鼠李糖脂生物表面活性剂、其制备方法及其在三次采油中的应用

摘要

一种鼠李糖脂生物表面活性剂,是以鼠李糖脂发酵液作为主要成份,含有以下组份:菌体干细胞、中性脂、极性脂X、鼠李糖脂、多糖及金属离子和阴离子。用鼠李糖脂与其他表面活性剂复配,有很好的协同效应,对其三元复合驱复配体系进行岩芯驱油试验,可降低油田含水率,平均采收率比水驱提高20%,成本较使用单一表面活性剂降低30%。

说明书

本发明涉及一种生物表面活性剂、其制备方法及用途，具体涉及鼠李糖脂生物表面活性剂、其制备方法及其在三次采油中的应用。

当微生物(如球拟酵母-Torulopsis SP.，假单胞杆菌-Pseudom-onasSP，等)在某一特定条件下，如合适的碳源，氮源，有机营养物，pH值及温度等，在生长过程中将分泌出具有表面活性剂的代谢产物于体外，这就是生物表面活性剂。生物表面活性剂也同合成表面活性剂一样，具有以下性能：能明显降低表面张力，特别是油—水的界面张力，形成胶束溶液，使烃类乳化，改变岩石表面的润湿性等；生物表面活性剂易溶于地层水和注入水，在油水界面上具有良好的界面活性，能够洗掉岩石表面上的油膜，具有很好的分散原油的能力，同时在油层岩石表面的吸附量少，所以生物表面活性剂具有很强的驱油能力。据预测，生物表面活性剂成本只有合成表面活性剂成本的30％。由于生物表面活性剂无毒，从生态学的角度来看，生物表面活性剂比合成表面活性剂更有利于环境保护。由于生物表面活性剂具有以上优点，并能通过生物代谢等手段发酵生产，因此受到了生物工程界的普遍重视。

本发明的目的，在于提供性能优良可应用于油田采油作驱油剂的鼠李糖脂生物表面活性剂；

本发明的另一目的，在于提供一种生产工艺简单、成本低、原料来源广泛的制备鼠李糖脂生物表面活性剂的方法；

本发明还有一目的，在于提供这种鼠李糖脂表面活性剂作为驱油剂在三次采油中的应用。

本发明技术方案提供了一种鼠李糖脂生物表面活性剂，是以鼠李糖脂发酵液作为主要成份，含有以下化学组份：菌体干细胞、中性脂、极性脂X、鼠李糖脂、多糖及金属离子和阴离子。

以上所述的鼠李糖脂生物表面活性剂，各组份含量范围如下：

菌体干细胞：    10-17g/L，

多糖：          1.5-3g/L，

中性脂：        14-23g/L，

鼠李糖脂：      15-25g/L，

极性脂X：       2-5g/L，

总矿化度：      25-38g/L。

以上所述的鼠李糖脂生物表面活性剂，所述中性脂包括脂肪酸及单甘油脂、双甘油酯和三甘油酯。

以上所述的鼠李糖脂生物表面活性剂，所述中性脂中含量范围为：

单甘油酯及脂肪酸：    12-17g/L，

双甘油酯：            3.8-5.0g/L，

叁甘油酯：            0.2-0.3g/L。

以上所述的鼠李糖脂生物表面活性剂，所述金属离子包括Na⁺、K⁺、Ca²⁺或Fe²⁺中的一种或一种以上离子。

以上所述的鼠李糖脂生物表面活性剂，所述阴离子为Cl^-、NO₃^-或SO₄^2-中一种或一种以上离子。

本发明技术方案进一步包括制备上述鼠李糖脂生物表面活性剂的方法，包括下述步骤：

a.菌种培养：以假单胞菌为菌种和适宜的培养，选择糠油或玉米油作碳源，通过斜面菌种培养和摇瓶培养，筛选产糖脂高的菌株；

所述培养基包括：

NaNO₃：             0.4-3.4％，

NaCl：              0.05-0.5％，

KH₂PO₄：          0.05-0.5％，

MgSO₄·7H₂O：    0.001-0.01％，

酵母膏：            0.001-0.1％，

微量元素：Zn、Fe、Cu、Mn、Ca，

 pH6-7；

b.发酵：将a步骤筛出的菌株转接入投油化为6-15％的发酵罐中，在pH为5-7、通风、搅拌条件下发酵60-90小时，得到鼠李糖酯发酵液；

c.提取得到鼠李糖脂。

以上所述的鼠李糖脂生物表面活性剂的制备方法中，进一步包括鼠李糖脂的提取，所述提取工艺包括：

C-1分离——降发酵液自然沉降后分离沉淀物；

C-2提取——用乙酸乙酯分三次提取沉淀物；

C-3蒸馏——常压蒸馏除去提取剂得粗鼠李糖脂；

C-4吸附——用硅胶吸附鼠李糖脂的氯仿溶液；

C-5解吸——用氯仿洗涤硅胶得中性脂，再用氯仿——甲醇洗涤硅胶，蒸干得鼠李糖脂。

以上所述的鼠李糖脂生物表面活性剂的制备方法，步骤a中摇瓶培养在30℃±2℃下，培养时间为20-26小时。

以下将结合附图和具体实施例，详述本发明的技术内容以及其带来的显著的技术效果。

图1为本发明鼠李糖脂生物表面活性剂与烷基苯酸盐复配时界面张力图；

图2为本发明鼠李糖脂生物表面活性剂复配体系吸附等温线；

图3为本发明鼠李糖脂生物表面活性剂复配体系天然岩芯驱油效果图。

实施例一、鼠李糖脂发酵液的制备

1.菌种：鼠李糖脂菌种为假单孢菌(Pseudomonas sp.)

2.培养基：

NaNO₃：          0.4％，

NaCl：           0.5％，

KH₂PO₄：       0.05，

K₂HPO₄：       0.8％，

MgSO₄·7H₂O： 0.01％，

酵母膏：         0.1％，

微量元素：Zn、Fe、Cu、Mn、Ca，

pH6.5。当然，培养基的组成与配比可根据实际情况调配。

3.发酵用原料油：以米糠油作为碳源转化糖脂，投油量10％；

4.摇瓶培养：

斜面菌种培养36-48小时，4支斜面

    ↓转接至1大瓶

30℃±2℃振荡(120次/分)

培养20-26小时(3L三角瓶装500ml培养基)

5.发酵罐糖脂生产

鼠李糖脂：在台式10L搅拌发酵罐中加入3.5L发酵培养基，将上述培养好的大摇瓶种子一只500ml转接至发酵罐中，在pH6.5(2N HCl及NaOH调节)，1∶1.5通风及各种投油量搅拌速度等不同条件下生产鼠李糖脂，出料采用一次出料法。如表1

         表1  台式发酵罐鼠李糖脂发酵结果

  批号发酵时间  pH   通风量    (V/V)    搅速  (r.p.m) 投油 (ml) 出料体积  (ml)  糖脂浓度    (g/L)   对培养基  产率(g/L)    1    54  5.0  1∶1.5-    1∶1    230  340  4300    14.09     18.30    2    54  6.5    1∶1.5    480  340  4400    18.08     23.63    3    96  6.5    1∶1.5    480  525  4600    22.4     29.44    4    72  6.5    1∶1.5   480加叶     片  525  4280    20.4     24.94    5    72  6.5    1∶1.5   480加叶     片  525  4000    23.4     26.74    6    72  7.0    1∶1.5   480加叶     片  525  4273    18.09     22.09    7    72  6.5    1∶1.5    800  525  4150    15.42     18.23    8    72  6.5    1∶1.5    800  525  4200    19.76     23.71

6.鼠李糖脂发酵液化学结构分析

发酵液经稀释后高速离心，除去菌体，经乙酸乙酯提取残留脂质，水相部分分析多糖含量、NO₃^-、总氮、金属离子及矿化度等。总脂质是由发酵液经酸化至pH2.5后，由乙酸乙酯提取得到，再经硅胶柱层析用氯仿三次洗涤得到中性脂部分，由氯仿∶甲醇2∶1(V/V)三次洗涤得到极性脂部分。中性脂部分由岛津高压液相层析分析甘油酯等含量。极性脂部分由硅胶柱层析分别由非极性→极性有机溶液剂进行柱层析分离，得到纯鼠李糖脂等不同化合物。

多糖分析采用乙醇沉淀法离心后收集测定，用离子色谱法分析NO₃^-、SO₄^2-含量。金属离子由原子吸收光谱法测定。发酵液总氮由凯氏定氮法测定。类脂物分析由TLC、HPLC、IR、NMR、MS仪等分析测定。

鼠李糖脂的定量测定采用(1)苔黑酚分析法(orcinol)。

                      (2)硫酸蒽酮法用本实施例方法得到的鼠李糖脂发酵液主要组份和含量分析结果如表2-1、2-2、

               表2-1鼠李糖脂发酵液主要组份及其含量

组份g/L   批号鼠李糖脂菌体干重            中  性  脂  多糖  总矿  化度   Na⁺   Cl^-    NO₃^-单甘酯及脂肪酸  双甘酯  叁甘酯    13  23.4  17    12.7    3.89    0.24  2.38    34    7.6    4-7   ＜145ppm    15  20.6  14.6    16.4    5.07    0.31  1.76    30    5.3    3-6   ＜160ppm    23  15.42  16    17.01    4.81    0.21  2.98    32    6.2    4-7   ＜50ppm

                      表2-2  鼠李糖脂发酵结果

批号发酵时间  投料 出 料   V  粗脂  含量    菌体    浓度  粗脂  总量  粗脂  产量    粗脂   提取率粗糖脂分析  纯脂  对培  养基  产率 基  油极性  脂中性脂中试-1  80 250L 37.5L 400L 41.26 g/L  9.5g/L  16.5kg  14.2kg    88.06％  69.9％  30.1％  27.64g/L中试-2  72 250L 37.5L 390L 43.81 g/L  8.8g/L  17.08kg  14.7kg    88％  60％  40％  24.60g/L中试-3  80L 250L 37.5L 395L 41.5 g/L  7.6g/L  16.39kg  13.6kg    82.9％  66％  34％  25.26g/L

          表3  鼠李糖脂发酵液中金属元素含量

元素g/L批号   Na    K    Fe    Mg    Zn    Cu    Mn    Ca    14  7.2    2.1  0.090    0.009    0.01    0.03    0.0032    0.095    17  6.3    2.6  0.052    0.020    0.02    0.064    0.008    0.130

经柱层析分段洗脱分离，IR、MS、NMR分析，鼠李糖脂结构包括R₁及R₂二个组份，其中R₁分子量为504，R₂分子量为650

                                      R₁R₂

实施例二、鼠李糖脂发酵液的提取

发酵结束后将发酵液用硫酸酸化至pH2.5

              ↓

      自然沉降得到沉淀物

              ↓

 用乙酸乙酯分三次提取沉淀物

         ↓减压蒸去乙酸乙酯

       得浆状粗鼠李糖脂

             ↓

  用硅样H吸附鼠李糖脂的氯仿溶液

             ↓

     用氯仿分三次洗涤硅胶H

             ↓

        得到中性脂部分

             ↓接着用2∶1氯仿∶甲醇(V/V)分三次洗涤硅胶H

             蒸干得到鼠李糖脂用上述方法得到鼠李糖脂提取结果列于表4

                      表4鼠李糖脂提取结果

  批号发酵液体积L  酸化用H₂SO₄(1∶1)  沉淀液  体积L乙酸乙酯  用量  回收  溶剂糖脂量  kg    提取率    (％)  中-1  400L    2.84L  110L→50L  320kg 240kg 14.2   86.06％  中-2  390L    2.8L  80L→40L  340kg 247kg 14.7   86％  中-3  395L    2.8L  100L→50L  340kg 250kg 13.6   82.9％

实施例三、鼠李糖脂生物表面活性剂的应用

用旋转界面张力仪分别对单独的鼠李糖脂生物表面活性剂(RH)以及RH与ORS(烷基苯磺酸盐表面活性剂)和PST(石油磺酸盐表面活性剂)复合体系与小井距原油间形成的超低平衡界面张力区域进行测量，结果RH浓度在0.1wt％-0.4wt％范围内，它与原油间的界面张力值只能达到10^-1-10^-2mN/m数量级，并且当RH浓度大于0.2wt％后，界面张力随浓度的增加呈上升的趋势；RH与原油间不能形成超低界面张力；然而，当RH与ORS或PST复合时，与原油间的界面张力可以达到10^-3mN/m数量级(见图1)，说明RH与ORS、PST之间有存在协同效应。

RH复合体系在油砂上的静吸附损失研究

对于一个好的驱油体系来说，要求在地层中的吸附量尽可能低，这样可以在使用较低表面活性剂浓度的同时，尽量有效地发挥其低张力驱的作用。否则所注入的表面活性剂大都被地层吸附掉了，就很难使体系保持原有的低张力区，也就谈不上提高驱油效率了，本例对生物表面活性剂复合体系进行吸附损失研究，图2显示了当NaOH＝1.2wt％，RH分别为0、0.05、0.1、0.15wt％时，生物表面活性剂复合体系的吸附等温线，由图看出，每条曲线都有一个吸附最大值，当达到这个最大吸附量后，再增加表面活性剂的浓度，吸附量也没有什么变化了，说明体系已经达到了吸附平衡，这一吸附规律基本符合Langmuir吸附原理。图中单独ORS的最大吸附量为0.31mg/g砂，而向ORS中加入RH后，可使复合体系的吸附量下降15-25％，这证明本发明生物表面活性剂RH具有降低其他表面活性剂在油砂上吸附的能力，生物表面活性剂的这一特性，是其应用在三元复合驱中的优势之一。

生物表面活性剂复合体系室内岩芯驱油实验

将生物表面活性剂复合体系配方RH(0.2wt％)+ORS(0.15wt％)+NaOH(1.2wt％)+聚合物(1800ppm)，在大庆天然岩芯上进行了4次驱油实验，岩芯驱油实验表明，含水下降，产油率从零上升到60％左右。三元复合驱采收率比水驱分别提高了18.6％、19.3％、20.6％、21.7％，平均提高采收率达到20％，比单独ORS的驱油效率提高了7个百分点，而在提高采收率同等幅度情况下相比较，生物表面活性剂复合体系中ORS的用量，要比单独ORS41三元复合体系中ORS41用量降低50％，折合成本降低了30％以上，这充分显示了生物表面活性剂在复合体系中的作用。如图3所示。

以上通过较佳实施例说明了本发明，可以看出，本发明制备鼠李糖脂生物表面活性剂方法科学合理，最终RH原液中纯糖脂含量达到了20g/L以上的指标；RH与其它表面活性剂有良好的配伍性和协同应用；

生物表面活性剂复合体系能与小井距原油形成超低界面张力，且具有较宽的超低界面张力区。

由于生物表面活性剂的最大吸附量降低15-25％，从而大大降低了表面活性剂的用量。

岩芯驱油实验提高采收率比水驱平均提高了20％以上，在不影响驱油效率的前提下，表面活性剂ORS的用量减少了50％，折合三元复合体系的成本比单独使用ORS降低了30％以上，这充分体现了本发明生物表面活性剂应用的优势，具有良好的经济效益。