脂肽类生物表面活性剂结构鉴定及驱油性能

张 鑫，时冠兰

中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏扬州225009

生物表面活性剂是由微生物产生的一类具有表面活性的生物大分子物质［1］，能够起到润湿、乳化、分散、降低体系的界面张力的作用［2］，其中最具代表的是脂肽类生物表面活性剂。脂肽分子由亲水的肽键和亲油的脂肪烃链组成［3］，具有分子量小、界面活性高，能够渗入低渗透的油藏、不易堵塞地层的特点，同时具有较强的耐温耐盐性能，所以它的使用范围相当广［4］。目前，对生物表面活性剂的研究主要集中在产生菌的筛选和培养条件优化等方面［5］，而对生物表面活性剂结构及其在不同环境条件下的性能认识不足，更缺乏生物表面活性剂对环境的适应性分析，这影响生物表面活性剂的作用效果和规模化应用。

本文中，笔者对分离得到的脂肽菌株开展鉴定，并对生物表面活性剂相关性能进行评价，分析环境因素对其生长及产量的影响，为微生物采油实际应用提供理论依据。

1 生物表面活性剂制备及结构鉴定

1.1 菌种纯化

将发酵液于LB 平板上进行划线，37 ℃培养24 h 后，挑取优势菌落，于液体LB 培养基中进行培养。培养14 h后，采用新鲜培养液于LB平板上再进行划线，重复上述过程3 次，获得菌种S19 的纯菌株。图1为S19纯化后的菌落图。

图1 纯化后菌落图

1.2 培养基优化

1）碳源。分别用20 g/L 的蔗糖、麦芽糖、葡萄糖等为单一的碳源，其他的培养基成分不变，在37 ℃的摇床培养48 h，培养液通过萃取富集，用高效液相色谱定量分析测定表面活性剂产量，结果见图2。

图2 不同碳源培养产物量及性能

2）氮源。分别用等摩尔量的氮，包括NH4Cl、NaNO3、（NH4）2SO4为单一变量，其他的培养基成分不变，在37 ℃的摇床培养48 h，培养液通过萃取富集，用高效液相色谱定量分析测定表面活性剂产量，结果见图3。

图3 不同氮源培养产物量及性能

3）金属离子。将金属离子（Mg2+/Fe3+）作为变量，设置不同的实验组，其他培养基成分不变，在37 ℃的摇床培养48 h，培养液通过萃取富集，用高效液相色谱定量分析测定表面活性剂产量，结果见图4。

图4 不同金属盐条件下产物量及性能

由图2～4可知：最佳碳源为葡萄糖，加入量为20 g/L；最适合氮源为NH4Cl，加入量为1.34 g/L；最适金属盐为FeCl3，加入量为0.1 mmol/L。

1.3 结构解析

1.3.1 初步定性

采用薄层层板（TLC）法对样品进行了初步定性。样品点硅胶板后用氯仿/甲醇展开，茚三酮显色［6］，根据图5显色情况，初步认为产物为脂肽。

图5 产物酸水解后TLC分析

1.3.2 HPLC-MS分析

采用HPLC-MS 联用仪对培养产物进行分析，结果见图6～8和表1。

表1 分析鉴定结果

图6 产物的液相色谱（a）和3.86 min峰处物质的质谱（b）

图7 产物液相色谱（a）和4.66 min峰处物质的质谱（b）

图8 产物液相色谱（a）和5.46 min峰处物质的质谱（b）

由图6～8 和表1可知：主要产物是碳链为C13～15的脂肽类化合物。

2 生物表面活性剂性能分析

2.1 乳化性

将不同质量浓度的脂肽表面活性剂与原油按油水比5∶5 混合，充分振荡后，在60 ℃下静置24 h，油水形成上下不分层的均匀乳状液，表现出较好的乳化性能。

2.2 界面张力

采用区块地层水配制不同浓度脂肽表面活性剂，在75 ℃条件下，利用TX-500C 型界面张力仪测试溶液与江苏油田M 区块原油的表面张力，结果见图9。由图9可知：当生物表面活性剂浓度大于0.2%后，表面张力达到超低表面张力，说明其具有较高的表面活性，洗油能力强。

图9 不同浓度的生物表面活性剂与M区块原油表面张力

2.3 润湿性

在索氏抽提器中用甲苯洗涤油藏岩芯薄片（①四氢呋喃驱替或浸泡岩心薄片，4 d；②氯仿驱替或浸泡岩心薄片，4 d；③甲醇驱替或浸泡岩心薄片，4 d，替掉氯仿；④水驱替或浸泡岩心薄片，干燥至恒质量），处理后的岩心用江苏油田沥青改性，然后进行润湿性实验，结果如图10～11所示。

图10 油湿岩心接触角（92°）

图11 脂肽溶液浸泡24 h后油湿岩心接触角（39°）

由图10～11 可知：脂肽表面活性剂可改善岩心润湿状态，使油湿岩心接触角由92°降至39°，从而减少原油流动阻力，提高原油采收率。

2.4 驱油性能

采用孔隙度为19.2%、水测渗透为40 × 10-3μm2的岩心（4.5 cm×4.5 cm×30 cm），利用0.5%的生物表面活性剂驱替原油，结果见图12。

由图12可知：与水驱相比，利用0.5%的生物表面活性剂驱替原油，可提高采收率12%，驱油效果显著。

图12 生物表面活性剂驱油效率

3 油藏适应性能评价

3.1 pH对脂肽稳定性的影响

将发酵液通过离心除去菌体，上清液（表面张力为26.5 mN/m）用HCl或NaOH 调节pH，2 h后测定上清液的表面张力，结果如图13所示。由图13可知：pH 在5.0～12.0 范围内，表面张力变化不大，表明脂肽对pH 的适应范围很宽，但是当pH 低于5.0，脂肽产生沉淀，使得表面张力迅速上升。

图13 不同pH下脂肽表面张力变化

3.2 温度对脂肽稳定性的影响

考察不同温度对脂肽的表面张力的影响，结果如图14所示。由图14可知：当温度为40～120 ℃时，脂肽表面张力变化不明显；当温度为120 ℃时，脂肽生物表面活性剂仍然没有失活，表明脂肽对高温有较强的耐受性。

图14 不同温度下脂肽表面张力变化

3.3 NaCl对脂肽稳定性的影响

在上清液中加入不同质量分数的NaCl 并测定溶液的表面张力，结果如图15所示。

图15 不同盐质量分数下脂肽表面张力变化

由图15可知：即使盐质量分数高达19%，脂肽表面张力基本没有变化，表明该脂肽对盐的耐受性较强。

4 结论

1）从油田产出液中获得高效菌株，通过HPLC-MS 分析，主要产物为碳链C13～15-Surfactin脂肽类化合物，为深入研究其作用机制奠定了基础。

2）通过室内试验对生物表面活性剂性能和油藏适应性进行评价，结果表明，该表面活性剂可使油湿岩心接触角由92°降至39°，对原油乳化效果好，界面张力低，洗油能力强，在pH 5.0～12.0、温度40～120 ℃、盐度2%～19%条件下性能稳定，可在该油藏环境中大量繁殖。

3）室内驱油模拟试验中，用0.5%的生物表面活性剂驱替原油，对比水驱提高采收率12%，驱油效果显著。