生物表面活性剂的生产及其在石油化工中的应用研究

(四川化工职业技术学院，四川泸州 646005)

1 引言

生物表面活性剂(简称BS)是细菌、真菌和酵母在特定条件下，在其生长过程中分泌出的表面活性的代谢产物。与传统的以石油为原料合成的化学表面活性剂相比，生物表面活性剂具有表面活性高，乳化能力强;具有良好的热稳定性和化学稳定性;不会对环境造成污染和破坏，专一性强，生产工艺简便;原料价廉易得。因此，随着社会的进步与发展和人们环保意识的增强，生物表面活性剂取代化学合成表面活性剂将成为必然趋势。

2 生物表面活性剂的分类与来源

生物表面活性剂的分类主要是根据它的化学组成和微生物来源。根据亲水基的不同，可将生物表面活性剂分为5类:①以糖为亲水基的糖脂类，如鼠李糖脂、槐糖脂和海藻糖脂;②以低缩氨酸为亲水基的含氨基酸类脂，如脂肽、脂蛋白和脂氨基酸;③以磷酸为亲水基的磷脂，如磷脂酰乙醇胺;④以羧酸基为亲水基的脂肪酸，如甘油酯、脂肪酸、脂肪醇和蜡;⑤结合多糖、蛋白质及脂的聚合物，如脂多糖复合物和脂杂多糖。表1［1］列出了生物表面活性剂的种类及其微生物来源。

表1 生物表面活性剂的微生物来源

3 生物表面活性剂的生产工艺

生物表面活性剂的合成方法分为两类，微生物发酵法和酶催化法。国内外对微生物法合成生物表面活性剂已做了大量的研究，并在发酵过程中分离和鉴定了不同种类的微生物和产生的相应生物表面活性剂。

3.1 微生物发酵生产生物表面活性剂

3.1.1 生物表面活性剂产生菌的选育

选育生物表面活性剂产生菌的关键在于建立有效的筛选模型。表2介绍了目前常采用的一些筛选生物表面活性剂产生菌的方法。

表2 生物表面活性剂产生菌的筛选方法

从表2中可以看出，以下方法都各有优缺点。因此，在实际筛选生物表面活性剂生产菌的过程中，通常会将2～3种方法结合起来使用［2］。

3.1.2 生物表面活性剂的发酵工艺研究

影响生物表面活性剂的因素有培养基组成和环境因素。

3.1.2.1 碳源对生物表面活性剂发酵生产的影响

许多研究发现，碳源对生物表面活性剂的种类和产量都会产生重要影响。Finnerty和Singer曾报道［11］，脂肽类生物表面活性剂Surfactin中的脂肪酰部分和短肽部分都是直接从糖类合成的。Arlhrobacter paraffineus产生的糖脂类生物表面活性组成会随培养基碳源而变化;当碳源为果糖时，A.paraffineus就会产生果糖脂;当碳源为蔗糖时，则产生葡萄糖脂和蔗糖脂［12］。

玉米油、猪油(富含非饱和及饱和脂肪)和长链醇类能强化生物表面活性剂的产量(100～165 mg/g底物);葡萄糖和琥珀酸盐之类的亲水性碳源却导致低产量(12～36 mg/g底物)。在Torulopsis bombicola生产各种槐糖脂时，在含10%D－葡萄糖的液体培养基中加入油性基质植物油能够提高生物表面活性剂产率，产量达到 80 g/L［14－15］。

3.1.2.2 氮源对生物表面活性剂发酵生产的影响

研究表明，氮源对微生物生产生物表面活性剂有关键作用。Peypoux和 Michel的研究表明［16］，培养基中L－氨基酸的浓度能够对生物表面活性剂Surfactin Val－7或Leu－7的生物合成结构产生影响。Yakimov等的研究也显示，在培养基中添加L－谷氨酸和L－天门冬氨酸可以使Bacillus licheniformis BAS50生产的脂肽类生物表面活性剂lichenysin－A产量分别增加2倍和4倍。Pseudomonas 44T1在橄榄油中生产生物表面活性剂的最好氮源是硝酸盐。

3.1.2.3 金属阳离子对生物表面活性剂发酵生产的影响

限制多价阳离子对生物表面活性剂的产量有积极影响。Guerra－Santos等的研究揭示［17］，减少培养基中镁离子、钙离子、钾离子或钠离子的浓度能够促进P.aeruginosa DSM 2659合成鼠李糖脂。限制铁离子浓度可以提高P.fluorescens［18］和P aeruginosa的生物表面活性剂产量。

3.1.2.4 环境因素对生物表面活性剂发酵生产的影响

影响生物表面活性剂产量较多的环境因素有pH值、温度、氧浓度和盐度。Desai和Banat的研究证实［19］，温度、pH值和氧浓度等环境因素可以通过影响细胞的生长和活力来影响生物表面活性剂的产量。盐浓度同样可以通过影响细胞活力的方式来影响生物表面活性剂的产量，但是高浓度的盐对有些产物的产量并没有多大影响［20］。

3.1.3 生物表面活性剂的分析

微生物产生的生物表面活性剂具有多种化学结构，不同微生物产生的表面活性剂不同，其分析方法也是多种多样的。生物表面活性剂的结构分析方法主要有:薄层色谱层析、高效液质联用法、高效气质联用法、傅里叶红外光谱法、核磁分析等。

3.1.4 生物表面活性剂的分离和纯化

用于石油工业的生物表面活性剂可以直接使用发酵液，而用于食品和医药等行业的生物表面活性剂则对产品的纯度要求较高。华兆哲等［21］利用三氯甲烷和丙酮混合液作为洗脱液进行硅胶柱层析可获得甘露糖赤藓糖醇脂，Kim等采用(NH4)2SO4分级分离，冷冻丙酮和正己烷处理、硅胶柱层析和Sephadex LH－20凝胶柱层析等步骤。在分离生物表面活性剂，尤其是糖脂类生物表面活性剂时，较多采用溶剂法和硅胶柱法［12］。Kuyukina发现用叔丁基甲醚提取生物表面活性剂时，粗提液中收率高达10 g/L，CMC达130～170 mg/L，表面张力和界面张力分别为29 mN/m和29 mN/m。

3.2 酶催化法合成生物表面活性剂

酶法合成的表面活性剂分子多是一些结构相对简单的分子。酶促反应合成生物表面活性剂具有:①比发酵法合成品在结构上更接近化学合成商品表面活性剂，因而可以立即应用于化学合成产物原有的应用领域;②通过酶法处理，可以对亲油基结构进行修饰，并将之接驳到生物表面活性剂的亲水基结构上;③酶法反应具有专一性，可在常温和常压下进行，产物易回收，副产物少。

酶法生产表面活性剂主要有非水溶剂催化法和无溶剂法，例如:使用根霉脂肪酶、假单胞菌脂肪酶等催化生成脂肪酸甘油单酯，胰脂酶和放线菌磷脂酶生产磷脂;由假丝酵母、毛霉、青霉、曲霉、紫色杆菌、假单胞菌的脂肪酶、胰脂酶，甚至由枯草杆菌生产的一种脂肽可生产不同的糖酯;由毛霉、根霉和假单胞菌脂肪酶可以生产含氨基酸类脂等。

4 生物表面活性剂在石油化工中的应用

生物表面活性剂应用潜力最大的是石油工业，它对生物表面活性剂的纯度和专一性要求不高，可直接使用含完整细胞的发酵液。

4.1 在石油开采中的应用

利用微生物提高石油采收率的技术目前前景看好。通过筛选合适的采油微生物，可产生各种生物表面活性剂，以满足不同原油和不同地质的要求。本世纪初，国内外许多油田研究机构已成功研制出了鼠李糖脂、槐糖脂、海藻糖脂等多种糖脂型生物表面活性剂，并在现场开采过程中取得良好的效果。

据报道，大庆油田分离得到一株枯草芽孢杆菌代谢的脂肽生物表面活性剂，研究表明，该脂肽表面活性剂具有优良的乳化和降低油水界张力的能力，并可适应油藏中复杂环境，可提高采收率9.2%，在微生物采油中具有较好的应用前景。Youssef等［20］的实验表明，在注入到石灰岩油藏后，芽孢杆菌能够产生生物表面活性剂并显著提高原油的产量。

4.2 在石油污染生物修复技术中的应用

有大量的研究成功地使用微生物和生物表面活性剂结合的方法来修复石油污染的土壤。P.aeruginosa产生的鼠李糖脂类生物表面活性剂能够增溶烃类化合物，强化其生物降解过程。Das和Mukherjee的研究表明［22］，B.subtilis DM－04和 P.aeruginosa M/NM这三株表面活性剂产生菌能够在原油污染的土壤中产生自然的、无毒的、可降解的表面活性剂;同时它们的生物表面活性剂能够在被降解前有效增强原油的生物降解。Bordoloi和Konwar的研究证实［23］，生物表面活性剂可以使烃类混合物的流动性 大 大 增 强;P.aeruginosaMTCC7814 和MTCC7815的产物能够增强多环芳烃的降解，它们在含有氟和菲的培养基中能分别产生0.38 g/L和0.45 g/L的生物表面活性剂。Saeki等直接对培养有生产表面活性剂产生菌Gordonia sp.JE－1058的培养液在无菌环境下进行喷雾干燥，制成能够在缺少溶剂情况下有效分散泄漏原油的修复剂JE1058BS;这种修复剂不仅可以通过强化土著海洋微生物的活性来增强泄漏原油的降解，而且它的添加还可以加快原油从被污染的海边沙滩的驱除［24］。

4.3 在原油清蜡和乳化中的应用

原油中含蜡量较高，会析出蜡晶体固着在井壁，堵塞孔隙通道，降低原油流动性和产量。生物表面活性剂可清洗井壁，溶解固形石蜡，提高原油产量。事实上，生物催化剂还不能完全对石蜡进行清除，只是把石蜡中的大分子物质分解为小分子液态有机物。开采出的原油中都含有水，水中又含盐分和其他杂质，会加大输送管线及设备的负荷;同时也会造成设备的腐蚀，对后续工作及相应设备带来不良影响。油中含水量过高或水中含油量过高，还会带来二次污染;因此输出前必须进行破乳脱水处理。

油田原油的破乳脱水技术主要应用的是添加化学破乳剂，但一般情况下，这些化学破乳剂的适应性差、选择性强、用量大、成本高、效果不佳。生物表面活性剂具有较强的破乳性，不仅能乳化碳氢化合物，而且无毒，能被生物完全降解，对环境不造成污染，还能稳定其乳化体系、分离、回收石油馏分，提高对资源的再利用。胜利油田应用HRB－4型生物破乳剂取得了显著的效果:原油含水低于15%，较原来降低10%，净化油含水≤0.5%［25］。

5 展望

生物表面活性剂是最近发展起来的一类新型表面活性剂，目前除了在石油工业受到重视外，在食品工业、洗涤化妆品、环境工程、生物医疗和农业等领域都有广泛的研究。今后，生物表面活性剂的发展方向主要是围绕在优化生产技术，降低成本，扩展应用范围，完善作用机理，消除可能造成的二次污染等问题上。随着科学技术的发展，生物表面活性剂在各领域的应用范围必将进一步扩大。

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