生物表面活性劑及其在石油與環(huán)保中的應(yīng)用

1、生物表面活性劑及其在石油與環(huán)保中的應(yīng)用內(nèi)容摘要：關(guān)鍵詞：生物表面活性劑,合成表面活性劑,微生物提高石油采收率(MEOR)摘 要：介紹了生物表面活性劑的基本特性類型生產(chǎn)及其在石油與環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)關(guān)鍵詞：生物表面活性劑,合成表面活性劑,微生物提高石油采收率(MEOR)摘 要：介紹了生物表面活性劑的基本特性類型生產(chǎn)及其在石油與環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用。內(nèi) 容： 表面活性劑在許多工業(yè)領(lǐng)域都占有重要的地位,但化學(xué)合成的表面活性劑由于其原材料來源價(jià)格產(chǎn)品性能和環(huán)境污染等方面的問題,其使用受到一定的限制。為了解決上述問題,人們寄希望于應(yīng)用生物技術(shù)來生產(chǎn)活性高性能優(yōu)環(huán)境友好的表面活性劑。因此,生物表面活性劑的研制開發(fā)

2、受到重視。一 生物表面活性劑的基本特性與類型由微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑,其化學(xué)結(jié)構(gòu)十分廣泛,包括糖脂脂肽多糖 蛋酸絡(luò)合物磷脂脂肪酸和中性脂等。雖然不同種類的微生物所合成的生物表面活性劑具有不同的性質(zhì)與生理功能,但生物表面活性劑都具有下列特性:能降低界面張力;具有較好的熱與化學(xué)穩(wěn)定性;乳化作用。微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑包括廣泛的化學(xué)結(jié)構(gòu),不同的微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑各不相同,其中具有良好性能的生物表面活性劑列于表1。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看,生物表面活性劑可分為糖脂肽脂肪酸和磷脂,其中研究得比較深入的是糖脂。糖脂是由二糖脂化到脂肪酸上構(gòu)成的,常見的糖脂有分枝菌酸脂海藻糖脂鼠李糖脂槐糖脂等。二 生物

3、表面活性劑的生產(chǎn)1 生物表面活性劑生產(chǎn)的基質(zhì)許多微生物都能以烴類為唯一碳源產(chǎn)生生物表面活性劑。因此以烴類為基質(zhì)生產(chǎn)生物表面活性劑是生物表面活性劑生產(chǎn)的主要基質(zhì)。從目前看來,大多數(shù)生產(chǎn)菌都需要某種烴類作為生物合成的碳基質(zhì)。其中酵母菌和真菌主要利用直鏈飽和烴,細(xì)菌則可利用異構(gòu)烴環(huán)烷烴不飽和烴和芳香烴。2 生物表面活性劑生產(chǎn)用菌種與培養(yǎng)基生產(chǎn)生物表面活性劑的微生物可分為三類:完全以烷烴為碳源生產(chǎn)生物表面活性劑,如棒狀桿菌;僅以水溶性底物為碳源,如枯草桿菌;以烴類和水溶性底物為碳源,如假單胞菌。在生物表面活性劑生產(chǎn)用培養(yǎng)基中,碳源是生物表面活性劑結(jié)構(gòu)與產(chǎn)量的關(guān)鍵,其它可能影響生物表面活性劑生產(chǎn)的營(yíng)養(yǎng)成

4、分包括氮源磷源金屬離子和其它添加劑。此外,反應(yīng)條件如溫度培養(yǎng)基pH和溶解氧水平或攪拌速度對(duì)生物表面活性劑的生產(chǎn)也具有重要影響。3 生物表面活性劑合成的調(diào)節(jié)生物表面活性劑的合成可通過油性物質(zhì)的誘發(fā)作用葡萄糖等物質(zhì)的代謝抑制等方法進(jìn)行調(diào)節(jié),改變發(fā)酵條件如溫度等都可對(duì)生物表面活性劑的合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究表明,烴和其它不溶于水的物質(zhì)可以誘發(fā)微生物生產(chǎn)生物表面活性劑。4 生物表面活性劑的提取和濃縮在發(fā)酵液中生物表面活性劑往往濃度低且具親水親油性質(zhì),因此,生物表面活性劑的分離提取和濃縮難度較大,成為生物表面活性劑生產(chǎn)成本的主要組成。 不同的生物表面活性劑具有不同的分離提取和濃縮方法。當(dāng)以不溶于水的烷烴為碳源

5、時(shí),必須在分離提取前先去除殘余烷烴,水溶性胞外生物表面活性劑的分離通常需要多種濃縮步驟;而不溶于水的生物表面活性劑,則可通過離心等技術(shù)進(jìn)行分離。三 生物表面活性劑在石油和環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用與合成表面活性劑相比,生物表面活性劑具有如下突出優(yōu)點(diǎn):化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性為特定應(yīng)用的需要提供了更為廣泛的選擇,而這些特定基團(tuán)一般用化學(xué)方法難以合成;良好的生物降解性使其在使用過程中與環(huán)境友好;生物表面活性劑一般無生物毒性。正是由于生物表面活性劑具有優(yōu)越的理化性能和環(huán)保優(yōu)勢(shì),其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大到農(nóng)業(yè)建筑食品飲料工業(yè)清洗皮革造紙石油及環(huán)保等許多領(lǐng)域。在此僅介紹生物表面活性劑在石油及環(huán)保中的應(yīng)用。1 利用生物表面活性劑

6、提高石油采收率提高石油采收率是提高石油產(chǎn)量的重要技術(shù)措施之一。在當(dāng)前提高石油采收率技術(shù)中,微生物提高石油采收率(MEOR)尤為引人注目,利用微生物所產(chǎn)生或生產(chǎn)的生物表面活性劑提高石油采收率則是MEOR的重要分支。生物表面活性劑提高石油采收率,可將發(fā)酵生產(chǎn)的生物表面活性劑注入油層,更多則是利用篩選的菌種在油層就地發(fā)酵產(chǎn)生生物表面活性劑。生物表面活性劑在油層中能大大降低油水界面張力,使油類乳化,改變油層巖石的潤(rùn)濕性,并籍此達(dá)到驅(qū)油提高石油采收率的目的。利用生物表面活性劑提高石油采收率已在國(guó)內(nèi)外開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究,目前正在逐步走向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。l-1時(shí),石油采收率可提高30%,其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合成表

7、面活性劑。我國(guó)中科院有機(jī)化學(xué)所感光所滲流力學(xué)所等單位對(duì)生物表面活性劑的生產(chǎn)菌種篩選產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)及提高石油采收率的應(yīng)用效果進(jìn)行了大量研究;大慶油田對(duì)海藻糖脂及其與合成表面活性劑提高石油采收率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明,單一表面活性劑可降低大慶原油界面張力至0.40.6mNm-1;混合生物表面活性劑降低至0.1mNm-1;海藻糖脂-堿二元體系降低至0.03mNm-1;海藻糖脂與石油磺酸鹽可降低至0.006mNm-1。利用海藻糖脂-石油磺酸鹽體系可提高石油采收率15%。2 生物表面活性劑在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用生物表面活性劑具有無毒易生物降解等環(huán)境友好性,因而十分適合于環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。如為了消除土壤中有機(jī)污染

8、物,可利用生物表面活性劑使污染物分散增溶乳化,進(jìn)而促使污染物盡快生物降解,有人利用鼠李糖脂去除土壤中的脂肪族和芳香族烴類。生物表面活性劑在油污土壤的治理等領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。四 化學(xué)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略1，環(huán)保的政策及法規(guī)自1995年加拿大化學(xué)品制造者學(xué)會(huì)(CCPA)，首先推行了“關(guān)懷責(zé)任” 制度。其目的是追求安全、健康與環(huán)境保護(hù)：1990年加拿大CCPA、美國(guó)化學(xué)品制造商協(xié)會(huì)(CMA)、歐洲化學(xué)工業(yè)聯(lián)盟(CEFIC)、澳大利亞化學(xué)品制造商協(xié)會(huì)(ACIA)、日本化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)(JCIA)和英國(guó)化工協(xié)會(huì)，共同發(fā)起組織國(guó)際化工協(xié)會(huì)(ICCA)，向世界相關(guān)國(guó)家推薦“關(guān)懷責(zé)任”制度，以保證各國(guó)化工企

9、業(yè)安全生產(chǎn)、環(huán)境無擂染和職工健康。ICCA成立后提出：(1)化學(xué)物質(zhì)和產(chǎn)品的開發(fā)制造、流通和廢棄過程中，都有人身安全、健康和影響生態(tài)環(huán)境問題，在生產(chǎn)中有副產(chǎn)品、廢渣、廢水、廢氣問題。(2)某些有害性的化學(xué)物質(zhì)在空氣中暴露多少量是安全極限。判斷和計(jì)量都要公開，保證市民的安全。(3)化工產(chǎn)品到1998年6月止，美國(guó)CA (化學(xué)文摘)編號(hào)已迭1400多萬個(gè)。每年都有近百萬個(gè)新品種登記。實(shí)際在市場(chǎng)上流通的化學(xué)品約有10萬種對(duì)這些化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，需要各協(xié)會(huì)通力合作。(4)為了加強(qiáng)化學(xué)品的管理，除生產(chǎn)企業(yè)和用戶企業(yè)外，當(dāng)?shù)氐木用褚惨獏⑴c監(jiān)督管理。企業(yè)每年都要將執(zhí)行人身安全、事故減少和減少污染環(huán)境情況

10、，以書面報(bào)告送交化學(xué)協(xié)會(huì)或制造商協(xié)會(huì)。向各股東匯報(bào)企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀況時(shí)也要報(bào)告環(huán)境保護(hù)與管理情況。目前，環(huán)保工作的重點(diǎn)是對(duì)人體內(nèi)分泌有害的物質(zhì)，它們的毒性機(jī)理是：有類似雌激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，影響生殖的內(nèi)分泌。如何控制要作為法規(guī)來規(guī)定，做出科學(xué)的定論。日本政府1998年撥款來完成有毒物質(zhì)的檢測(cè)工作。美國(guó)的研究對(duì)象約是2800種。美國(guó)化學(xué)品制造商協(xié)會(huì)(CMA)投人約l3億美元，到2003年才會(huì)提出報(bào)告。歐洲委員會(huì)(EC)則以“預(yù)防為主的原則”，先收集實(shí)例，重點(diǎn)在聚氯乙烯用的增塑劑和兩種與多氯聯(lián)苯(PCB)結(jié)構(gòu)相近的農(nóng)藥品種，對(duì)接觸它們有無受到污染和影響進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，然后對(duì)環(huán)境中這些有害物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)出安全

11、極限。其次是研究如何排除和開發(fā)取代它們的新品種2，可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略目前，為了滿足2040年人們生活的需要，工業(yè)界必須減少廢物料、能源的使用量垃圾的利用率要進(jìn)9O以上才行。據(jù)化學(xué)周報(bào)預(yù)測(cè)，2050年全世界人口可達(dá)到100億，現(xiàn)在已將近6O億。可持續(xù)發(fā)展是個(gè)大問題，因此，必須采取相應(yīng)的措施以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要(1)化工企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)上應(yīng)以現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)，依靠提高設(shè)備效率和技術(shù)革新積累資金 采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理的IT技術(shù)；工藝、設(shè)備和催化劑的改進(jìn)要不斷推陳出新；要加快并購，增強(qiáng)實(shí)力，搶占市場(chǎng)。(2)組織機(jī)構(gòu)方面，總公司、董事會(huì)、主管企業(yè)和各分公司的戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)效益，各分公司設(shè)立是按地區(qū)劃分；分公司總經(jīng)

12、理除負(fù)責(zé)全權(quán)處理本地區(qū)的業(yè)務(wù)外，還兼管全公司主要產(chǎn)品中某幾個(gè)類別產(chǎn)品的全面業(yè)務(wù)，雙重分工負(fù)責(zé)制。采取戰(zhàn)略和資金集中管理，又是專業(yè)經(jīng)營(yíng)，便于靈活競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。(3)在技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)方面，發(fā)展工廠-學(xué)校-研究院所的三結(jié)合方式。聯(lián)合研究開發(fā)，共享科研成果，積累技術(shù)，為發(fā)展做準(zhǔn)備。產(chǎn)品發(fā)展中，在有資源地區(qū)或有銷售市場(chǎng)的發(fā)展中國(guó)家，建石化產(chǎn)品中的上游產(chǎn)品，而在歐美的老化工基地，以發(fā)展精細(xì)化學(xué)品為主。(4)能源和水是化工生產(chǎn)的關(guān)鍵，也是可持續(xù)發(fā)展、保持清潔無污染的關(guān)鍵。各大公司均在治理“三廢”、減少污水和有害物質(zhì)排放，在節(jié)約能源方面下功夫。許多企業(yè)已做到了生產(chǎn)上升， “三廢 排放逐年降低。(5)資源綜合利用方面，做的較好的是紙張。回收廢紙，重新利用，約占7O左右 水的重復(fù)利用也在70 8O。二氧化碳的排放得到控制，減少重柴油和燃料油燒鍋爐，而改用天然氣。此外，開發(fā)風(fēng)力、燃料電池等新能源，也是在初創(chuàng)時(shí)期。風(fēng)力發(fā)電，受季節(jié)影響，中小型的適用，發(fā)展較快。大型風(fēng)力發(fā)電，限于自然條件不容易推廣參考文獻(xiàn):1易紹金.生物技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用及其動(dòng)態(tài)J.石油與天然氣化工,1988,17(4):2732.2方云編譯.生物表面活性劑M.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1992.3Sung-C