（微生物学专业论文）新型生物破乳剂的开发及其破乳条件的研究.pdf

摘要 摘要 随着各油田注聚驱采油、三元复合驱采油规模扩大，采出液乳化更为严重， 导致油水分离困难。目前工业上最常用的原油破乳方法是加入化学破乳剂，但 化学破乳剂选择性强、应用范围窄、对高粘度原油采出液破乳效果较差，并且 可能造成二次环境污染。与化学破乳剂相比，生物破g l f f i 具有应用范围广、易 于降解、对环境污染小等优点，因而在国内外受到普遍重视。通过化学破乳剂 和微生物破乳剂的复合应用，可以研制出广谱、高效、低成本的破乳剂。 利用s p a n8 0 作为乳化剂配制出稳定的煤油一水乳状液，作为破乳模型乳状 液。以不同生物破乳剂对该模型乳状液的破乳能力为指标，筛选出1 株破乳能 力较强的菌株，经鉴定该菌株的分类地位为铜绿假单胞菌，命名为p s e u d o m o n a s a e r u g i n o s ah c 一7 。其发酵液在5 5 条件下8 小时可以使煤油模型乳状液破乳率 达到9 0 以上。研究发现尸- a e r u g i n o s ah c 7 的破乳作用具有较强的酸碱耐受性 和较好的矿化度适应性，并且细菌的破乳作用对温度不敏感，说明了该生物破 乳剂具有良好的适用范围。 同时研究发现pa e r u g i n o s ah c 7 的破乳作用与其生长期发酵液的表面张力 有对应关系，表面张力越低，破乳能力越强。进一步研究发现该生物破乳剂的 破乳作用主要是发酵液的离心上清液起作用，而不是菌体细胞起作用。上清液 经丙酮沉淀得到表面活性剂粗品，粗品经s e v a g 法除去杂蛋白，并经s e p h a d e x g 1 5 凝胶过滤得到表面活性剂纯品。对纯品进行糖、脂和蛋白质定性并结合红外 光谱分析知表面活性剂为糖脂类物质。糖脂酸解后经纸层析分析表明该糖脂为 鼠李糖脂。 尸a e r u g i n o s ah c 7 单独对原油乳状液破乳作用不明显，而将其与现场使用 的化学破乳剂g 1 7 复配后，发现破乳效果明显，脱出水色较清。研究发现当生 物破乳剂与化学破乳剂以3 ：7 复配后破乳效果最好，并且发现乙醇可作为生物 破乳剂的辅助剂，其能将破乳率提高6 。通过电化学方法，发现生物破乳剂的 加入使得水油水界面的膜电容随时问增加的趋势明显，界面膜被击穿的时间缩 短，而界面膜电阻随时间的下降程度也相应增加，这充分说明牛物破乳剂与化 学破乳剂具有“协同效用”。与化学破乳剂相比生物破乳剂处理后水样含油量较 摘要 低，脱出水质较好，且生物破乳剂成本低廉，无二次污染，可用于转油站现场 试验。 关键词：模型乳状液生物破乳生物表面活性剂复配 a b s t r a c t a b s t r a c t a sp o l y m e r i n j e c t i o na n da s pf l o o d i n gi no i l f i e l d ，s t a b l ee m u l s i o n sa r ep r o d u c e da t t h es t a g e so fe x p l o r a t i o n ，p r o d u c t i o na n dr e c o v e r y a tp r e s e n tc h e m i c a ld e m u l s i f i e r s i sc o m m o n l yu s e di nc r u d eo i ld e e m u l s i f i c a t i o n b u tc h e m i c a ld e m u l s i f i e r ss h o w s o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha s s t r o n gs e l e c t i v i t y , s e c o n d a r yp o l l u t i o n ，l i m i t e d a p p l i c a t i o nr a n g ea n dl o w e rd e - e m u l s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yt oh i 曲v i s c o u sc r u d eo i l e m u l s i o n c o m p a r e d t oc h e m i c a l d e m u l s i f l e r s ，b i o d e m u l s i f i e r s e x h i b i ts o m e a d v a n t a g e ss u c ha sb i o d e g r a d a b i l i t y , l o wt o x i c i t ya n de c o l o g i c a la c c e p t a b i l i t y s o t h e yc a t c hm u c ha t t e n t i o ni nc h i n aa n da b r o a d k i n d so fh i g h e f f i c i e n c y , l o w - s e l e c t i v i t y a n dc h e a pc o m p o u n dd e m u l s i f i e r sa r e p r e p a r e db yc h e m i c a l d e m u l s i f i e r sa n db i o d e m u l s i f i e r s as t r a i no fb a c t e r i u mw i t h h i g hc a p a b i l i t yo fd e - e m u l s i f i c a t i o nw a ss c r e e n e d t h r o u g has u r f a c t a n t - s t a b i l i z e dk e r o s e n e - w a t e rm o d e le m u l s i o n ，w h i c ha s s e m b l e d c r u d eo i le m u l s i o n o nt h eb a s i so fp h e n o t y p i ca n dp h y l o g e n i ca n a l y s i s ，i n c l u d i n gt h e p h e n o t y p ea n d16 s r r n a ，t h i sb a c t e r i u mw a sc o n f i d e n t l yc l a s s i f i e dt op s e u d o m o n a s a e r u g i n o s a a n dn a m e da sp s e u d o r n o n a s a e r u g i n o s a h c 一7 i t sb r o t hc o u l d d e e m u l s i f yt h ek e r o s e n e w a t e rm o d e le m u l s i o n9 0 i n8h o u r sa t5 5 c a n d d e - e m u l s i f i c a t i o n c a p a b i l i t yo f 尸a e r u g i n o s ah c 一7p o s s e s s e dt o l e r a n c eo fp h i n o r g a n i c s a l t sa n d t e m p e r a t u r e t h i s s h o w e dw i d e a p p l i c a t i o nr a n g e o f b i o d e m u l s i f i e r t h ed e e m u l s i f y i n gc a p a b i l i t yo fp a e r u g i n o s ah c 一7w a sa s s o c i a t e dw i t ht h e s u r f a c e t e n s i o no ff e r m e n t a t i o nb r o t h t h el o w e rw a st h es u r f a c et e n s i o n ，t h es t r o n g e r w a st h ed e e m u l s i f i c a t i o nc a p a b i l i t y t h ed e e m u l s i f i c a t i o na c t i v i t yo f 户a e r u g i n o s a h c - 7w a sm a i n l ya s s o c i a t e dw i t ht h es u p e m a t a n to ff e r m e n t a t i o n b r o t h ，b u tn o t m i c r o b i a lc e l l s t h es u p e m a t a n to fp a e r u g i n o s ah c 一7w a sp r e c i p i t a t e db ya c e t o n e a n dc r u d ep r o d u c to fb i o s u r f a c t a n tw a so b t a i n e d m a n yo t h e rp r o t e i n sw e r er e m o v e d a f t e rt h em e t h o do fs e v a g a n dt h ep r o d u c tw a sp u r i f i e df u r t h e rb ys e p h a d e xg15 c o l u m nc h r o m a t o g r a p h y t h ep u r ep r o d u c tw a si d e n t i f i e da sg l y c o l i p i db yt h i nl a y e r a b s t r a c t c h r o m a t o g r a p h ya n di n f r a r e ds p e c t r u ma n a l y s i s s u g a rc o m p o n e n to ft h eg l y c o l i p i d w a sr h a m n o s e ，w h i c hw a sa n a l y z e db yp a p e rc h r o m a t o g r a p h y 尸a e r u g i n o s ah c - 7e x h i b i t e dn os i g n i f i c a n td e - e m u l s i f i c a t i o nc a p a b i l i t yt oc r u d e o i le m u l s i o nw h e no n l yb i o d e m u l s i f i e rw a su s e d h o w e v e r , w h e nb i o d e m u l s i f i e rw a s m i x e dw i t hc h e m i c a ld e m u l s i f i e r , t h ed e - e m u l s i f i c a t i o nc a p a b i l i t yw a ss i g n i f i c a n ta n d t h es e p a r a t e dw a t e rw a sc l e a r a n dt h eo p t i m u mp r o p o r t i o no fb i o d e m u l s i f i e ra n d c h e m i c a ld e m u l s i f i e rw a s3 ：7 e t h a n o l ，w h i c hc o u l di m p r o v ed e - e m u l s i f i c a t i o n e f f i c i e n c y6 ，w a ss c r e e n e da sa na s s i s t a n ta g e n to fb i o d e m u l s i f i c a t i o n b ym e a n so f e l e c t r o c h e m i s t r y , w ek n e wt h a t ，w h e nb i o d e m u l s i f i e rw a sm i x e dw i t ht h ec h e m i c a l d e m u l s i f i e r , t h ei n c r e a s eo fi n t e r f a c i a lf i l me l e c t r i cc a p a c i t ya n dt h ed e c r e a s eo ff i l m e l e c t r i cr e s i s t a n c ew i t ht i m ew e r em o r er e m a r k a b l et h a nt h o s eo n l yc h e m i c a l d e m u l s i f i e ru s e d ，d e m o n s t r a t i n gas y n e r g e t i ce f f e c tb e t w e e nb i o d e m u l s i f i e ra n d c h e m i c a ld e m u l s i f i e r t h a tw a s ，t h ea d d i t i o no fb i o d e m u l s i f i e rs h o r t e n e dt h ec o l l a p s e t i m eo fi n t e r f a c i a lf i l m a n db i o d e m u l s i f i e r sw e r ea d v a n t a g ei np r o d u c t i o nc o s ta n d t h e yc o u l db eu s e da sd e m u l s i f i e r sf o rf i e l dc r u d eo i le m u l s i o n k e yw o r d s ：m o d e le m u l s i o n ，b i o d e m u l s i f i c a t i o n ，b i o s u r f a c t a n t ，c o m p o u n d e d d e e m u l s i f i c a t i o n 1 v 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：务z 劢勾 二哆一置一兰曼一：! 旦一 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： i 一? “”? ”。”一“一“ “一i 一| ；内部5 年( 最睡5 年，可少于5 年) 秘密l o 年( 最长l o 年，可少于1 0 年) i 机密- k 2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 第一章前言 第一章前言 第一节乳状液的概述 乳状液是指一种或多种液体以液珠形式分散在与它不相溶的液体中构成的 分散体系。乳状液的液珠直径一般都大于o 1p m ，属粗分散体。由于体系显现 乳白色而被称为乳状液。在乳状液体系中，以珠状形式存在的相称为内相，由 于其不连续性又称为不连续相或分散相。而另一相称为外相，由于其连续性， 又称为连续相或分散介质。通常的乳状液有一相是水或水溶液，被称为水相， 另一相是与水不相溶的有机相被称为油相。 乳状液的类型有以下几种：水包油型( o i li nw a t e r ) ，以o w 表示，其内 相为油，外相为水，如人乳、牛乳等；油包水型( w a t e ri no i l ) ，以w o 表示， 内相为水，外相为油，原油主要为这种类型的乳状液。套圈式，以o w o 或 w o w 表示，以水相和油相交替一层一层的包着，这种类型较少见1 1 , 2 o 乳状液类型的鉴别方法有：染色法，若将少量水溶性染料沙黄加入乳状 液中，若乳状液全染成红色则为o w 型乳状液，若乳状液只有红点出现则为 w o 型。稀释法，因为乳状液能与其外相液体相混溶，所以w o 型乳状液能 溶于油，而o w 型乳状液能溶于水。电导法，导电性好的为o w 型乳状液， 导电性差的为w o 型【i 2 j 。 乳化剂是乳状液赖以稳定的关键，它町以吸附在油水界面上形成一单分子 膜，有降低油水界面张力及阻止油珠并聚的作用而使乳状液稳定。乳化剂主要 分为四类：表面活性剂类乳化剂，高分子型乳化剂，天然产物类乳化剂以及固 体粉末乳化剂。影响乳状液稳定的因素有以下几点：界面引力。乳状液足高 度分散且有巨大的油水界面，是热力学上的不稳定体系，为了降低体系的能量， 液滴间有自发并聚的倾向，因此低的油一水界面张力有助于体系的稳定，离子 型的表面活性剂能有效地降低界面张力，稳定体系；界面膜的性质。低界面 张力是乳状液稳定的重要因素，但并非是唯一的，界面膜的机械强度也是决定 乳状液稳定性的主要冈素之一。由于加入油水体系中的乳化剂具有既亲水又亲 油的双亲分子结构，它必然要吸附在油水界面上，以亲水基仲进水中，亲油基 第一章前言 伸进油中，定向排列在油水界面上形成界面膜。膜的机械强度大，不易于破裂， 有利于体系的稳定。高分子的乳化剂多属于此类型；界面电荷，乳状液的液 珠上所带电荷主要源于所使用的离子型乳化剂在水相中电离产生的乳化剂离子 在液珠表面吸附所致。由于双电层的相互排斥，使油珠不易接近，从而阻止了 液珠的聚结；分散介质的粘度，外相的粘度越大，液珠的运动速度越慢，液 珠问的碰撞几率越少，有利于乳状液的稳定【l 捌。 影响乳化的因素主要包括；内相的分散程度。内相分散度越高，乳化性 能越好；界面膜的强度。强度越大，乳化液越稳定；外相的粘度；两相 的相对体积比；两相的密度。对于一个指定的油水体系制备成性能稳定的乳 状液，最关键的问题是要为这个油水体系选定一个合适的乳化剂，同时还要采 用合适的制备方法。乳化剂的选择方法最常用的是h l b ( h y d r o p h i l e l i p o p h i l e b a l a n c e ，亲水亲油平衡) 和r ( p h a s ei n v e r s i o nt e m p e r a t u r e ，相转变温度) 方 法。乳化工艺可分为两种：一是物理化学法，一是机械法。这些方法中有：转 相乳化法，自然乳化分散法，瞬间成皂法，混合膜，e 成法和轮流加液法。制备 乳状液的设备常用的有：搅拌器、胶体磨、均化器和超声波乳化器，其中搅拌 器设备简单，操作方便，最为常用【1 , 2 】。 乳状液发生油水分离的现象被称为破乳，此时乳状液完全被破坏了，乳状 液的破坏一般经历分油、絮凝、膜排水、聚结、相分离这五个过程。乳状液体 系在重力的作用下，由于两相的密度不同，会使分散液滴上浮或下沉，形成含 液珠密度不同的两层。这就是分油。絮凝是乳状液的液珠通过范德华力相互吸 引，聚集形成松散的絮团。絮凝过程是可逆的，但絮凝现象的出现意味着乳状 液已经开始不稳定，它是破乳的前奏。当两个液滴相互接近时，界面膜会发生 薄化，使得乳化剂在界面膜上的浓度分布不同，形成负的界面张力梯度，加入 的破- 9 l 齐u 界面活性更高，容易扩散到界面上空缺的地方，形成j 下的界面张力梯 度，加速膜排水过程，使两液滴的界面更加接近，有利于膜振荡破裂，液滴聚 结( 图1 1 ) 。另外，由于破乳剂在油水界面上的吸附，因为它本身不能形成牢 固的界面膜，也有利于聚结。小液滴聚结成大液滴，导致液滴数f 1 减少，最后 造成乳状液的破坏【3 1 。另外，通过物理的方法( 加热和高压电场) 也可以使乳状 液破乳p j 。 2 第一章前言 油 旗排水 减少 d 气i _ _ _ _ _ _ _ l n m nnn nnn n m 天然表面活性剂 ( b ) 油 膜捧水 增多 、- 一 _ 一一 _ - _ _ _ - 。- 力 力 r 0 、 ，- f n。i - - n nr n 表面活性剜+ 破，l 弼 ( b ) 磺排水 增多 图1 1 j n a 破s l n 前后膜排水与油水界面张力o 、乳化剂浓度的关系” 图a 上图：乳化剂界面浓度对膜排水的影响；下图：乳化剂界面浓度与界面张力的关系 图b 上图：破乳剂分子插入剑膜上后的排水作用；下图：破乳剂分子插入到膜上后的界面 张力 第二节原油乳状液的形成及原油乳状液的破乳 1 2 1 原油乳状液的形成 世界开采出的原油有近8 0 以原油乳状液形式存在【3 】。在开采之前，油与水 在地下并不发生乳化，原油从地下采出时要经过地层的孔隙与水和气体混合在 一起，又经过泵送的搅动，便形成乳状液。原油乳状液是十分复杂的分散体系， 以油包水( w o ) 为主。原油产地、开采方式等因素使原油乳状液性质干变万化。 有许多凶素影响原油乳状液的稳定性，如原油密度、粘度、水含量、水滴直径、 水滴带电性、水相性质、原油中固体颗粒、界面膜强度和粘性及乳状液的老化 等等。这众多的因素增加了原油乳状液复杂性及其破乳的凼难性。原油之所以 能形成稳定的乳状液，主要是由于原油含有天然乳化剂，原油乳状液的稳定性 在很人程度上取决于由天然乳化剂形成的界面膜，破乳剂能影响界面膜的稳定 性1 3 5 - 9 。沥青质足原油乳状液天然乳化剂中最重要的组分【3 】，通常是指石油中不 第一章前言 溶于小分子正构烷烃( 女nj e 戊烷、正庚烷等) 而溶于苯的物质，它是石油中分子量 最大，极性最强的非烃组分。沥青质分子易于通过自缔合生成的胶束。它的界 面活性不很强，但乳化能力较强。由于含有合适聚芳香坏平面结构，多个沥青 质分子片会在油水界面堆积成规则的层状结构，如同表面活性剂在界面上形成 的液晶相( m e s o p h a s ec ) ，这种膜具有固体特点和迁移性，可使乳状液的稳定性 大大增加。沥青质吸附在油水界面并在油水界面取向将产生很高的表面诱导的 粘性。这种表面粘性有时比体相粘度高许多倍。表面活性剂分子的碳氢部分力 图溶于油相，而极性部分力图溶于水相，结果导致界面层压缩而产生阻力，这 个阻力可用界面压来表示。在表面活性剂体系中，界面压可高达3 旺5 0 m n m 。 这是产生界面粘性的主要原因。布朗运动引起界面膜振荡，界面膜的粘性和弹 性抑制振荡，防止界面膜的薄化和排水，阻止液滴聚结。在膜发生薄化的过程 中，界面膜上表面活性剂浓度分布不均，表面活性剂分子从浓度高处向浓度低 处扩散，使膜振荡减弱，液滴的聚结速度降低。原油中天然乳化剂还包括高熔 点石蜡、胶质、粘土等泥质固体颗粒。 1 2 2 原油乳状液破乳的必要性 原油中含有过多的水分，对原油的加工和使用，都会产生一些不良的影响。 在加： 过程中不但会增加热能消耗，还会影响催化剂作用效果，而且由于在高 温下水和油同时汽化，体积迅速膨胀，会造成冲塔等事故。又由于原油内的水 中含有无机盐类，会对炼油设备造成腐蚀，降低炼油设备的寿命。另外，原油 中水含量的多少直接影响油f f l 储运负荷、输油动力消耗及管线腐蚀，作为燃料 时水含量还会降低其发热值。同时，还会给原油计量带来误差，造成油量计算 不准确。因此，在石油运输和精炼时，必须要求原油的含水量在o 5 0 o , - 2 之间l l 。 所以，原油乳状液的破乳脱水是石油运输和加工过程中非常重要的环节之一。 寻求有效破乳方法，降低成本是人们普遍关心的问题。 1 2 3 原油乳状液破乳的过程 原油破乳过程主要包括四个阶段：破乳剂的溶解与扩散；破乳剂插入 或部分替代天然乳化剂，由于破乳剂具有高的界面活性，很容易插入到油水界 面上或将原来在油水界面上的天然乳化剂部分顶替下来：破坏界面膜。原油 4 第一章前言 乳状液液滴破坏是界面膜破裂( 膜排水) 的结果。膜排水和液滴聚结过程与乳状液 界面膜流变性质有关。界面膜的弹性和粘性在很大程度上决定界面膜的强度， 从而决定乳状液的稳定性。破乳剂破乳作用的关键是吸附或部分取代在界面上 的天然乳化剂，降低界面膜的弹性和粘性，从而降低界面膜的强度，有利于界 面膜的薄化和排水，加速液滴的聚结；油水分离。界面膜被破坏后，小水珠 聚结成大水珠，由于油水密度差的原因，水珠下沉从油相中分离出来，乳化原 油就被破乳了。 1 2 4 原油乳状液破乳的方法 工业上最常用的原油破乳方法是加入化学破乳剂o3 1 。原油化学破乳剂一般 按离子的类型分为阴离子型、阳离子型和非离子型三种类型。其中非离子型破 - n 品种最多，用量最大，破乳效率最好。它以聚氧丙稀聚氧乙烯嵌段共聚物 为主。除了化学破乳法，物理破乳法、生物破乳法、联合破乳法和膜破乳法也 是原油破乳的重要方法【i4 1 。复配是开发高效原油破乳剂的有效方法。高的表面 活性，足够的絮凝能力，强的润湿性和高聚结性能，是高效原油破- l n 的必备 条件，而单一组分的破乳剂又不能充分满足要求。人们为了克服高分子破乳剂 的专一性，就利用表面活性剂的协同效应复配出许多新型高效破乳剂i l 孓j 。 第三节生物破乳剂的研究进展 由于原油乳状液的复杂性，虽然化学破- l 齐u j 的破乳速度较快，但用量大， 专一性太强，不能普遍适用于各种性质的原油采出液，而且还会造成对环境的 污染。除石油工业外，其他丁业中破乳问题也是很重要的。如制药业、化妆品、 以及食品加工，都会产生w o 或o w 型的工业废水。生物破乳是通过加入微生 物发酵全培养液而使乳状液破乳脱水的方法。与这些传统破乳方法相比，生物 破乳具有生产工艺简单，成本低，能耗小，易商品化等优点。更重要的是，生 物破乳剂易被降解，不污染环境，对加工漫施无腐蚀作用。因此，它在原油脱 水，含油污水的分离及污水处理等领域的丌发和应用前景十分广阔。 第一章前言 1 3 1 生物破乳作用原理 1 3 1 1 细菌菌体破乳机理的模型 图1 2 提出了一种细菌粒子如何破坏( 或稳定) 乳状液的机理【1 9 】。如果细菌 表面能被乳状液的非连续( 液滴) 相充分润湿，但不是完全润湿，则细菌最终 总会在连续相和非连续相的界面占据一个平衡位置。该细菌粒子将有一半以上 浸入非连续相中。如果非连续相的两个单元( 两乳状液液滴，或者一乳状液的 液滴与一己分层的非连续相) 在同一个细菌表面接触、润湿并铺展，则两个单 元在到达平衡前就会在细菌表面上相互接触并凝聚( 图1 2a ) 。然而，如果细胞 表 a 乳状液破乳一b 鞘献液稳定一 零阎 ( 霉) 0 j 爹 、 ： 0 渊 图1 2 细菌粒子促进( a ) 或抑制( b ) 乳状液凝聚的示意图 面不能被非连续相明显地润湿，则非连续相的两个单元就会在彼此接触和发生 6 第一章前言 凝聚之前，达到平衡位置( 图1 2b ) 。在这种情况下，细菌粒子是作为一种乳状 液稳定剂，而不是破- n 。非连续相与细胞表面间的平衡接触角的大小( 图1 2 中的伐和d ) 反映了非连续相对细胞表面的润湿能力，进而表明了这种细菌细胞 到底适于作破乳剂还是作乳状液稳定剂。 细菌的这种固相破乳的首要条件是分散( 液滴) 相能优先润湿细胞表面l i 9 j 。 图1 3 表示o w 乳状液破乳的详细情况。如果固体被非连续相优先润湿，则平 衡接触角较小，因而固体的大部分浸入油相。而瞬间接触角0 起初较大，但 随着油滴在固体上铺展，0 会不断变小到a 值，但在0 变小到0 t 值之前，油滴就 已与凝聚油相相互接触了。 图1 3o w 乳状液被同相破乳时的平衡接触角( a ) 和瞬时接触角( 0 ) 生物阎体粒子和乳状液液滴的相对大小，生物固体粒子的形状都会影响破 乳效果。图1 4 a 表明，但乳状液液滴小于固体粒子时，在液滴与已凝聚的非连 续相接触之前，就可能达到平衡接触角0 【。在a = 4 5 0 时是一典型情况( 图1 4 b ) 。 一般细菌的直径为几个p m ，而稳定的乳状液液滴直径也为几个p m 。所以，细 菌破- 孚t , n 的粒子完全可以使乳状液发生凝聚。 由于细菌不都是球状的，还有棒状等其他形状。当考虑到菌体细胞轴比增 加时，附着在细菌两端的两液滴在相互接触前达到平衡的可能性亦增大。但这 个问题不算严重，因为任何附着在棒杆菌中段的液滴都会铺展，给附着于两端 的液滴i 日j 架桥f l 纠。 上述关于细菌破乳机理的模型说明，菌体破乳能力与菌体表面的性质有关 i l9 1 。使w o 型乳状液破乳需要亲水细胞表面，这种亲水表面是处于指数生长期 和稳定生长早期的细胞表面。而o w 型乳状液破乳需要憎水细胞表面，这种憎 水表面产生于内源代谢期，它需要经过多糖的酰化，游离的、非共价键合的羧 7 第一章前言 酸及其它由细胞释放或细胞自溶的生物表面活性剂在细胞外层沉积而产生。具 有憎水性或部分憎水性的胞壁组分可以粗略地分为三类：胞壁自身组分，外被 多糖，及附着于胞壁或外被多糖上的胞外组分。 a b 图1 4 油滴在凝聚前，能在同体粒子上达到铺展平衡的示意图 n 为平衡接触角，其中( b ) 为特殊情形，c t = 4 5 。，液滴恰在接触点达到平衡位置 1 3 1 2 生物表面活性物质破乳模型 有些微生物在其生长代谢过程中能够产生具有表面活性的物质。这些表面 活性物质被称为生物表面活性剂 2 们。它分子量小，具有很好的表面活性，容易 渗透到油水界面，插入油水表面乳化剂的空隙或部分替代乳化剂，从而使界面 膜不稳定。其机理与化学破乳剂相同。另外它还会修饰菌体细胞表面和固体粒 子，改变其润湿性，使其适于破乳【2 。生物表面活性物质的破乳功能至今还没 有文献报道过有直接证据，本文对其进行了探索性研究。 1 3 2 生物破乳的国内外研究进展 国外最早关于生物破乳的文献报道是在1 9 8 2 年，c a i r n s 等发现对于不同类 型、组成和被不同类型乳化剂构成的乳状液，微生物细胞培养液具有破乳作用。 但它的破乳能力与培养基的组成，培养条件及菌体细胞的菌龄密切相关。通过 第一章前言 抽提等方法，认为细菌的破乳能力与其细胞表面的性质有关。并且认为微生物 可作为一种新的破乳剂来源【2 2 2 3 1 。 1 9 8 4 年，g r a y 等发现n o c a r d i aa m a r a e 菌对于油田的w o 和o w 型乳状液 有破乳作用。并且与商品化学破乳剂t r e t o l i t ee 3 4 5 3 的破乳能力做了比较，发 现n o c a r d i aa m a r a e 的破至i l n , - 力强于t r e t o l i t ee 一3 4 5 3 。而且，随着菌龄的增加， 菌体细胞对于o w 型乳状液的破乳能力逐渐增强。经研究发现，细胞与乳状液 滴的接触角越大，细胞的憎水性越强，破乳效果越好。说明菌体细胞对于乳状 液的破乳能力与细胞表面的憎水性有关【2 4 2 6 】。 k o s a r i c 等在1 9 8 7 年发现酵母细胞也具有破乳能力，具有破乳能力的这种微 生物可以生长在需要破乳的乳浊液中，可使菌体生长和破乳同时进行。而且， 破乳的菌体细胞可以重复使用【2 7 1 。g e r s o n 在1 9 9 3 年的研究也证明了这点【2 8 】。 1 9 9 6 年，s t e w a r t 等对c o r y n e b a c t e r i u m p e t r o p h i l u m 的破乳能力进行了研究。 同样，c o r y n e b a c t e r i u mp e t r o p h i l u m 也具有使各种复杂的油f f l 乳状液破乳，尤其 是对w o 型乳状液，破乳能力也与它细胞表面的性质有关【2 9 1 。 19 9 9 年，m a d h u s w e t ad a s 发现m i c r o c o c c u s 对w o 和o w 的乳状液也具有 破乳能力，用脂溶性的溶剂沈菌体细胞会使破乳能力明显下降，菌体浓度的增 加会增强破乳能力1 3 叩1 1 。 2 0 0 0 年，s h i nh y ep a r k 等发现s t r e p t o o m y c e ss p 的孢子可以使乳浊液( 如以 煤油和汽油配制的乳状液) 破乳【3 2 1 。j a ec h a nl e e 等利用固定化的n o c a r d i as p 进行破乳，而且发现利用直流电场与它配合使用，可以使乳状液的油水分离时 问明显缩短i j 3 。 2 0 0 2 年，n a l i n an a d a r a j a h 等从被石油污染地点筛选出一混合菌群，并测试 其破乳能力，发现它具有很好的破乳活性，在一小时内可以使煤油一水模型乳 状液达到破乳率9 6 。冻融和高压灭菌不影响其破乳活性。鉴定出其含有9 种 菌株，其中破乳能力最强的是a c i n e t o b a c t e rs p 。并且也认为是菌体粒子起破乳 作用，但怀疑菌体产生的表面活性剂有一定的破乳作用f 1 0 , 3 4 】。 国内对生物破乳研究的很少。石油勘探开发研究所郭东红博士选用一种生 物破乳剂，把它与三种聚醚型破乳剂复配进行原油破乳试验，结果表明，生物 破乳剂的引入可以显著提高原油乳状液破乳脱水的速度和效果。通过电化学方 法，发现生物破乳剂的加入使得化学破乳溶液的界面膜电容随时问增加的趋势 明显，界面膜被击穿的时间缩短，而界面膜电阻随时问的下降程度也相应增强， 9 第一章前言 这充分说明生物破乳剂与化学破乳剂具有“协同效用 【3 5 1 。 河北科技大学的徐远春、崔健升等从自然界中分离到一株具有破乳能力的 菌株，初步鉴定为n o c a r d i aa m a r a e ，主要对含油污水的处理进行了研究。发现 它具有很好的排油除污效果，而且在实验条件下，比商品破乳剂e 一3 4 5 3 和除 污剂聚氯化铝的破乳效果更好【3 6 1 。 1 4 1 立题背景 第四节选题依据和技术路线 在石油采收的过程中，原油从地下采出时要经过地层的孔隙与水和气体混 合在一起，加上各种化学驱油剂的使用，使采出液的成分变得越来越复杂，从 油层中采出的不仅仅是地层中的原油，而且是较为复杂的乳状液1 3 。乳状液中 溶有盐分和其他杂质，对输油管线、油罐及炼油设备造成腐蚀，同时还会给原 油计量带来误差。因此，在石油运输和精炼时，必须要求原油的含水量在0 5 2 之问，以维持管道和塔内设备的正常运转。可见，原油乳状液的破乳脱水是石 油运输和加工过程中非常重要的环节之一。 乳状液是指一种或多种液体以液珠形式分散在与它不相溶的液体中构成的 分散体系。通常的乳状液有相是水或水溶液，被称为水相，另一相是与水不 相溶的有机相被称为油相。所谓破乳，就是消除乳状液稳定化的条件，使分散 的液滴聚集、分层的过程。能达到破乳条件的物质就是破乳剂【3 即圳。石油工业每 天都将采出上千吨原油，产生上万吨含油污水。此外，在处理焦油砂提取沥青 时，也需要利用破乳技术从砂中把油分离提取出来，以加拿大的s y n c r u d e 公司 为例，每天处理2 3 5 万吨焦油砂，产生下脚料0 2 1m l m i n f 4 们。除了石油工业以 外，其他工业中破乳问题也很重要，如在食品工业、制药工业，化妆品工业中， 也会遇到乳状液破乳问题。由此可见，工业破乳剂的市场需求量相当可观，其 在国民经济中已经形成不可或缺的重要地位。 有许多因素影响原油乳状液的稳定性，如原油密度、粘度、水含量、水滴 直径、水滴带电性、水相性质、原油中固体颗粒、界面引力、界面膜强度和粘 性及乳状液的老化等等，这众多的因素增加了原油乳状液复杂性及其破乳的困 难性【4 。如何针对各种原油乳状液的特点制定既专一高效、又经济环保的破乳 1 0 第一章前言 方法，是目前石油行业最为关心的课题之一。 原油乳状液的稳定性在很大程度上取决于由天然乳化剂形成的界面膜 4 2 a 3 1 ，破乳剂能影响界面膜的稳定性。破乳的方法一般有三种，机械法、物理法 和化学法【1 6 - 1 8 , 4 4 - 4 7 】。目前工业上最常用的原油破乳方法是加入化学破乳剂，改变 乳状液的类型和界面性质，使该体系变得不稳定而发生破乳。随着开采的原油 中重质油比例的不断增加，原油破乳剂向着提高破乳能力、降低破乳温度、增 强适应性、使用方便的方向发展。过去的一些原油破乳剂，往往以不能满足大 大向前发展的原油破乳的需要，虽然化学破乳剂的破乳速度较快，但用量大， 专一性太强，不利于推广使用，而且还会造成对环境的污染，毕竟大部分化学 破乳剂是不可降解的有害化合物。更为重要的是，由于近年来合成化学破乳剂 的原料价格不断上涨，而油田定购价却持续走低，这个巨大的落差使得化学破 乳剂的价格一路攀升，目前已经到了入不敷出的边缘。 近年来，新一代新型破乳剂尤其是生物破乳剂的研究已f 1 益为人们所重视 而进入一个新的领域。生物破乳是通过加入微生物发酵全培养液而使乳状液破 乳脱水的方法，现在常见的生物破乳剂包括微生物代谢产物( 如表面活性物质、 多糖等) 和微生物细胞本身2 3 ，2 4 2 7 , 4 8 - 5 0 】。生物破乳剂具有独特的结构和功能，并 且具有生产工艺简单，能耗小，易商品化等优点，更重要的是，生物破乳剂易 被降解，不污染环境，对加工设施无腐蚀作用。因此很可能作为现有的化学合 成破乳剂的升级换代的代替品。生物破乳剂因其高效易实现工业化而备受关注， 它在水油分离、油污分离、去除等领域的丌发和应用前景十分广洲引巧引。然而， 目前生物破乳剂的成本与化学破乳剂相当，但仍有很多降低成本的空间，如优 化发酵工艺，利用废弃廉价物质作为原料，利用基因工程手段改良产品产量和 质量等等，都可以降低成本，总的说来，生物破乳剂由于其生产特点，在价格 上会逐渐显现出优势。 国外最早关于生物破乳的文献报道是在1 9 8 2 年，c a i r n s 等发现对于不同类 型、组成和被不同类型乳化剂构成的乳状液，微生物细胞培养液具有破乳作用。 但它的破乳能力与培养基的组成，培养条件及菌体细胞的菌龄密切相关。通过 抽提等方法，认为细菌的破乳能力与其细胞表面的性质有关，并且认为微生物 可作为一种新的破乳剂来源( 2 2 ，2 3 1 。随后，g r a y 等发现n o c a r d i aa m a r a e 菌对于油 田的w o 和o w 型乳状液有破乳作用，并且发现其破- 鲥，- h 厶匕d e , 力强于商品化学破乳 剂t r e t o l i t ee 一3 4 5 3 。而且，随着菌龄的增加，菌体细胞对于o w 型乳状液的破 第一章前言 乳能力逐渐增强i 2 4 。26 。 近几年，随着科学技术的发展，越来越多的生物破乳成果陆续发表，但多 是针对菌体细胞。结果发现菌体细胞对于乳状液的破乳能力与细胞表面的憎水 性有关；用脂溶性的溶剂洗菌体细胞会使破乳能力明显下降【5 6 , 5 7 】；菌体浓度的增 加会增强破乳能力；利用直流电场与它配合使用，可以使乳状液的油水分离时 间明显缩短；冻融和高压灭菌不影响其破乳活性等等【i0 1 。效果最好的生物破乳 剂在3 - - - 4h 内可以使煤油一水模型乳状液达到破乳率9 6 t 泌j 。 国内对生物破乳研究的很少。石油勘探开发研究所发现生物破乳剂的引入 可以显著提高原油乳状液破乳脱水的速度和效果。通过电化学方法，发现生物 破乳剂的加入使得化学破乳溶液的界面膜电容随时间增加的趋势明显，界面膜 被击穿的时间缩短，而界面膜电阻随时间的下降程度也相应增强，这充分说明 生物破乳剂与化学破乳剂具有“协同效用”【3 5 1 。并且随后有人证明在相同的实验 条件下，生物破乳剂比商品破乳剂e - - 3 4 5 3 和除污剂聚氯化铝的破乳效果更好 【2 4 】 o 综上所述，目前报道的生物破乳剂多为微生物菌体细胞和微生物代谢的多 糖类物质，微生物表面活性产物作为破乳剂的破乳功能至今还没有文献报道或 有直接证据。另一方面，生物破乳的机理论述还缺乏大量的实验数据证明；乳 状液破乳的微观之谜还需要有人去破解；生物破乳剂的成本问题还需要我们对 微生物发酵和产物提取工艺的进一步探索。因此，生物破乳剂的进一步研究势 必能推动石油工业和生化工业的发展，同时能大大节约资本，保护生态环境。 微生物代谢产生的表面活性剂作为破乳剂在国内外还没有报道，本项目重点在 于提供生物破乳剂的制备工艺优化及其成本计算，揭示生物破乳剂的结