為典型的糖蛋白型生物乳化劑；森林土芽孢桿菌（Solibacillus silvestris）AM1也會(huì)產(chǎn)生1 種糖蛋白乳化劑，其中糖組分含量為3.6%，由半乳糖和五碳糖組成［14］。雖然大多數(shù)生物乳化劑中含有蛋白質(zhì)，但僅含蛋白質(zhì)的生物乳化劑目前發(fā)現(xiàn)較少，嗜熱甲酸甲烷桿菌（Methanobacterium thermoautotrophicum）細(xì)胞壁上結(jié)合1 種細(xì)胞相關(guān)蛋白具有較高的乳化活性，是為數(shù)不多的蛋白質(zhì)型生物乳化劑之一［15］。

Tao 等研究了枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）CICC 20034 產(chǎn)生的蛋白質(zhì)生物乳化劑AXE 的乳化活性，研究表明AXE 對(duì)短鏈脂肪族和苯衍生物表現(xiàn)出優(yōu)異的乳化效果［16］。此外，由多種物質(zhì)組成的生物乳化劑也較為常見(jiàn)，其組成通常包括多糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)。

Zheng等［17］從玉門油田分離出的2株地芽孢桿菌（Geobacillus pallidus）XS2 和 XS3 所產(chǎn)生物乳化劑經(jīng)化學(xué)組成分析此2 種生物乳化劑都是由雜多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)構(gòu)成。

曹嫣鑌等［18］篩選勝利油田不同區(qū)塊微生物，得到1株可乳化分散原油的細(xì)菌，經(jīng)鑒定為嗜熱脂肪地芽孢桿菌（Geobacillus stearothermophilus），代謝產(chǎn)物主要由糖類、脂類和蛋白質(zhì)組成［18］。

目前被國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的生物乳化劑主要有Emulsan、Alasan 和 Liposan 等，其來(lái)源微生物涉及不動(dòng)桿菌屬、芽孢桿菌屬、地芽孢桿菌屬等多個(gè)菌屬。其中，Emulsan 是由醋酸鈣不動(dòng)桿菌（Acinetobacter calcoaceticus）RAG-1 以乙醇或烴類為唯一碳源時(shí)分泌的1種胞外生物乳化劑，由陰離子雜多糖和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物［19，20］。

Emulsan 是研究最早的也是研究最為詳細(xì)的生物乳化劑，是特別有代表性的生物乳化劑之一，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1［21］。

圖1 Emulsan的結(jié)構(gòu)

Alasan 是由抗輻射不動(dòng)桿菌KA53 分泌的1 種含有丙氨酸的陰離子型生物乳化劑，能有效乳化長(zhǎng)鏈烷烴、芳烴、多環(huán)芳烴、石蠟和原油等多種化合物，其乳化活性成分主要是蛋白質(zhì)，其中乳化能力最強(qiáng)的蛋白質(zhì)為外膜蛋白（OmpA）的類似物前體 AlnA［22，23］，其高度疏水性區(qū)域呈環(huán)狀折疊，有助于Alasan的乳化和增溶活性［24］。

Liposan是由解脂假絲酵母（Candida lipolytica）產(chǎn)生的1種由雜多糖和蛋白質(zhì)復(fù)合的生物乳化劑，包括83%的碳水化合物和17%的蛋白質(zhì)，其中碳水化合物部分是由葡萄糖、半乳糖和半乳糖醛酸組成的雜多糖［25］。

生產(chǎn)乳化劑的菌株來(lái)源廣泛且種類繁多，生物乳化劑種類也具有多樣性，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的產(chǎn)生物乳化劑的微生物見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)生物乳化劑的微生物

1.2 生物乳化劑的發(fā)酵與純化

生物乳化劑的生產(chǎn)過(guò)程可分為發(fā)酵和純化2個(gè)階段。生物乳化劑的生產(chǎn)成本高是生物乳化劑大規(guī)模應(yīng)用的主要限制和挑戰(zhàn)。微生物的種類會(huì)決定生物乳化劑的化學(xué)組成和乳化性能［54］。

1.2.1 影響生物乳化劑發(fā)酵的因素生物乳化劑主要是由微生物代謝產(chǎn)生的1 類生物高分子表面活性物質(zhì)，其產(chǎn)量及乳化能力對(duì)環(huán)境因素非常敏感［55］。因此，優(yōu)化培養(yǎng)條件是有效提高生物乳化劑產(chǎn)量與性能的重要途徑之一。為微生物生長(zhǎng)提供能量的碳源和氮源，以及微生物生長(zhǎng)的外在環(huán)境，如pH 值、溫度和礦化度等都會(huì)影響生物乳化劑的產(chǎn)量及乳化性能。

（1）營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。碳源既可為微生物提供能量，也會(huì)影響微生物代謝產(chǎn)物的類型和數(shù)量，生物乳化劑生產(chǎn)中使用的碳源主要包括糖類、烴類、植物油和醇類等［56］。但對(duì)部分菌株而言，當(dāng)僅使用水溶性碳源時(shí)產(chǎn)生的生物乳化劑較少甚至不產(chǎn)生，如此就需要在發(fā)酵時(shí)使用或摻入諸如植物油和烴類等非水溶性碳源。Ortega-de等［57］在對(duì)包氏不動(dòng)桿菌UAM25進(jìn)行碳源優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)相較于醇類和烴類，在以植物油為碳源時(shí)其乳化能力更高，可能是因?yàn)橹参镉涂芍苯舆M(jìn)入β循環(huán)。此外，碳源會(huì)影響生物乳化劑的類型。

Colin等［58］探究了以葡萄糖和甘油為碳源對(duì)擬無(wú)枝酸菌DSM 4525 生產(chǎn)生物乳化劑的影響，研究發(fā)現(xiàn)以葡萄糖為碳源制備的生物乳化劑主要是脂多糖，以甘油為碳源制備的生物乳化劑主要是多糖。近年來(lái)，有研究發(fā)現(xiàn)可以將工農(nóng)業(yè)廢棄物和副產(chǎn)品作為低成本碳源用于生物乳化劑生產(chǎn)。

Rulli 等［59］發(fā)現(xiàn)特基拉芽孢桿菌以粗甘油為碳源在培養(yǎng)24 h 后可產(chǎn)生2.8 g/L 的生物乳化劑，最大乳化活性為59%（E24）。產(chǎn)生物乳化劑菌株的碳源種類見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)生物乳化劑菌株的碳源種類

氮源是生物乳化劑生產(chǎn)的另1 種重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，目前廣泛使用的氮源包括無(wú)機(jī)氮源和有機(jī)氮源，常見(jiàn)的氮源如 NaNO3、（NH4）2SO4、NH4NO3、尿素及其混合物等［64］。

Dastgheib 等［65］對(duì) 1 株地衣芽孢桿菌進(jìn)行了培養(yǎng)基優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)以酵母提取物為唯一碳源，選取Na2CO3為氮源時(shí)乳化活性最佳。

Leonardo 等［66］在對(duì) 1 株熒光假單胞菌進(jìn)行培養(yǎng)基優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以0.4 g/L 酵母浸粉和3.7 g/L NH4NO3為混合氮源時(shí)可以產(chǎn)生糖脂類乳化劑，而在缺少其中1 種氮源的條件下則會(huì)抑制生物乳化劑的產(chǎn)生。

李忠洋等［67］在厭氧條件下探究了地衣芽孢桿菌的生長(zhǎng)代謝過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電子受體（NaNO3）的引入可以提高菌株的乳化和產(chǎn)氣能力。

（2）溫度、pH 與礦化度。一般而言，微生物代謝生物乳化劑的最適溫度為30 ℃左右，但目前已發(fā)現(xiàn)部分嗜熱菌可在較高溫度（75 ℃）下正常代謝生物乳化劑，主要涉及地芽孢桿菌屬和白色芽孢桿菌，為在高溫油藏中原位生產(chǎn)生物乳化劑提供了可能［68］。此外，微生物代謝生物乳化劑的最適宜pH 值為7 左右，而一些不動(dòng)桿菌屬的生物乳化劑產(chǎn)生菌株pH 值范圍較為寬泛，在pH 值3~12 之間均有菌株能保持正常代謝［7］。而無(wú)機(jī)鹽和微量金屬離子也對(duì)不同菌株的生物乳化劑生產(chǎn)有著不同程度的影響［69］。Noudeh等［70］在對(duì)地衣芽孢桿菌PTCC 1595 進(jìn)行培養(yǎng)基優(yōu)化時(shí)，發(fā)現(xiàn)添加錳鐵離子后生物乳化劑產(chǎn)量明顯上升。

Monticello 等［71］研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)假單胞菌時(shí)，若缺少M(fèi)g2+則其發(fā)酵液乳化活性將明顯降低。

生物乳化劑在極端pH 值、溫度和礦化度下均可有效穩(wěn)定乳液，在各領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

Xia 等發(fā)現(xiàn)紅平紅球菌（Rhodococcus erythropolis）OSDS1 在不同 NaCl 濃度（0~35 g/L NaCl）下能制備出高穩(wěn)定性的生物乳化劑［55］。蒙氏腸球菌Tw278 產(chǎn)生的生物乳化劑在溫度（37~100 ℃）、pH（2~10）和NaCl 濃度（5%和20%）變化過(guò)程中均比合成表面活性劑具有更高的穩(wěn)定性［62］。

Zheng 等［60］利用響應(yīng)面法探究了溫度、pH 和鹽度對(duì)生物乳化劑穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)蒼白空氣芽胞桿菌YM-1 溫度高于60 ℃乳化活性會(huì)輕微下降，pH 值為 9~12 時(shí)乳化活性最高，NaCl 濃度大于5%時(shí)也可表現(xiàn)出較好的鹽度耐受力。

1.2.2 生物乳化劑的純化在生物乳化劑發(fā)酵完成后，發(fā)酵液中生物乳化劑濃度往往低于應(yīng)用時(shí)所需濃度，因此需對(duì)生物乳化劑進(jìn)行分離與純化，其純化方法可大致分為萃取法、沉淀法、超濾法和層析法等［69］。

有機(jī)溶劑萃取法是純化含脂類生物乳化劑的常用方法，其中氯仿/甲醇混合萃取溶劑對(duì)脂肽類生物乳化劑具有良好的純化效果，乙醇對(duì)硝酸鹽陰性不動(dòng)桿菌SM7 菌株所產(chǎn)的糖蛋白類生物乳化劑具有良好的萃取效果［33］。

沉淀法按照所用試劑不同大致可分為鹽析、酸沉淀和有機(jī)溶劑沉淀。

王志榮等［72］利用75%飽和度硫酸銨從沙雷氏菌屬培養(yǎng)液中提純出了生物乳化劑。乙醇、丙酮和甲醇等有機(jī)溶劑則一般用于分離含有多糖和蛋白質(zhì)的生物乳化劑，2 倍體積冷乙醇可將屈撓桿菌（Flexibacter sp。）TG382 所產(chǎn)的糖蛋白類生物乳化劑提純［73，74］。

超濾法則是針對(duì)生物乳化劑分子量較大的特點(diǎn)，利用超濾膜選擇性通過(guò)氨基酸和無(wú)機(jī)鹽等小分子，從而實(shí)現(xiàn)生物乳化劑的純化回收［75］。

層析法方面，土地桿菌屬M(fèi)CC-Z 代謝的生物乳化劑可利用凝膠層析柱Sephadex GC-25 進(jìn)行分離，然后用去離子水洗脫實(shí)現(xiàn)提純［69，76］。

此外，結(jié)晶、滲析和泡沫分離等純化方法也在生物乳化劑純化中有所應(yīng)用［77，78］?？筛鶕?jù)生物乳化劑的分子特性，如分子量大小、離子電荷性質(zhì)以及需分離生物乳化劑的數(shù)量、分離純化目的等方面選擇不同的分離方法［79］。

2 生物乳化劑在提高采收率中的應(yīng)用

微生物代謝產(chǎn)生的生物乳化劑具有易生物降解、低毒、以及在極端溫度和pH 值下活性高等優(yōu)點(diǎn)，使其在提高采收率領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力。

在采油過(guò)程中，一方面生物乳化劑可通過(guò)乳化作用穩(wěn)定驅(qū)替液中脫附的原油，增強(qiáng)所形成乳狀液的穩(wěn)定性，由于形成的油/水乳狀液粘度較大，將繼續(xù)擴(kuò)大波及體積從而提高原油采收率［80］；另一方面以原油為碳源的菌株代謝產(chǎn)生的生物乳化劑，通過(guò)將原油乳化成更小的油滴以增大菌體與原油的接觸面積，從而有利于原油的降解［81］，原油中的重質(zhì)組分降解后原油的粘度降低，從而提高采收率。此外，也有研究表明生物乳化劑可提高儲(chǔ)層高滲區(qū)域的流動(dòng)阻力，降低含水率并提高注入液體積［82］。

目前在提高原油采收率領(lǐng)域被廣泛研究的產(chǎn)生物乳化劑菌株主要為不動(dòng)桿菌、地芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等種屬，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的生物乳化劑 Emulsan，Biodispersan 和 Alasan 也均來(lái)自不動(dòng)桿菌屬［7］。滕小蘭等［83］從油田污水中分離出 1 株產(chǎn)脂多糖類生物乳化劑的醋酸鈣不動(dòng)桿菌BH-1，其所產(chǎn)的生物乳化劑對(duì)煤油的乳化效率為80%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%時(shí)即可與稠油形成穩(wěn)定的油/水乳狀液。

Zhao 等［64］發(fā)現(xiàn)當(dāng)利用十六烷為碳源培養(yǎng)拜氏不動(dòng)桿菌ZRS 時(shí)，其可產(chǎn)生1 種新型生物乳化劑（糖脂蛋白復(fù)合物）在pH 為9~12 和溫度為4~60 ℃的環(huán)境下能形成穩(wěn)定乳狀液，在提高采收率方面具有應(yīng)用潛力。

地芽孢桿菌屬（Geobacillus sp。）為革蘭氏陽(yáng)性，需氧或兼性厭氧，可形成孢子的桿狀細(xì)菌，其生長(zhǎng)溫度范圍在35~75 ℃之間，適宜pH 值為6.2~7.5 之間［84］。地芽孢桿菌攝取并利用石油烴類的基礎(chǔ)來(lái)源于其所產(chǎn)的胞外多糖蛋白復(fù)合物或稱為胞外多糖（Exopolysaccharides，EPSs），是具有良好乳化性能的生物乳化劑［85］。

地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）能夠代謝脂肽類和糖脂蛋白類等生物乳化劑并在提高采收率中得到了應(yīng)用。Suthar 等［80］從油藏中分離出的地衣芽孢桿菌K125 可以產(chǎn)生1 種包含多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的生物乳化劑，乳化活性為66%（E24），可以提高43±3.3%的采收率。

Dastgheib 等［65］分離出的地衣芽孢桿菌 ACO1所產(chǎn)生的生物乳化劑乳化活性為65±5%（E24），在模擬巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中原油采收率提高了22%。

Noudeh 等［70］從地衣芽孢桿菌 PTCC1595 上清液中分離出脂肽類生物乳化劑，其對(duì)液體石蠟具有良好的乳化作用。

已用于提高采收率領(lǐng)域或具有潛在應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)生物乳化劑菌株及其作用效果見(jiàn)表3。

表3 可用于采油過(guò)程的生物乳化劑及其作用效果

3 結(jié)束語(yǔ)

生物乳化劑具有乳化性能優(yōu)異、環(huán)境友好和乳液穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，在提高采收率領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，生物乳化劑還存在著所需濃度較高、生產(chǎn)成本過(guò)高和原位生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)量較低等問(wèn)題。目前，生物乳化劑在提高原油采收率領(lǐng)域的應(yīng)用研究還不夠深入，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究也較少。下一階段的工作可集中于2方面。

（1）生產(chǎn)方面：通過(guò)基因工程手段進(jìn)行定點(diǎn)突變以改變生物乳化劑產(chǎn)生菌株，或向培養(yǎng)基中加入特殊前體以控制生物乳化劑結(jié)構(gòu)，從而得到性狀更優(yōu)異的菌株或乳化性能更加優(yōu)異的生物乳化劑；通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件以提高生物乳化劑產(chǎn)量，或選擇和改進(jìn)純化工藝以降低成本；篩選能在油藏特殊環(huán)境中高產(chǎn)生物乳化劑的菌株。

（2）應(yīng)用方面：驅(qū)替過(guò)程中，乳化機(jī)理可分為乳液形成和乳液穩(wěn)定，表面活性劑通過(guò)降低油/水或油/巖石之間的界面張力而使盲端殘余原油脫附易于形成乳液，而生物乳化劑則通過(guò)穩(wěn)定被脫附的原油，提高了乳狀液驅(qū)替過(guò)程中的穩(wěn)定性，從而提高原油采收率。因此，通過(guò)將生物乳化劑與表面活性劑復(fù)配或能更好的驅(qū)替油藏中的殘余油，未來(lái)需進(jìn)一步加強(qiáng)此方面的研究。

生物乳化劑在提高采收率中的研究雖起步較晚，但隨著其生產(chǎn)過(guò)程的不斷優(yōu)化，復(fù)配體系和添加劑的持續(xù)研發(fā)，有望進(jìn)一步降低成本和提高驅(qū)油效率。此外，由于原油價(jià)格的劇烈波動(dòng)，以石油為底物合成的各類化學(xué)試劑進(jìn)行驅(qū)油的手段不具備經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。而生物乳化劑的發(fā)酵原料則主要以農(nóng)業(yè)產(chǎn)品或副產(chǎn)品為主，其成本較低且不受原油價(jià)格波動(dòng)的影響，在未來(lái)具有較為廣闊的應(yīng)用前景。