生物表面活性劑的生產及其在石油化工中的應用研究

(四川化工職業技術學院，四川瀘州 646005)

1 引言

生物表面活性劑(簡稱BS)是細菌、真菌和酵母在特定條件下，在其生長過程中分泌出的表面活性的代謝產物。與傳統的以石油為原料合成的化學表面活性劑相比，生物表面活性劑具有表面活性高，乳化能力強;具有良好的熱穩定性和化學穩定性;不會對環境造成污染和破壞，專一性強，生產工藝簡便;原料價廉易得。因此，隨著社會的進步與發展和人們環保意識的增強，生物表面活性劑取代化學合成表面活性劑將成為必然趨勢。

2 生物表面活性劑的分類與來源

生物表面活性劑的分類主要是根據它的化學組成和微生物來源。根據親水基的不同，可將生物表面活性劑分為5類:①以糖為親水基的糖脂類，如鼠李糖脂、槐糖脂和海藻糖脂;②以低縮氨酸為親水基的含氨基酸類脂，如脂肽、脂蛋白和脂氨基酸;③以磷酸為親水基的磷脂，如磷脂酰乙醇胺;④以羧酸基為親水基的脂肪酸，如甘油酯、脂肪酸、脂肪醇和蠟;⑤結合多糖、蛋白質及脂的聚合物，如脂多糖復合物和脂雜多糖。表1［1］列出了生物表面活性劑的種類及其微生物來源。

表1 生物表面活性劑的微生物來源

3 生物表面活性劑的生產工藝

生物表面活性劑的合成方法分為兩類，微生物發酵法和酶催化法。國內外對微生物法合成生物表面活性劑已做了大量的研究，并在發酵過程中分離和鑒定了不同種類的微生物和產生的相應生物表面活性劑。

3.1 微生物發酵生產生物表面活性劑

3.1.1 生物表面活性劑產生菌的選育

選育生物表面活性劑產生菌的關鍵在于建立有效的篩選模型。表2介紹了目前常采用的一些篩選生物表面活性劑產生菌的方法。

表2 生物表面活性劑產生菌的篩選方法

從表2中可以看出，以下方法都各有優缺點。因此，在實際篩選生物表面活性劑生產菌的過程中，通常會將2～3種方法結合起來使用［2］。

3.1.2 生物表面活性劑的發酵工藝研究

影響生物表面活性劑的因素有培養基組成和環境因素。

3.1.2.1 碳源對生物表面活性劑發酵生產的影響

許多研究發現，碳源對生物表面活性劑的種類和產量都會產生重要影響。Finnerty和Singer曾報道［11］，脂肽類生物表面活性劑Surfactin中的脂肪酰部分和短肽部分都是直接從糖類合成的。Arlhrobacter paraffineus產生的糖脂類生物表面活性組成會隨培養基碳源而變化;當碳源為果糖時，A.paraffineus就會產生果糖脂;當碳源為蔗糖時，則產生葡萄糖脂和蔗糖脂［12］。

玉米油、豬油(富含非飽和及飽和脂肪)和長鏈醇類能強化生物表面活性劑的產量(100～165 mg/g底物);葡萄糖和琥珀酸鹽之類的親水性碳源卻導致低產量(12～36 mg/g底物)。在Torulopsis bombicola生產各種槐糖脂時，在含10%D－葡萄糖的液體培養基中加入油性基質植物油能夠提高生物表面活性劑產率，產量達到 80 g/L［14－15］。

3.1.2.2 氮源對生物表面活性劑發酵生產的影響

研究表明，氮源對微生物生產生物表面活性劑有關鍵作用。Peypoux和 Michel的研究表明［16］，培養基中L－氨基酸的濃度能夠對生物表面活性劑Surfactin Val－7或Leu－7的生物合成結構產生影響。Yakimov等的研究也顯示，在培養基中添加L－谷氨酸和L－天門冬氨酸可以使Bacillus licheniformis BAS50生產的脂肽類生物表面活性劑lichenysin－A產量分別增加2倍和4倍。Pseudomonas 44T1在橄欖油中生產生物表面活性劑的最好氮源是硝酸鹽。

3.1.2.3 金屬陽離子對生物表面活性劑發酵生產的影響

限制多價陽離子對生物表面活性劑的產量有積極影響。Guerra－Santos等的研究揭示［17］，減少培養基中鎂離子、鈣離子、鉀離子或鈉離子的濃度能夠促進P.aeruginosa DSM 2659合成鼠李糖脂。限制鐵離子濃度可以提高P.fluorescens［18］和P aeruginosa的生物表面活性劑產量。

3.1.2.4 環境因素對生物表面活性劑發酵生產的影響

影響生物表面活性劑產量較多的環境因素有pH值、溫度、氧濃度和鹽度。Desai和Banat的研究證實［19］，溫度、pH值和氧濃度等環境因素可以通過影響細胞的生長和活力來影響生物表面活性劑的產量。鹽濃度同樣可以通過影響細胞活力的方式來影響生物表面活性劑的產量，但是高濃度的鹽對有些產物的產量并沒有多大影響［20］。

3.1.3 生物表面活性劑的分析

微生物產生的生物表面活性劑具有多種化學結構，不同微生物產生的表面活性劑不同，其分析方法也是多種多樣的。生物表面活性劑的結構分析方法主要有:薄層色譜層析、高效液質聯用法、高效氣質聯用法、傅里葉紅外光譜法、核磁分析等。

3.1.4 生物表面活性劑的分離和純化

用于石油工業的生物表面活性劑可以直接使用發酵液，而用于食品和醫藥等行業的生物表面活性劑則對產品的純度要求較高。華兆哲等［21］利用三氯甲烷和丙酮混合液作為洗脫液進行硅膠柱層析可獲得甘露糖赤蘚糖醇脂，Kim等采用(NH4)2SO4分級分離，冷凍丙酮和正己烷處理、硅膠柱層析和Sephadex LH－20凝膠柱層析等步驟。在分離生物表面活性劑，尤其是糖脂類生物表面活性劑時，較多采用溶劑法和硅膠柱法［12］。Kuyukina發現用叔丁基甲醚提取生物表面活性劑時，粗提液中收率高達10 g/L，CMC達130～170 mg/L，表面張力和界面張力分別為29 mN/m和29 mN/m。

3.2 酶催化法合成生物表面活性劑

酶法合成的表面活性劑分子多是一些結構相對簡單的分子。酶促反應合成生物表面活性劑具有:①比發酵法合成品在結構上更接近化學合成商品表面活性劑，因而可以立即應用于化學合成產物原有的應用領域;②通過酶法處理，可以對親油基結構進行修飾，并將之接駁到生物表面活性劑的親水基結構上;③酶法反應具有專一性，可在常溫和常壓下進行，產物易回收，副產物少。

酶法生產表面活性劑主要有非水溶劑催化法和無溶劑法，例如:使用根霉脂肪酶、假單胞菌脂肪酶等催化生成脂肪酸甘油單酯，胰脂酶和放線菌磷脂酶生產磷脂;由假絲酵母、毛霉、青霉、曲霉、紫色桿菌、假單胞菌的脂肪酶、胰脂酶，甚至由枯草桿菌生產的一種脂肽可生產不同的糖酯;由毛霉、根霉和假單胞菌脂肪酶可以生產含氨基酸類脂等。

4 生物表面活性劑在石油化工中的應用

生物表面活性劑應用潛力最大的是石油工業，它對生物表面活性劑的純度和專一性要求不高，可直接使用含完整細胞的發酵液。

4.1 在石油開采中的應用

利用微生物提高石油采收率的技術目前前景看好。通過篩選合適的采油微生物，可產生各種生物表面活性劑，以滿足不同原油和不同地質的要求。本世紀初，國內外許多油田研究機構已成功研制出了鼠李糖脂、槐糖脂、海藻糖脂等多種糖脂型生物表面活性劑，并在現場開采過程中取得良好的效果。

據報道，大慶油田分離得到一株枯草芽孢桿菌代謝的脂肽生物表面活性劑，研究表明，該脂肽表面活性劑具有優良的乳化和降低油水界張力的能力，并可適應油藏中復雜環境，可提高采收率9.2%，在微生物采油中具有較好的應用前景。Youssef等［20］的實驗表明，在注入到石灰巖油藏后，芽孢桿菌能夠產生生物表面活性劑并顯著提高原油的產量。

4.2 在石油污染生物修復技術中的應用

有大量的研究成功地使用微生物和生物表面活性劑結合的方法來修復石油污染的土壤。P.aeruginosa產生的鼠李糖脂類生物表面活性劑能夠增溶烴類化合物，強化其生物降解過程。Das和Mukherjee的研究表明［22］，B.subtilis DM－04和 P.aeruginosa M/NM這三株表面活性劑產生菌能夠在原油污染的土壤中產生自然的、無毒的、可降解的表面活性劑;同時它們的生物表面活性劑能夠在被降解前有效增強原油的生物降解。Bordoloi和Konwar的研究證實［23］，生物表面活性劑可以使烴類混合物的流動性 大 大 增 強;P.aeruginosaMTCC7814 和MTCC7815的產物能夠增強多環芳烴的降解，它們在含有氟和菲的培養基中能分別產生0.38 g/L和0.45 g/L的生物表面活性劑。Saeki等直接對培養有生產表面活性劑產生菌Gordonia sp.JE－1058的培養液在無菌環境下進行噴霧干燥，制成能夠在缺少溶劑情況下有效分散泄漏原油的修復劑JE1058BS;這種修復劑不僅可以通過強化土著海洋微生物的活性來增強泄漏原油的降解，而且它的添加還可以加快原油從被污染的海邊沙灘的驅除［24］。

4.3 在原油清蠟和乳化中的應用

原油中含蠟量較高，會析出蠟晶體固著在井壁，堵塞孔隙通道，降低原油流動性和產量。生物表面活性劑可清洗井壁，溶解固形石蠟，提高原油產量。事實上，生物催化劑還不能完全對石蠟進行清除，只是把石蠟中的大分子物質分解為小分子液態有機物。開采出的原油中都含有水，水中又含鹽分和其他雜質，會加大輸送管線及設備的負荷;同時也會造成設備的腐蝕，對后續工作及相應設備帶來不良影響。油中含水量過高或水中含油量過高，還會帶來二次污染;因此輸出前必須進行破乳脫水處理。

油田原油的破乳脫水技術主要應用的是添加化學破乳劑，但一般情況下，這些化學破乳劑的適應性差、選擇性強、用量大、成本高、效果不佳。生物表面活性劑具有較強的破乳性，不僅能乳化碳氫化合物，而且無毒，能被生物完全降解，對環境不造成污染，還能穩定其乳化體系、分離、回收石油餾分，提高對資源的再利用。勝利油田應用HRB－4型生物破乳劑取得了顯著的效果:原油含水低于15%，較原來降低10%，凈化油含水≤0.5%［25］。

5 展望

生物表面活性劑是最近發展起來的一類新型表面活性劑，目前除了在石油工業受到重視外，在食品工業、洗滌化妝品、環境工程、生物醫療和農業等領域都有廣泛的研究。今后，生物表面活性劑的發展方向主要是圍繞在優化生產技術，降低成本，擴展應用范圍，完善作用機理，消除可能造成的二次污染等問題上。隨著科學技術的發展，生物表面活性劑在各領域的應用范圍必將進一步擴大。

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