生物表面活性剂在稠油降黏中的特性研究

吴 涓， 黄 杨， 左珊珊

(安徽大学 资源与环境工程学院， 合肥 230601)

生物表面活性剂在稠油降黏中的特性研究

吴 涓， 黄 杨， 左珊珊

(安徽大学 资源与环境工程学院， 合肥 230601)

从辽河油田某处土壤中分离筛选得到一株优良的生物表面活性剂产生菌A3。通过16S rRNA基因序列相似性分析，将其鉴定为铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)。薄层层析(TLC)和红外光谱分析表明，该菌株所产生物表面活性剂为糖脂类生物表面活性剂。对生物表面活性剂在稠油降黏中的特性进行了探究，结果表明，生物表面活性剂的用量、温度、矿化度对稠油乳状液的降黏均有一定的影响。在30℃～50℃范围内，稠油乳状液的黏度变化幅度不大，降黏率可达85.7%。当稠油乳状液矿化度高达20 g/L时，降粘率为77.1%。当生物表面活性剂在降黏体系中的浓度为3.33 mg/L，于30℃下反应30 min时，稠油的降黏率最大可达到96.7%。无论是在表面活性剂的加入量、还是在灵敏性以及降黏性能方面，生物表面活性剂均优于十六烷基三甲基溴化铵。

筛选；生物表面活性剂；表面张力；稠油；降黏

生物表面活性剂是微生物合成的具有双亲性的一类化合物，包括糖脂类、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂类、高分子聚合物，以及微粒生物表面活性剂等不同种类[1]。与化学表面活性剂相比，生物表面活性剂由于具有无毒、能生物降解等优点，已在石油的降解、提高原油采收率、重油污染土壤的生物修复等领域得到广泛应用[2-3]。

随着常规油可开采储量的日益减少，国内能源供应日趋紧张，有效、经济地开采稠油越来越受到重视[4]。然而稠油的密度大、黏度大、凝点高、流动性差等特性给其开采和输送带来了很大困难[5-6]，增加了开发成本。因此，如何降低稠油黏度、改善其流动性是稠油开发过程中的关键问题。目前国内外稠油开采过程中采用的降黏方法主要有：物理降黏法、化学降黏法、改质降黏法和微生物降黏法[7]，其中微生物降黏的机理之一是利用微生物所产的生物表面活性剂来降低水溶液和烃类物质的表面张力，形成O/W结构，达到乳化原油、降低稠油黏度和提高稠油流动性的目的，进而提高原油采收率[8-10]。

与其他降黏法相比，微生物降黏法具有效率高、稳定性好、无二次污染、在极端条件下仍有效等优点，具有良好的发展前景[11-13]。齐义彬等将一株芽孢杆菌QB26和一株假单胞菌T-1复配后作用于稠油，可显著改善稠油的乳化效果[14]。易绍金等培养出的菌株WS-SPB具有良好的普适性和降黏性能，其对3个油田的稠油的降黏率均可达到50%以上[15]。Desouky等发现一些细菌在盐浓度高达75 000 mg/L时仍可产生具有乳化性能的表面活性物质[16]。

本研究从辽河油田的石油污染土壤中分离出一株性能优良的生物表面活性剂产生菌，以辽河油田的稠油为研究对象，对生物表面活性剂在稠油降黏中的特性进行了研究。

1 材料与方法

1.1 菌种

本实验中所用菌株A3分离自被石油污染的土壤样品，土壤样品取自辽河油田。该菌株能以原油为唯一碳源生长，16S rRNA(GenBank序列号为KC137277.1)与铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)的同源性为100%。

1.2 实验材料

实验用表面活性剂是从所筛选的菌株A3的发酵液中提取的生物表面活性剂，原油样品取自辽河油田的脱水脱气稠油，30℃时黏度为3180 mPa.s。

实验仪器主要包括NDJ-79型旋转黏度计，QBZY-1型全自动表面张力仪。

1.3 实验方法

1.3.1 生物表面活性剂的提取

将发酵液离心(12 000 r/min，20 min，4℃)，取上清液用6 mol /L盐酸调至pH 2.0，出现乳白色絮状沉淀，4℃静置过夜。12 000 r/min离心20 min，收集沉淀，用pH 2.0的盐酸溶液反复洗涤2次，离心后收集沉淀。在沉淀中加入0.105 mol/L的NaHCO3溶液，用1 mol/L的NaOH溶液调节pH值至7.0，得到棕黄色样品溶液(粗品)。用氯仿/甲醇(V∶V=1∶1)萃取3次，合并有机相。再进行旋转蒸发，得棕色黏稠物，将黏稠物冷冻干燥。

1.3.2 薄层层析分析

将冷冻干燥后的样品用甲醇溶解，进行薄层层析分析[17]。分别以苯酚-硫酸试剂(糖脂显棕黄色)、磷钼酸-乙醇试剂(磷脂显蓝绿色)和茚三酮为显色剂(脂肽显紫红色)，观察显色斑点的颜色[18]。

1.3.3 红外光谱分析

采用FTIR-650傅立叶变换红外光谱仪对冷冻干燥后的生物表面活性剂样品进行红外光谱扫描。

1.3.4 生物表面活性剂对稠油的降黏实验

稠油的黏度采用NDJ-79型旋转黏度计测量。在测量容器中加入15 mL稠油，在一定温度下水浴1 h，测定其黏度(η0)。用去离子水配制生物表面活性剂水溶液，在相同温度下加热30 min，受热均匀后，按一定的油水比将生物表面活性剂水溶液加入到油样中。打开黏度计，用转子搅拌成乳状液，反应30 min后，在第3、5和8 min分别读取黏度值，并取其平均值作为稠油乳状液的黏度(η1)。降黏率R的计算公式如下：

式中：R为降黏率；η0为稠油的原始黏度，mPa·s；η1为加入生物表面活性剂后稠油的黏度，mPa·s。

在本文的所有实验中，每个样品均做3次平行实验，取其平均值为最终结果。

2 结果与讨论

2.1 生物表面活性剂的化学性质

从菌株A3发酵液中提取的生物表面活性剂呈棕黄色黏稠状，萃取并冷冻干燥。薄层层析的分析结果显示硅胶板上的斑点为棕黄色，而使用磷脂、脂肽类显色剂则没有任何颜色变化，可初步判定菌株A3所产生物表面活性剂属于糖脂类。

图 1 菌株A3所产生物表面活性剂的红外吸收光谱图

红外光谱法分析结果如图1所示，由图1可以看出，在 3500～3000 cm-1处有较强的吸收带，这说明有大量的-OH存在；1400～1200 cm-1波段处有糖类的一些特征吸收峰。如1400 cm-1处是糖类C-H 的变角振动，1100 cm-1处是 C-O-C 键的伸缩振动。C=O伸缩振动出现在1900～1630 cm-1，1750 cm-1处的吸收峰是 C=O 的伸缩振动。结合薄层层析的分析结果可推断该生物表面活性剂属于糖脂类。

2.2 生物表面活性剂对稠油乳状液的降黏作用

2.2.1 稠油的黏温特性

对于稠油而言，黏度是流体流动性能的重要参数之一。黏度既是稠油管道加热输送的主要设计参考标准，也是稠油乳化降黏效率的评价标准。将15 mL稠油加入到测量容器中，在30℃～80℃范围内分别水浴加热1 h，测定稠油的黏度度随温度的变化，考察温度对稠油黏度的影响。

图 2 稠油的黏度-温度关系

稠油的黏度随温度的变化曲线表明(图2)，辽河油田稠油黏度变化和温度的关系十分密切。在温度为28℃～42℃时，稠油黏度随温度的升高而急剧减小。在温度高于42℃时，稠油黏度随温度的变化较之前缓慢，当温度达到62℃以上时，稠油黏度不再随温度而改变，并达到其最低黏度值300 mPa·s。稠油的这种黏温特性可归因于稠油中胶质和沥青质的物理状态随温度发生了变化，也可能是由于胶质和沥青质的歧化作用，产生了烃类和高凝聚的残渣[19]。此外，油样在50℃时黏度为 500 mPa·s，根据我国稠油的分类标准[20]，可知辽河油田该地区油样属普通稠油范畴。

2.2.2 生物表面活性剂的不同添加方式对稠油乳状液降黏效果的影响

为了考察生物表面活性剂的不同添加方式对稠油的降黏效果，向测量容器中加入15 mL稠油，在所含生物表面活性剂质量相同的情况下，分别加入一定量的发酵液、离心发酵液、生物表面活性剂水溶液，在30℃下反应30 min，分别测定稠油乳状液的黏度，计算降黏率，结果如图3所示。发酵液使稠油的降黏率达到96.0%，离心发酵液的降黏率为97.1 %，生物表面活性剂水溶液的降黏率为94.3%。可见发酵液和离心发酵液的降黏率略高于提纯产物的水溶液，但生物表面活性剂的这3种添加方式对稠油的降黏效果并没有显著区别。刘皓等在研究中也得出同样的结论[21]。试验中若直接采用发酵液进行物理模拟实验，可以有效规避油藏中如温度、压力、氧气含量、矿化度等因素对菌株生长代谢的影响，提高微生物驱油的效率[22]。

图 3 生物表面活性剂的不同添加方式对稠油降黏的影响

2.2.3 生物表面活性剂用量对稠油乳状液降黏效果的影响

将菌株A3所产生物表面活性剂配成水溶液，向测量容器中加入15 mL稠油，分别加入不同量的生物表面活性剂水溶液，在30℃下反应30 min，分别测定稠油乳状液的黏度，计算降黏率。由图4可见，当生物表面活性剂含量在5 μg以下时，稠油乳状液的黏度变化不明显；继续增加生物表面活性剂的用量时，稠油乳状液的黏度会随生物表面活性剂用量的增大而迅速降低；当生物表面活性剂的加入量逐渐增大到50 μg以上时，稠油乳状液的黏度不再下降。这一现象基本符合刘晨关于生物表面活性剂的加入量和降黏率关系的分析[23]，即随生物表面活性剂加入量的增大，油水界面张力值有明显下降；但当加入量达到一定值后，随着表面活性剂的增加界面张力值反而增大。

稠油乳化降黏的决定性因素是界面膜的强度，当生物表面活性剂含量过低时，油水界面所吸附的分子较少，膜的强度差，乳状液稳定性较差，稠油黏度改变量较少；而当过量的生物表面活性剂加入稠油中时，所形成的高浓度的胶束又会对油水界面膜产生破坏作用[24]。因此，综合考虑，在本实验中确定菌株A3所产生物表面活性剂的最适用量为50 μg，即相当于3.33 mg/L，稠油乳状液的黏度值降为120 mPa·s，降黏率最大可达96.7%。本实验中的稠油取自辽河油田，对于不同来源、不同类型的稠油，由于稠油组分不同，最适的生物表面活性剂用量是有差异的[14,25]。李牧等筛选出一株脂肽或脂蛋白类生物表面活性剂产生菌，其最大降黏率为 58.1%[1]。易绍金等[15]从新疆油田油污土壤中优选出稠油降黏菌JN-B，发现该菌株对新疆油田稠油的降黏率可达64.6%，由此可见，本实验所用的菌株A3是一株高效的降黏菌。

图 4 生物表面活性剂加入量对稠油降黏的影响

2.2.4 温度对稠油乳状液降黏效果的影响

在5个测量容器中各加入15 mL稠油，分别在30℃、50℃、60℃、70℃和80℃下恒温水浴1 h，加入生物表面活性剂水溶液，搅拌制得乳状液，反应30 min后测定稠油乳状液黏度，计算降黏率。如图5所示，温度在30℃～50℃的范围内稠油乳状液的黏度随温度增加有缓慢增长趋势，温度低于50℃时，菌株A3所产生物表面活性剂降黏性能良好，降黏率基本不受温度干扰，高达85.7%。当温度继续升高时，稠油乳状液黏度迅速升高，可能是稠油乳状液中的生物表面活性成分在高温条件下逐渐失活，使得稠油乳状液的黏度逐渐恢复增大。在30℃～50℃范围内，稠油乳状液黏度低于600 mPa·s，而图2中同样温度范围内稠油黏度(未加生物表面活性剂)远大于500 mPa·s。显然，加入生物表面活性剂对稠油有明显的降黏效果，且该稠油乳化体系在30℃～50℃范围内降黏效果较好。

2.2.5 矿化度对稠油乳状液降黏效果的影响

在稠油乳状液中加入不同量的NaCl对稠油的矿化度进行调节，使矿化度分别为0、2.5、5.0、7.5、15.0和20.0 g/L，30 ℃下反应30 min后，分别测定稠油乳状液黏度，计算降黏率。由图6可见，NaCl 浓度对稠油乳状液的黏度产生了一定的影响。当矿化度较低时，不影响稠油乳状液的黏度。当NaCl浓度由2.5 g/L增加至7.5 g/L时，稠油乳状液的黏度有所增大，分析原因可能是较高的矿化度对生物表面活性剂的活性产生了一定的干扰；继续增大NaCl浓度至20 g/L时，稠油乳状液的黏度基本不变并稳定在800 mPa·s左右，说明当矿化度增大到一定程度时，不再对生物表面活性剂起干扰作用，此时的降黏率仍然能维持在77.1%。该实验表明，该稠油乳化体系对矿化度的耐受范围较宽。

图5 温度对稠油降黏的影响

图 6 矿化度对稠油降黏的影响

2.2.6 生物表面活性剂、化学表面活性剂降黏性能的对比

分别向15 mL稠油中加入等量的菌株A3所产生物表面活性剂和化学表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(C16H33N(CH3)3Br)，控制其他反应条件一致，分别测定反应30 min后稠油乳状液的黏度，对生物表面活性剂、化学表面活性剂的降黏效果进行比较。

图7表明，生物表面活性剂的降黏效果优于化学表面活性剂，表现在：1)当生物表面活性剂加入量达到5 μg时，稠油乳状液的降黏率就开始迅速增大；但化学表面活性剂只有当加入量达到30 μg以上时，其稠油乳状液的降黏率才开始有明显变化，且降黏效率一直低于生物表面活性剂。这一结果表明，菌株A3所产生物表面活性剂具有较高的降黏灵敏性，在低浓度时也可以有效地降低原油的黏度，并且其降黏活性高于等量的化学表面活性剂。2)生物表面活性剂最多能使稠油乳状液的黏度降至120 mPa·s，其降黏率可达到96.7%，而化学表面活性剂最多只可将稠油乳状液的黏度降至310 mPa·s，最大降黏率只有91.0%。3)生物表面活性剂在其加入量为45 μg时降黏率就能达到最大值，而化学表面活性剂的加入量要达到80 μg时降黏率才能达到最大值。本实验中所用生物表面活性剂是采用沉淀法和萃取法得到的粗提物，虽纯度不高，但降黏效果仍明显优于化学表面活性剂。

图 7 不同表面活性剂对稠油降黏的影响

3 结论

1)菌株A3所产生物表面活性剂的薄层层析和红外光谱分析表明，该生物表面活性剂属于糖脂类生物表面活性剂。

2)生物表面活性剂的3种不同添加方式对稠油降黏的影响不大。在降黏实验中，生物表面活性剂对稠油乳状液的降黏率最大可达96.7%。

3)稠油降黏实验表明，在30℃～50℃范围内，稠油乳状液的黏度变化幅度不大，且黏度均低于600 mPa·s，降黏率可达85.7%。当稠油体系矿化度高达20 g/L时，降黏率为77.1%，表明稠油-生物表面活性剂复合体系对矿化度的耐受范围较宽。无论是在表面活性剂的加入量、还是在灵敏性以及降黏性能方面，生物表面活性剂均优于十六烷基三甲基溴化铵。

本研究结果为生物表面活性剂的合成提供了新的菌源。生物表面活性剂良好的稠油降黏性能和对矿化度的稳定性拓宽了微生物采油的应用领域，可为新型表面活性剂的开发和应用奠定基础。

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Characteristics research on reducing viscosity of heavy oil by biosurfactant

WU Juan, HUANG Yang, ZUO Shan-shan

(School of Resources and Environmental Engineering， Anhui University， Hefei 230601, China)

An efficient biosurfactant-producing strain A3 was isolated from the soil of Liaohe oil field. According to the analysis of 16S rRNA sequence, it was identified asPseudomonasaeruginosa. The analysis by TLC and infrared spectrum showed that the biosurfactant produced by strain A3 belongs to glycolipid. The characteristics of biosurfactant in the viscosity reduction of heavy oil were investigated. The results showed that the dosage of biosurfactant, temperature and salinity had important effects on viscosity reduction of heavy oil. The small change in viscosity could be observed in the range of 30℃ to 50℃, and viscosity reduction rate of 85.7% could be obtained. The viscosity reduction rate of 77.1% could be obtained under the salinity of 20 g/L. Using 3.33 mg/L biosurfactant, the viscosity reduction rate of 96.7% could be obtained under 30℃ for 30 min. The biosurfactant from strain A3 is superior to chemical surfactant C16H33N(CH3)3Br in dosage, sensitivity and performance in viscosity reduction.

screening; biosurfactant; surface tension; heavy oil; viscosity reduction

2016-05-21；

2016-06-20

安徽省教育厅重点科研项目(KJ2012A006)

吴 涓，副教授，硕士生导师，主要从事环境微生物及其应用方面的研究，E-mail：wujuan@ustc.edu

Q939.9;TE357.46

A

2095-1736(2017)03-0059-05

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.03.059