生物表面活性剂.doc

98 2598 25 脂肽 脂肽 H H 环脂肽 环脂肽 内容 所有的生物都是由细胞所构成 细胞中 70 的是水分 蛋白质 核酸 糖类 脂类等 各种物质通过细胞内的精细结构进行着有序的活动 表面活性剂作为控制细胞界面秩序而不 可缺少的物质起着重要作用 由于生物体内的表面活性剂是在极其复杂的生物物质群中微量地存在 因此大量提取纯 制品非常困难 近来发现微生物在其菌体外较大量地产生 积蓄微生物表面活性剂 这已在 石油三次回收剂 石油环境污染的无公害处理剂及功能性表面活性剂等许多领域得到应用和 开发 生物表面活性剂具有合成表面活性剂所没有的结构特征 大多有着发掘新表面活性功能 的可能性 人们正希望开发出生物降解性和安全性及生理活性都好的生物表面活性剂 1 生物表面活性剂分类 生物表面活性剂根据其亲水基的类别 分为以下五种类型 以糖为亲水基的糖脂系生 物表面活性剂 以低缩氨酸为亲水基的酰基缩氨酸系生物表面活性剂 以磷酸基为亲水 基的磷脂系生物表面活性剂 以羧酸基为亲水基的脂肪酸系生物表面活性剂 结合多糖 蛋白质及脂的高分子生物表面活性剂 生物聚合体 1 糖脂系生物表面活性剂 糖脂与磷脂形成复合脂成为连接脂和糖的桥梁 从化学结 构来看 它们是由脂肪醇或脂肪酸形成的复杂脂 根据这种糖脂的结构和分布可分为四类 鞘氨糖脂 植物糖脂 甘油糖脂 结构单元中无鞘氨醇和甘油的其他糖脂 鞘氨糖脂是动物糖脂的代表性物质 存在于动物组织 特别是动物的脑神经组织中 植 物糖脂主要存在于植物中 甘油糖脂广泛存在于高等植物 藻类和能进行光合作用的细菌中 既有植物性又有微生 物性糖脂的特性 属于结构单元中无鞘氨醇和甘油的糖脂有来自高好碱性菌的硫糖脂 及源于植物的有代 表性的皂草苷生物表面活性剂 以前 人们常用皂草苷作洗涤用品 从结构上看 它是由以 甾族化合物或三萜系化合物为非糖部分 皂草配基 与低聚配糖体构成的 皂草苷具有生物活 性 如具有溶血 强心和免疫等作用 2 酰基缩氨酸系生物表面活性剂 大 致分为硫放线菌素类和脂氨基酸类 这类物质以 氨基酸或低聚缩氨酸作亲水基 它广泛存在于各种微生物 植物 无脊椎动物的消化液 鸡 的卵管 人的皮肤等中 虽然对脂氨基酸的生理意义还不了解 但作为生物膜的存在 它 与维持膜结构及膜机能有关 而且存在于皮肤的角质层中 也与保湿作用有关 硫放线菌素 类是微生 物的产物 有高表面活性 3 磷脂系生物表面活性剂 这是磷脂与糖脂在复合脂中形成的一大领域 大致分为甘 油磷脂和鞘氨磷脂 甘油磷脂是以磷脂酰酸作基本骨架 由具有羟基的各种化合物构成 结构式如下 鞘氨磷脂是由具有脂肪酸鞘氨醇盐和胆碱乙醇胺的化合物构成 结构式如下 磷脂是构成生物体膜的成分 广泛存在于微生物 植物和动物体内 但从微生物制取见 于报道的甚少 大豆卵磷脂是典型磷脂生物表面活性剂 大豆卵磷脂具有高安全性和生物降解性 广泛 用于食品 医药和化妆品生产 4 其他生物表面活性剂 这类生物表面活性剂包括脂肪酸系生物表面活性剂和高分子 系生物表面活性剂 脂肪酸系生物表面活性剂包括所有的脂肪酸类 如动物体分泌的胆汁中存在的胆汁酸即 属于这类生物表面活性剂 高分子系生物表面活性剂代表物有烃类化合物转化细菌产生的生物乳化剂和烃类乳化剂 前者的主要成分为多糖蛋白质 脂质 后者为多糖 脂质 2 源于微生物的生物表面活性剂 由微生物开发生物表面活性剂不同于由植物和动物开发 在制备技术及经济效果方面非 常有利 并且可以大量生产 1 糖脂系生物表面活性剂 这类糖脂系生物表面活性剂有鼠李糖脂 藻蛋白糖脂 槐 糖脂和其他糖脂 鼠李糖脂是由微生物产生的具有表面活性的物质 鼠李糖脂有多种 其结构式如下 1949 年 加尔维斯 Jarvis 对绿脓杆菌 N0 141 N0 142 产生的具有抗生活性糖月旨迸 行了研究 该物质是由 2mol 鼠李糖作糖基 2mol 羟基癸酸作脂肪酸基构成的酯结合型糖 脂 即鼠李糖脂 它对革兰阳性菌有抗生性 对革兰阴性菌无抗生性 绿脓杆菌 SIB7 残株对烃类化合物的发酵有促进作用 而这种促进物质即为鼠李糖脂 SIB7 残株为工业用表面活性剂 它与吐温 20 和壬基酚聚氧乙烯醚 Noigen EAl41 等具 有同样的表面活性 这可从它对烃类化合物具有同样的乳化能力来佐证 除鼠李糖脂 外 鼠李糖脂 l 鼠李糖脂 鼠李糖脂 对烃类化合物发酵亦都有促进作用 藻蛋白糖脂是由节细菌属 短杆菌属 棒状杆菌属 诺卡菌属 以及分枝杆菌属的烃分 解性细菌产生的 这种产物具有很强的乳化能力 称为藻蛋白糖脂 I 具有酯结合的藻蛋白 糖脂 的乳化能力更强 可用作乳化剂 其结构式如下 由烃分解性细菌产生的生物表面活性剂产量低 还没有达到实用的生产水平 以发酵生 产的糖脂为起始物 用有机化学方法可生产出更有用的衍生物 但目前在技术上尚有困难 还不能应用于各种工业生产中 从野草花蜂蜜中分离出来的槐糖脂有槐糖脂工和槐糖脂 槐糖脂 I 是由好渗透性酵母 属 Toru1opsis bombica1aATCC 22214 产生的 槐糖脂 是由 Candida bogoriensis 从葡萄 糖产生的 下面为槐糖脂 的结构式 1 R1 R2 CUCH3 2 R1 COCH3 R2 H 3 R1 H R2 COCH3 4 R1 R2 H 5 异构内酯 6 R1 R2 COCH3 7 R1 COCH3 R2 H 8 R1 H R2 COCH3 9 R1 R2 H 槐糖脂利用其富有反应性的端羧基和槐糖的羟基 可制成各种烷基酯衍生物 或各种环 氧乙烷加成衍生物 槐糖脂的结构稳定性高 由其可制得各种衍生物 是糖脂系生物表面活 性剂中最有应用前途的 由 T bombico1a KSM 36 发酵产生的槐糖是混合脂 与酸或碱作用容易变为具有化学稳 定的乙内酰醚键的单一糖脂 酸 槐糖脂与糖脂系工业表面活性剂 斯盘 吐温和糖脂比较 有非常高的 HLB 值 适合作洗涤剂 因此 将酸 槐糖脂中脂肪酸末端的游离羧基与甲醇或 乙醇等低级醇等进行酯化后形成甲基槐糖脂或乙基槐糖脂 它们可用于洗涤剂的生产 其洗 涤效果优于糖脂 槐糖脂的羧基与高级脂肪醇进行酯化反应生成烷基 槐糖脂衍生物 槐糖脂的羟基与环 氧乙烷或环氧丙烷进行加成反应则得到聚氧乙烯或聚氧丙烯衍生物 它们可用于增溶剂 润 湿剂和乳化剂的开发 C1 C18烷基 槐糖脂衍生物的 HLB 值从 7 45 加成数摩尔环氧丙烷的聚氧丙烯 槐糖脂 衍生物 其物理化学性质显著地不同于烷基 槐糖脂 它有较强的油性 为水中乳化油 槐糖脂及其衍生物对皮肤有奇特的亲和性 赋予皮肤柔软性和湿润性 目前 利用发酵 生产槐糖脂 由其获得的聚氧丙烯 槐糖脂已用于化妆品的生产 其他糖脂有甘露糖赤藓醇脂和黑粉菌酸 前者在酸 碱介质中化学不稳定 易脱去脂肪 酸基 所以用它来制备新的有用的表面活性剂是有困难的 黑粉菌酸是具有抗生性的糖脂 有良好的表面活性 2 酰基缩氨酸系生物表面活性剂 属于酰基缩氨酸系生物表面活性剂的主要有硫放线 菌素和脂氨基酸 硫放线菌素是由枯草杆菌产生的 其表面活性相当于十二烷基硫酸钠 具有溶解血栓的 性能 是一种优异的表面活性剂 但由于产量低 毒性强 限制了其开发 脂氨基酸方面 已知的鸟氨酸酯和西利里平酯 cerieipin1ipid 的结构式如下 此外 由烃分解性酵母产生的乳化剂物质 由五种氨基酸和脂肪酸构成 和棒状杆菌属产 生的脂缩氨酸对烃的乳化能力都很好 对若干烃有增殖促进作用 3 磷脂系生物表面活性剂和脂肪酸系表面活性剂 磷脂分为从大豆渣滓和卵黄分离制 得的卵磷脂和由微生物产生的各种磷脂 如前所述 卵磷脂是用于食品乳化的良好表面活性 剂 目前已能工业规模大量生产 得到广泛应用 由微生物产生的磷脂由于产量小 目前应 用还不够广泛 脂肪酸系生物表面活性剂有柯立诺麦克酸 corynomyco1ic acids 和斯匹克斯堡酸 spi cu1isporicacid 柯立诺麦克酸具有特异的表面活性 可用来分离 回收石油馏分 斯匹克斯堡酸的表面活性与十二烷基硫酸钠相似 具有良好的降低表面张力的作用 是 一种低泡沫表面活性剂 可用作金属防锈剂 抗静电剂 防雾剂 除油剂以及透氧剂等 4 高分子系生物表面活性剂 高分子系生物表面活性剂有烃类经烃分解棒状杆菌发酵 产生的生物乳化剂 及烃类经 Acinetobacter SP RAC 9 发酵产生的乳化糖 此种生物乳化 剂含糖 20 70 蛋白质 5 和组成不明的天然聚合物脂质 它可用作油田的石油三次回 收剂及环境的油污染去除剂 上述乳化糖是由 N 乙酰半乳糖胺 N 乙酰半乳糖胺醛酸及氨基糖构成的脂多糖 在多 糖上有脂肪酸酯键 其相对分子质量为 106 是具有乳化能力的脂多糖 这种乳化糖对烃类 化合物有特异的乳化能力 对除去石油污垢特别有效 可用作油轮贮油罐和燃料库的无害洗 净剂 生物表面活性剂在结构上有其特征 故必定还有人们所未发现的新表面活性功能 借助于高效液相色谱法可望大量制备它们 给深入研究其物理化学性质创造了条件 生物表面活性剂的概况与发展 内内 容 容 生物科学是一门古老的科学 在制药工业 食品工业中已得到了很大的应用 如其产 品有 食品稳定剂 乳化剂 维生素 氨基酸 蛋白质 食品酶 酶制剂 特种脂肪酸 保 水剂 风味剂及发泡剂等 近年来 生物学 尤其是分子生物学有了突破性的进展 使生物技术显出巨大的前景 在 许多原来与生物体系或生物技术似乎无关的领域 如 原材料处理 加工工艺 产品改良 汰 选 废物处理 能量再循环以及节能等方面都具有了应用的可能性 在石油化工方面也逐步 获得较大应用如 MEOR 石油脱沥青 粘度控制 脱硫 溢油控制 废水处理及解毒 乳 化 破乳等 由于应用范围和规模的不断扩大 生物制品的销售额也就逐步上升如 1980 年全 球生物技术产品销售额为 2500 万美元 而 1988 1990 年为 270 亿美元 预计在本世纪末将达 到 5000 亿美元 表面活性剂素有 工业味精 之称 在各个工业领域中都有广泛的应用 但化学合成表面活 性剂受到原材料 价格和产品性能等因素的影响 同时在生产和使用过程中常常会带来严重 的环境污染问题以及对人体的毒害问题 生物技术快速发展 生物制品销售见好的今天 如 果能够利用生物技术生产出活性高 具有特效的表面活性剂 就可以避免以上出现的各种问 题 生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时 在其代谢过程中分泌出具有一定表面活 性的代谢产物 如 糖脂 多糖脂 脂肽或是中性类脂衍生物等等 1 生物表面活性剂的形成和制备 生物表面活性剂的形成 许多微生物都可能仅靠烃类为单一碳源而生长 如 酵母菌和真菌 主要利用直链饱和烃 细菌则除了降解异构烃或环烷烃以外 还可能利用不饱和烃和芳香族化 合物 微生物要利用各种烃类 就必须使烃类通过外层亲水细胞壁进入细胞 受降解酶作用而 被降解 由于烃基水溶性非常小 因此各种微生物常以不同方式解决这一问题 一些细菌和酵母 菌分泌出离子型表面活性剂如 Pseudomonas sp 产生的鼠李糖脂 Torulopis sp 产生的槐糖脂 另一些微生物产生非离子型表面活性剂如 Candidalipolytica 和 Candidatropicalis 在正构烷烃 中培养时产生胞壁结合脂多糖 Rhodococus erythropolis 以及一些 Mycobacterium 和 Arthrobacter sp 在原油或正构烷烃中产生非离子海藻糖棒杆霉菌酸酯 并且同一种细菌有时在不同的培养基和不同的环境中可分泌形成不同的表面活性剂 如 AcinetobacterSP ATCC31012 在淡水 海水 棕榈酸钠溶液以及十二烷烃中 辅以其他必要成 份 均可分泌生成一种属聚合糖类的表面活性剂 但是 AcinetobacterSP ATCC31012 在十八烷 烃中则分泌生成微结构相似的另一种表面活性剂 通过在温和条件下将这两种表面活性剂水 解又可获得其它结构相似的表面活性剂 由此可见 在烃基质中培养时 许多微生物都可以有利于烃基质被动扩散而进入细胞内的 效应 这是通过微生物产生的一大类物质而起作用的 这类物质就称作 生物表面活性剂 生物表面活性剂的制备主要分为培养发酵 分离提取 产品纯化三大步骤 培养发酵 由于细菌种类成千上万 每种可分泌生成表面活性剂的细菌其要求的碳源不同 辅助成份不同 加上所要求的发酵条件不同 因此各种细菌的培养发酵便不同 在此就不一一叙 述 而对大多数细菌所分泌形成表面活性剂的分离提取 产品纯化均有一些类似的方法 如萃 取 盐析 渗析 离心 沉淀 结晶以及冷冻干燥等 下面以 AcinetobacterSP ATCC31012 为例简单介绍一下分离提取 产品纯化这两方面 当 AcinetobacterSP ATCC31012 在特定的培养基中 在一定温度和湿度下 通过一定时间的 发酵以后 将发酵液慢慢冷却并加入电解质 使发酵液分为两层 取出上层澄清部分 沉淀部分再 用饱和电解质溶液清洗 并离心分出上层清亮部分 合并两次的液体部分用硅藻土过滤 将收集起来的沉淀溶于水中 用乙醚萃取后 再用蒸馏水渗析 然后通过冷冻干燥即可得到 一种属于聚合糖类的生物表面活性剂的粗产品 得到粗产品后便要进行产品纯化即 取一定量的粗产品溶于水中 在室温下加入十六烷基 三甲基溴化铵 使其凝聚沉淀 然后进行离心分离 沉淀部分用蒸馏水清洗 再将洗后的沉淀溶于 硫酸钠溶液中 不溶部分用离心方法除去 然后加碘化钾 形成的十六烷基三甲基碘化铵沉淀通 过离心除去 所剩的清液部分用蒸馏水渗析 然后通过冷冻干燥得到一种白色固体 纯净的生 物表面活性剂 2 生物表面活性剂的性质 表 1 Rhodococcus 和 Pseudomonas sp 产生的糖脂在模拟地层水中 40 下的表面活性和界面活性 同一般化学合成的表面活性剂一样 生物表面活性剂分子中也含有憎水基团和亲水基 团两部分 憎水基一般为脂肪酰基链 极性亲水基则有多种形式如 中性脂的酯或醇功能团 脂 肪酸或氨基酸的羟基 磷脂中含磷的部分以及糖脂中的糖基 生物表面活性剂能显著降低表 面张力和界面张力 如表 1 表 2 除此之外 还具有其它特有的性能 如 Pseu domonassp 产生的鼠李糖脂的乳化性能很好 优于常用的化学合成乳化剂 Tween 并且生物表面活性剂具有良好的抗菌性能 这一点是一般 化学合成的表面活性剂难以匹敌的 如日本的 Itoh 实验室从 Pseudomonassp 得到鼠李糖脂具 有一定的抗菌 抗病毒和抗枝原体的性能等 有些生物表面活性剂可以耐强碱 强酸如 D 海藻糖 6 棒杆霉菌酸酯 在 0 1N 盐酸中 70 小时仅有 10 的糖脂被降解 PseudomonasaeruginosaS7B1 产生的类蛋白活化剂在 pH 为 1 7 11 4 范围内非常稳定 并且 有许多生物表面活性剂耐热性非常好 如表 3 表 3 温度对生物表面活性剂的 1的影响 同时由于生物表面活性剂是天然产物 因此具有更好的生物降解性 鉴于人们对生物表 面活性剂的研究还很少 因此对各种生物表面活性剂的各种性质的测试报道还不多 3 生物表面活性剂的应用 由于生物表面活性剂有其特殊的性质 因此生物表面活性剂在石油化工方面有着广泛的 应用如 德国 WintershullAG 公司 美国 PhillipsPe troleum 公司 Petroferm 公司 PetroleumBioResources 公司 Petroge neticAG 公司 GeneticsInternational 公司 以及 WorneBiotechnolgy 公司都采用了 MEOR 技术 microbialen chancedoilrecovery 在 MEOR 技术中 生物表面活性剂起到了非常独特的作用 如由 AcinetobacterSP ATCC31012 分泌而制备的一种聚合糖类的生物表面活性剂 可以在高浓度盐的环境中 非常有效地将一采 二采后仍遗留在油井中的脂肪烃 芳香烃和环烷烃彻底乳化 同时其本身基本不会被地层中 泥沙 砂石所吸收 并且用量非常小 这种生物表面活性剂在清洗贮油罐 油轮贮仓 输油 管道以及各种运油车时也非常有效 首先其用量很小 仅需处理油污量的千分之一到万分之一 并且最后形成的乳液用通常的物理和化学方法便可破乳 洗下的油可以回收 生物表面活性 剂还大量应用于乳化 破乳 润湿 发泡及抗静电等方面 如日本花王 KAO 公司将 Pseudomonas Corynebacterium No cardia Arthrobacter Bacillus 和 Alkaligenessp 产生的生物表面活性剂用于稳定水煤浆以便输送 处理炼油厂废水时 若在活性污泥处理池 中加入鼠李糖脂 会大大加快正构烷烃的生物降解过程 生物表面活性剂在纺织 医药 化妆 品 食品等工业领域中都能有重要应用 生物表面活性剂是由微生物代谢分泌而来 它不同 于通常化学合成的表面活性剂 化学合成的表面活性剂是具有一定毒性的并且不易被生物降 解 而生物表面活性剂是完全可以生物降解并且基本是无毒的 若将炼油厂废弃的油作为烃 基用来培养微生物 这样既可解决炼油厂的环境污染问题 又可获得非常有使用价值的生物表 面活性剂 几乎所有大的石油公司和大的跨国化学公司都在积极地计划发展生物技术 生物 表面活性剂的开发是此项发展计划的主要组成部分 由于工业技术保密 因而从公开发表的文 献中很少能获得这方面的信息 4 生物表面活性剂的前景 生物表面活性剂在石油 化工 医药 化妆品 食品等行业中都有广泛的应用 因而其 市场也是非常大的 并随着社会的进步 科学的发展 应用范围会日益扩大 以上为网上资料 1 卢国满 卢国满 产表面活性剂菌株的筛选 发酵条件优化及定量研究产表面活性剂菌株的筛选 发酵条件优化及定量研究 1 湖南大学湖南大学 2006 生物表面活性剂具有化学合成表面活性剂所无法比拟的环境兼容性及广阔的发展前景 日益受到国内外科学界的关注 丰富生物表面活性剂产生菌资源 提高其在发酵液中产量及 对表面活性剂定量方法进行研究具有广泛的生物学和经济意义 本文通过设计筛选培养基 从饭店下水道污泥中筛选出 12 株生物表面活性剂产生菌 它们都能使复筛发酵液的表面张力 从 68 0 2 mN m 降低到小于 40 mN m 经菌种鉴定 筛选出来的菌种中细菌占大多数 还有 真菌 其中唐昌蒲伯克霍尔德氏菌和犁头霉菌表面活性最好 故采用正交试验对这两株菌种进 行培养条件优化 在最优培养条件下 唐昌蒲伯克霍尔德氏菌 犁头霉菌的生物表面活性剂 产量分别提高了 17 倍 13 倍 通过亚甲基蓝测验和薄层色谱展开 唐昌蒲伯克霍尔德氏菌 所产的生物表面活性剂是脂肽类生物表面活性剂 其 CMC 值为 20 25mg L 在生物表面活 性剂众多种类中 鼠李糖脂是研究最多的一种 所以 本文研究了鼠李糖脂的蒽酮 硫酸法 L 半 胱氨酸 硫酸法 苯酚 硫酸法及其影响因素 结果显示 蒽酮 硫酸法优于其它两种方法 并得出 了其最佳测试条件 发酵液中剩余的葡萄糖 上清液对鼠李糖脂定量分析的影响 2 检样稀释至倾注平板时间对食品中菌落总数测定结果的影响 王淑香 职业与健康 检样稀释至倾注平板时间对食品中菌落总数测定结果的影响 王淑香 职业与健康 2006 16 菌落总数是用来判定食品被细菌污染的程度及其卫生质量的指标 它反映食品是否符合 卫生要求 以便对被检食品做出适当的卫生学评价 在测定过程中每一步的操作均影响到菌 落总数测定的准确性 一般认为较为关键的是样品的处理和稀释 3 蓝色凝胶平板法筛选生物表面活性剂产生菌 沈薇 南京理工大学学报 蓝色凝胶平板法筛选生物表面活性剂产生菌 沈薇 南京理工大学学报 自然科学版自然科学版 2005 04 从某炼油厂废水和油泥样中经富集培养 蓝色凝胶平板和发酵液表面张力的测定筛选出 生物表面活性剂产生菌 8 株 选择其中 2 株 BS 03 和 BS 01 作进一步研究 经初步鉴定 2 株菌均属于假单胞菌属 菌株 BS 03 和 BS 01 的发酵液表面张力由 56 8mN m 分别降至 25 6mN m 和 27 4mN m 电喷雾质谱检测得到菌株 BS 03 的代谢产物鼠李糖脂主要成分是 RhaC10C10 而菌株 BS 01 则为 Rha2C10 和 Rha2C10C10 其临界胶束浓度 CMC 值分别为 326mg L 和 58mg L 菌株 BS 03 发酵液对苯 正己烷 正十八烷 柴油和原油的乳化性能 都大于 70 而菌株 BS 01 发酵液则对这些物质的乳化性能不超过 60 4 宁长发 宁长发 沈薇沈薇 孟广荣孟广荣 杨树林杨树林 产生物表面活性剂菌种的一种快速筛选模型 产生物表面活性剂菌种的一种快速筛选模型 微生物学通微生物学通 报报 2004 03 利用生物表面活性剂具有溶血性和在产生过程中能使蓝色凝胶平板变色等特性 建立了 产生物表面活性剂菌种的快速筛选模型 模型用于从采自油田和炼厂的土样和水样中筛选生 物表面活性剂产生菌 选出 12 株能产生物表面活性剂的微生物 其中 1 株糖脂产量为 6 5g L 产生的糖脂配成 0 5 水溶液 能在 25 将水的表面张力从 71 3mN m 降到 30 5mN m 6 陈翠敏 陈翠敏 府伟灵府伟灵 张晓兵张晓兵 龚雅丽龚雅丽 抗真菌药敏试验在抗真菌药敏试验在 3 种不同琼脂平板的比较 中华种不同琼脂平板的比较 中华 医院感染学杂志医院感染学杂志 2006 年年 11 期期 摘要 目的通过对临床常用的 5 种抗真菌药物的纸片扩散法药敏试验 对 3 种真菌药敏 培养基进行比较分析 方法选用 5 种 Rosco 公司的 Neo Sensitab 抗真菌药敏纸片 在 Shadomy 改良琼脂 RPMI 1640 琼脂 RPMI1640 和葡萄糖亚甲蓝 M H 琼脂 GMB M H 3 种培养基上对 80 株临床分离酵母菌检测 以 Shadomy 改良琼脂为对照 结果对于 5 种抗真 菌药物其敏感性 RPMI 1640 琼脂与 Shadomy 改良琼脂相比较 它们的符合率相同都较高 亚 甲蓝 MH 无其他两种的符合率高 RPMI 1640 和 GMB M H 与 Shadomy 相比都显示了较好 的相关性 P106cfu m l 备用 将素琼脂固体培养基融 化后倒入培养皿 待冷却凝固后 等距平稳地将 3 个已经灭菌的牛津杯放在固体培养基平面上 再将分别培养 细菌的 LB 以及培养霉菌的 PDA 半固体培养基融化冷却至 40 50 移取 1ml 菌悬液到培养基中 混匀 然 后用移液管移取 8 ml 含菌培养基至素琼脂平板上 待凝固后 拔出牛津杯 用移液枪取 30 l 不同浓度脂肽 加入牛津孔内 以生理盐水作对照 每个处理重复 3 次 最后细菌放置于 37 培养箱培养 24h 霉菌置于 28 培养箱培养 48h 培养完成后 取出培养皿测量抑菌圈的直径大小 纳豆素中分离的 Bacillus nattoTK 1 发酵产生的脂肽为一种生物表面活性剂 具有较强的表面活性 脂 肽在 512mg L 的浓度下可将水的表面张力从 72 3mN m 降低到 30 1 mN m 其中 CMC 为 115mg L 丛集运动和形成菌斑是细菌在物体表面传染的关键行为 致病菌对器官的粘连是许多传染病以及人体 肠道疾病发生的第一步 因此 尝试抑制致病菌对受体部位的粘附力 对预防某些流行性疾病的发生和传染 具有重要意义 15 抗粘连实验结果表明 脂肽能明显抑制部分致病菌对 96 孔板固体表面的粘附能力 其中 对 沙门氏菌的抗粘连效果较为显著 抑菌实验表明 脂肽具有较广泛的抑菌谱 对灰霉以及镰胞霉的抑菌效果尤为明显 说明脂肽是一种非常 有潜力的抗菌剂 目前 脂肽的抑菌机理还不十分明确 被广为接受的一种解释为它可以结合到微生物的细 胞膜上 其上含有较多的磷脂 在达到一定浓度时产生 去垢剂 一样的效应 破坏细胞膜的结构 造成胞内 物质外泄 最终导致细胞死亡 16 17 本实验脂肽对不同指示菌的抑制效果有一定差异 推测与菌体磷脂双 分子层极性头的甘油分子 C3 位上的 R 基团不同有关 不同种类的微生物具有不同的 R 基团 如磷脂酸 磷脂酰甘油 磷脂酰乙醇胺 磷脂酰胆碱 磷脂酰丝氨酸或磷脂酰肌醇等 不同的 R 基团与脂肽的结合 能力不同 从而造成了脂肽对指示菌的不同抑制效果 18 具体的抑菌机制还有待进一步的研究证实 曹小红 廖振宇 王春玲等 Bacillus nattoTK 1 产脂肽的纯化 抑菌活性及其表面活性剂 特性 中国生物工程杂志 2008 28 1 44 48 摘要 铜绿假单孢菌在葡萄糖 甘油 石蜡 菜油培养基中合成鼠李糖酯生物表面活性剂的 最高产量分别为0 48 g L 18 90 g L 2 28 g L 13 50 g L 根据各碳源的代谢特点和相应 的发酵动力学 分析认为葡萄糖和短链烷烃不适合生物表面活性剂的合成 甘油发酵中细胞生 长和产物合成沿着相同的代谢途径 细胞的适应性好 鼠李糖酯产量高 从经济性考虑 菜油是大 规模生产生物表面活性剂的首选碳源 菜油浓度对细胞生长和产物合成的影响类似于液体石蜡 实验经过优化选用4 的菜油进 行发酵研究 图6为菜油发酵的过程曲线 微生物生长周期较短 鼠李糖酯的合成也是开始于 细胞生长的稳定期 并在100 h出现一个明显的产物过程 接着细胞快速衰亡 鼠李糖酯的合成 也很快停止 估计是由于碳源限制造成的 这可以通过加碳源来进一步提高产率 虽然菜油在 支持细胞生长方面不如甘油 鼠李糖酯的产量也略低 但从降低成本的角度考虑 以菜油作为碳 源并辅以合理的发酵工艺将是工业发酵生产鼠李糖酯的首选 通过上述实验可以看出 四类碳源均支持铜绿假单胞菌的生长 但遵循完全不同的代谢途 径 葡萄糖培养基中只有微量鼠李糖酯合成 动力学研究证明 甘油发酵中的糖酯合成是生 长相关型的 而对于疏水性底物而言 鼠李糖酯的合成开始于细胞生长稳定期 属于次级代谢 过程 其中 菜油对生物表面活性剂的大规模生产具有优势 经过进一步的菌种选育和发酵工 艺设计可以得到更高的产率 菜油浓度对细胞生长和产物合成的影响类似于液体石蜡 实验 经过优化选用4 的菜油进行发酵研究 图6为菜油发酵的过程曲线 微生物生长周期较短 鼠李糖酯的合成也是开始于细胞生长的稳定期 并在100 h出现一个明显的产物过程 接着细 胞快速衰亡 鼠李糖酯的合成也很快停止 估计是由于碳源限制造成的 这可以通过加碳源来进 一步提高产率 虽然菜油在支持细胞生长方面不如甘油 鼠李糖酯的产量也略低 但从降低成 本的角度考虑 以菜油作为碳源并辅以合理的发酵工艺将是工业发酵生产鼠李糖酯的首选 通过上述实验可以看出 四类碳源均支持铜绿假单胞菌的生长 但遵循完全不同的代谢途 径 葡萄糖培养基中只有微量鼠李糖酯合成 动力学研究证明 甘油发酵中的糖酯合成是生 长相关型的 而对于疏水性底物而言 鼠李糖酯的合成开始于细胞生长稳定期 属于次级代谢 过程 其中 菜油对生物表面活性剂的大规模生产具有优势 经过进一步的菌种选育和发酵工 艺设计可以得到更高的产率 钱欣平 阳永荣 孟琴 利用不同碳源合成生物表面活性剂的研究 日用化学工业 2002 32 1 p 15 17 驱油用表面活性剂 一 前言 表面活性剂是一类具有两亲结构的特殊化学物质 它们能够吸附在表 界 面上 在加入量 很少时即可显著改变表 界 面的物理化学性质 从而产生一系列的应用功能 表面活性剂 分子结构由亲水基和疏水基 也称亲油基 两部分组成 其中 亲油基一般由长链烃基构成 结构上差异较小 以碳氢基团为主 碳原子在8 20之间 亲水基部分的基团种类繁多 差 别较大 一般为带电的离子基团和不带电的极性基团 表面活性剂被称作 工业味精 可 以用于洗涤 润滑 食品 化妆品 农业 采油等多个行业 多个领域 在油田作业中 表 面活性剂可用于油田钻井 采油和集输环节 用于采油时 能够做驱油剂 堵水剂 酸化用 添加剂 降粘剂和降凝剂以及油井的清蜡和防蜡 目前 表面活性剂驱油主要是用于各种化 学驱油方法中 二 概述 1表面活性剂用于驱油的基本情况 表面活性剂驱是在油层中注入表面活性剂水溶液驱油的方法 利用表面活性剂采油并非最近 才提出来的一种方法 20世纪20年代末 德格鲁特就曾提出水溶性表面活性剂有助于提高 原油采收率 当表面活性剂溶入溶液时 双亲基团会在液 固接触面 液 液界面及体相的溶 液中发生定向分布 当极性基团与矿物 岩石的表面结合时 就会破坏原油边界层 把边界 层中束缚的原油解脱出来 成为可流动油 极性的水分子或亲水基团就会占据颗粒表面 从 而使矿物 岩石表面由油湿变为水湿 同时发生油水界面张力降低 原油乳化 油滴聚并等 现象 使原油采收率得以提高 目前 应用表面活性剂提高采收率发展有两种不同的方法 一种是注入低浓度大段塞 15 60 表面活性剂溶液 表面活性剂溶于油或者水 溶解 的表面活性剂与称为胶束的表面活性剂聚集体相平衡 注入油层的溶液可以降低油水界面张 力 从而提高原油采收率 第二种则是把小段塞 3 20 高浓度表面活性剂注入油层 与原油形成微乳液 但是 随着高浓度段塞在油层中的运动 溶液被地层流体稀释 该过程 就转变为低浓度驱了 因此 第一种被称为低张力表面活性剂驱油体系 第二种被称为微乳 液驱油体系 目前 倾向于采用低浓度大段塞表面活性剂 使用表面活性剂作为提高原油采 收率的驱油技术主要包括活性水驱 碱水驱 微乳液驱 泡沫驱 增稠水驱 正向异常液驱 胶束 聚合物驱和三元复合驱等 实际应用的表面活性剂驱油体系十分复杂 主要包括表面 活性剂 油 水 电解质 控制粘度的稠化剂 提高或保护主要表面活性剂性能的助表面活 性剂和堵水剂等 2 驱油用表面活性剂分类用作驱油剂的表面活性剂品种多 按照亲水基团的结构 即表 面活性剂溶于水时的离子类型来分类 是最为常见的驱油用表面活性剂分类方法 通常有5 种类型 阴离子型 阳离子型 两性离子型 非离子型和混合型 按照疏水基分类 主要分 为疏水基为碳氢基团的碳氢表面活性剂和疏水基为全氟化或部分氟化碳氟链的表面活性剂 按照分子量大小分类 可以分为低分子量表面活性剂 分子量一般为300左右 和高分子表 面活性剂 分子量一般在1000或者数千之上 按照三次采油技术中油藏条件对表面活性 剂性能的要求分类 可以分为耐盐表面活性剂体系 耐温表面活性剂体系 耐盐耐温表面活 性剂体系和特殊油藏条件下的表面活性剂体系 按照来源分类 可分为天然表面活性剂 合 成表面活性剂和生物表面活性剂 按照表面活性剂的溶解特性分类 可以分为水溶性表面活 性剂和油溶性表面活性剂 目前 国内外驱油配方中应用最多的表面活性剂是阴离子磺酸盐 类 石油磺酸盐 烷基磺酸盐 芳基磺酸盐及硫酸盐 与羧酸盐类 非离子型表面活性剂 聚氧乙烯型 和表面活性剂复配物等 表1概述了离子型驱油用表面活性剂的特点 3 对驱油用表面活性剂的要求 随着各国的主力油田相继邻近和进入高含水开发阶段 利用表面活性 剂或者其复配体系的EOR研究和试验日趋增多 在目前的技术水平下 对 表面活性剂的应用主要提出了以下几方面的要求 1在油水界面上的表面活性高 使油水界面张力降至0 01 0 001兆牛 米以下 溶解度 浊 点和pH值适宜 能够降低岩层对原油的吸附性 2在岩石表面的被吸附量小 3在地层介质中扩散速度较大 4低浓度水溶液的驱油能力较强 5能够阻止其他化学剂副反应的发生 即具备 阻化性质 6能耐高温 7能耐高矿化度 8成本低 目前应用较为广泛的石油磺酸盐类表面活性剂就是成本相对较低的一类表面活性 剂 实际注表面活性剂驱油时 应该综合考虑地层矿物组分 地层水 地层温度 注入水 油藏枯竭程度以及成本等各方面的因素 选择合适的表面活性剂类型 目前 国内外采用最多的驱油用表面活性剂是以钠盐为主的阴离子表面活性剂 它是最符合 上述要求的表面活性剂 而阳离子表面活性剂在地层易发生吸附和沉淀 不易产生超低界面 张力 而且毒性较大 因而不适于三次采油用 非离子表面活性剂可产生超低界面张力 而 且此类体系耐盐 耐硬水能力很强 具有良好的乳化性能 具有良好的驱油效果 但非离子 表面活性剂对温度敏感 对环境污染程度大 不适宜大量使用 三 驱油表面活性剂的几个有价值的发展方向 2 生物表面活性剂 1 生物表面活性剂的定义 生物表面活性剂是人们比较关注的一种天然表面活性剂 它有严格的亲水基团和疏水基团 由微生 物产生的化学物质 这种微生物生长在水不溶的物质中并以此为食物源 它们能吸收 乳化 润湿 分 散 溶解水不溶的物质 2 生物表面活性剂的特点 生物表面活性剂具有以下特点 水溶性好 在油 水界面有较高的表面活性 在含油岩石的表面润湿性好 能剥落油膜 分散原油 具有很强的乳化原油的能力 固体吸附量小 反应的产物均一 可引进新类型的化学基团 其中有些基团是化学方法难以合成的 无毒 安全 生产工艺简单 在常温 常压下即可发生反应 3 产生生物表面活性剂的菌种 一般产生生物表面活性剂的菌种生长在水不溶的物质中 如石油烃 聚苯乙烯 橄榄油 煤油 甲 苯 凡士林 二甲苯 并以它们为食物源 提高采收率的生物表面活性剂 多数是从被原油污染的土壤 海水 地表废水中分离出来的 这些微生物能有效地降解脂肪族和芳香烃的烃类化合物 它们利用这些 化合物 在微生物细胞和烃接触的界面上产生生物表面活性剂 表 3 列出了部分产生生物表面活性剂的 菌种与类型 4 生物表面活性剂的分类 生物表面活性剂的来源有整胞生物转换法 发酵法 和酶促反应法 按照生物表面活性剂的化学结构不 同可分为 6 种类型 糖脂类 糖脂 糖醇脂和糖苷 磷脂 脂肪酸 含氨基酸类脂 脂蛋白 脂多肽 和脂氨基酸 聚合物 脂多糖 脂 糖 蛋白质复合物 中性类脂 甘油单双酯 聚多元醇酯和其它蜡酯 特殊型 全胞 膜载体和纤毛 大多数生物表面活性剂是糖脂 其他的像缩氨酯 脂蛋白和异聚多糖的 结构更复杂 有多种微生物可以合成不同类型的生物表面活性剂 与此分类方法类似的是将其分为糖脂 系生物表面活性剂 酰基缩氨酸系生物表面活性剂 磷脂系生物表面活性剂 脂肪酸系生物表面活性剂 和高分子生物表面活性剂 5 类 5 应用及效果 生物表面活性剂用于油田提高采收率的研究已有 60 多年的历史 就目前的研究来看 地衣杆菌 JF 2 是研 究最多的产表面活性剂菌种 美国 德国 前苏联及中国等国家都进行了实验研究 效果良好 应用生 物表面活性剂提高原油采收率成功的矿场试验有以下几个实例 西德的 F Wagner 试验室研制了海藻糖脂等生物表面活性剂 并已申请专利 在北海油田进行了矿场试 验 加入海藻糖脂 50 毫克 升 驱油效果提高 30 与一般的化学表面活性剂相比 驱油效果增大 5 倍 美国的俄克拉何马大学用两种方法验证了直接向地层注入微生物表面活性剂和注入活的微生物细菌地 衣杆菌 JF 2 美国专利号 4522261 对原油提高采收率的影响 两种方法都获得了良好的效果 四 表面活性剂驱油机理 表面活性剂驱油的机理要么是改变分相流动关系 比如降低界面张力或者增加粘度 要么是改变相态特 性 比如原油部分溶解在水相内或者水溶解在油相内 1 基本化学机理 水驱后采出残余油的机理分为两类 一类是在流经岩石时油相对水相的速度发生了改变 另一类是液相 组分发生了改变 注入表面活性剂引起的相对流速的变化可以通过改变的分流量或者相对渗透率和流体 相粘度进行描述 水相和油相组分的改变 可以用拟三元平衡相图或者在某些特定的情况下 用这种相 图的非平衡模拟来表示 对基本机理的描述和证明已经是定性的 涉及到的主要因素有 1 油相 水相 粘度比 2 油相和水相的相对渗透率曲线 3 油相和水相间的界面张力 4 三元相态图 水 油 化学剂 单两相区的双节点曲线和准线 2 使分流量发生改变的基本机理 1 降低界面张力 表面活性剂驱油方法的主要机理是能够降低油相和驱替水相之间的界面张力 科学研究表明 当富含表 面活性剂的半固体颗粒在水相中扩散 到达油水界面时 就可形成超低界面张力 如果张力足够低 将 原油俘获在孔隙空隙内形成油滴或者残余油块的毛细管力会被削弱 油滴就可以在粘滞力和重力的作用 下流动 注水开发后期 毛管数一般为 10 6 10 7 当毛管数提高到 10 2 时 理论上原油采收率可以达 到 100 根据毛管数的公式 只有界面张力值的降低才能使毛管数的数量级提高 油水界面张力通常在 20 30 兆牛 米范围之内 而理想的表面活性剂可以使油水界面张力降至 10 6 10 7 兆牛 米 一般情况 下 毛管数达到 10 4 以上 剩余油饱和度就会随毛管数增加而有显著下降 进而达到提高采收率的目的 此时一般界面张力要达到 10 2 10 3 以下 能使油水间界面张力降低到这种程度 能满足驱油要求且成 本较低的表面活性剂并不是非常易得的 该机理涉及到的最重要的无因次变量毛管数 Nc 即达西定律压 力梯度与界面张力控制奋斗着毛细管力的比值 在毛细管力足够高时 即界面张力足够低时 油滴变为 可流动的 油相的分流量 fo 增加 该分流量是相体积流量与通过岩石孔隙空间的全部流体体积流量的比 由于分流量会受到相粘度比的强烈影响 还会受到毛细管压力梯度的影响 因此 根据多孔介质相对渗 透率来说明界面张力降低的效果更为简单 2 改变润湿性 润湿性是采油中需要注意的一个重要条件 因为驱油效率与岩石的润湿性密切相关 适宜的表面活性剂 可以使原油与岩石的润湿接触角变小 降低油滴在岩石表面的粘附力 如果原始润湿条件不利 可以通 过加入化学剂改变孔壁的润湿性 进而提高采收率 润湿性是渗吸和排泄动态 毛细管压力和相对渗透 率的综合作用 可以从中性润湿性和混合润湿性条件下的亲水转变为亲油 Salathiel 认为 混合润湿性可 能是对原油开采最为有利的因素 因为在混合润湿条件下 水相粘附在大面积的孔隙表面上 但是原油 附着的连续通道延伸到了孔隙表面之外 结果为在常规水驱过程中 沿这些通道在薄膜上流动的原油能 够排泄 使残余油饱和度极低 表面活性剂和腐蚀性流体能够改变润湿性 通过改变孔隙空间内流体相 的分布 润湿性改变可以强烈地影响相对渗透率 并因此影响到分流量 这是一个很重要的采油机理 但对流体分布的改变了解不够 所以无法确定地下润湿性 因而也难以控制润湿性 3 封堵孔隙 当孔隙空间的喉道被固体微粒 乳状液滴 泡沫 聚合物聚集体或者其他物体堵住后 即出现孔隙堵塞 局部堵塞会造成渗透率降低 困此能够提高宏观波及效率 通过提高局部压力梯度 可能沿主要渗流通 道或潜在流道形成的局部堵塞 就能形成毛细管数增加的区域 因此可以帮助驱替被俘获的油滴 但这 样的反应极难控制 恰当的表面活性剂复配体系可以出现孔隙封堵效应 4 改变粘度比 加入表面活性剂复配体系可以增加水相的有效粘度 从而改变粘度比 根据达西定律 改变粘度比会使 原油分流量增加 此外 粘度比改变的一个结果是可能会抑制粘性指进的不稳定性 在发生选择性孔隙 封堵时 在水相中局部生成的高粘度会导致微观压力梯度的出现 因此 可以帮助驱扫被俘获的油滴 但这一反应不易控制 3 使相态特性改变的基本机理 4 使视相态特性改变的基本机理 在表面活性剂存在的情况下 非混相的水相和油相通过多孔介质的流动会伴有稳定状态的乳状液的形成 其中所涉及到的机理 除了孔隙内的拉伸流动和剪切形成的正常乳化作用 还有被称作自发乳化作用的 机理 即 认为乳状液是在因扩散造成的过饱和三元溶液的沉淀作用下生成的 1 水包油乳化作用 水包油乳化作用发生时 如果乳化状态足够稳定 将会生成溶解作用的非均衡类似物 也即 曾经以细 小的分散油滴存在的原油仍旧留在水为连续相的乳状液 水包油乳状液 内 能够被采出 只是随后需 要进行油水分离 如果乳状液拟相以及任何与之接触的非混相次相的视组分和表观特性都是仅仅由它们 的总组分确定的 那么一定存在一个拟相图 2 油包水乳化作用 油包水乳化作用会形成胀溶作用的非均衡类似物 也就是说 曾经以小水滴的形式扩散的水留在油包水 乳状液内 表面活性剂在适当的盐度下能够与原油形成油包水型乳化液 其粘度远远高于原油的粘度 这种高粘度乳化液既可以调节地层流体间的流度比 又为剩余油的剥落和剥落油滴的聚并起到了很大的 作用 同时 由剥落油滴乳化聚并形成的高粘度富油带也起到一个活塞推进的作用 综上所述 含表面 活性剂驱油的机理是非常复杂的 但驱油机理并非是单一的 而是多种机理并存 只是某种机理起主要 作用 比如 一般低张力表面活性剂驱主要机理是降低油水相间界面张力 改变润湿性 乳化作用等 而微乳液驱的主要机理是混相和增溶作用 同时乳化作用也在起作用 五 应用实例 根据文献 ASP 是目前表面活性剂驱油的一个重要应用方向 矿场试验很多 但从文献来看 矿场试验 主要是在我们国家做的 尤其是大庆油田 因此 我们对此没有做出调研 六 结论 1 常用的驱油用表面活性剂有阴离子磺酸盐类与羧酸盐类 非离子型表面活性剂和表面活性剂复配物等 其中已工业化生产的石油磺酸盐和烷基苯磺酸盐为主的阴离子磺酸盐类表面活性剂在驱油方面应用尤为 广泛 依然是当前的主导方向 2 生物表面活性剂是微生物生命活动的产物 其以水溶性好 高界面活性 良好的润湿性 吸附量小 引 入人工无法合成的基团 无毒安全 工艺简单等等优点用于驱油 使之成为一个有前途的发展方向 3 水驱后采出残余油的机理分为两类 在流经岩石时油相对水相的速度发生了改变和液相组分发生了改变 表面活性剂驱油机理非常复杂 多种机理并存 只是某种 某些起主要作用 4 表面活性剂作为驱油剂既可以作为主剂单独注入 表面活性剂驱 微乳液驱 也可和其他试剂复配注入 三元复合驱 表面活性剂 聚合物复合驱等 在注入时既可以单一段塞注入 也可以和其他试剂段塞配 合注入 张蕾 驱油用表面活性剂 中外科技情报 2006 10 8 32 摘要 对从大庆油田分离到的一株枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis ZW 3代谢的脂肽生物 表面活性剂的理化性质 CMC值 乳化活性 对温度 矿化度的稳定性 降低油水界面张力 能力 进行了测定 同时进行了物理模拟实验 研究结果表明 该脂肽表面活性剂具有优良的乳 化和降低油水界面张力的能力 并可以适应油藏中复杂的环境 可提高采收率9 2 在微生物 采油中具有较好的应用前景 表面活性素是生物表面活性剂脂肽 又名脂酰肽 的一种 是微生物产生的次生代谢产物 1968年 Arima等首次发现Bacillus subtilis IFO3039能够产生脂肽类生物表面活性剂 1 是迄 今报道的效果最好的生物表面活性剂之一 被命名为表面活性素 它是由一个LLDLLDL 共7 个短肽 手性序列的亲水基团和 羟基脂肪酸的疏水基团形成的内酯环 具有马鞍型的结构 近来 研究者利用高分辨 1H NMR结合分子成形技术确定了表面活性素的三维结构模型 2 4 由于脂肽及其他生物表面活性剂具备多种活性 因此它们可以应用于石油开采等众多工业领 域中 Java heri等报道了 5 Bacillus licheniformis JF 2在严格缺氧的条件下能产生多种降低 培养基表面张力 小于30m