产乳化剂菌株及其在提高采收率中的研究进展

何 欣，马天祥✉，于 洋，刘 琦，牛建杰

（1.中国石油大庆炼化公司，黑龙江 大庆 163411；2.中国石油大学（北京）非常规油气科学技术研究院，温室气体封存与石油开采利用北京市重点实验室，北京 102249）

经衰竭开采和注水开采后，仍有约65%的原油由于自身粘度和较高毛细管力被保留在油藏中［1］。传统表面活性剂驱油理论认为，降低油/水界面张力至超低（10-3mN/m）能有效提高原油采收率。然而，近年来部分研究表明油/水界面张力降至超低并非剥离储层残余油滴的必要条件，界面张力降低也不是衡量提高驱油效率的唯一指标［2，3］。现场试验表明，即使一些性能优异的表面活性剂能将油/水界面张力降低至10-4mN/m，也不能达到较好的驱替效果。而且在一些驱油效果较好的表面活性剂驱油现场均发现采出液中存在明显的乳化现象，且驱替效率与乳化程度成正比［2］。研究表明，虽然表面活性剂能通过降低界面张力使得残余油从地层中脱附，但在后续长距离的驱替过程中可能出现再次被地层吸附的现象。油/水乳状液的形成可以在一定程度上避免该负面现象的发生，因此原油的乳化在采油过程中发挥了重要的作用［2，4~6］。

生物表面活性剂按照功能可以分为2类。

（1）是低分子量的表面活性剂，如糖脂、磷脂、脂肪酸、短肽链等，它们可快速吸附在油/水界面处，并在低浓度下降低油—水的界面张力；

（2）是分子量较高的生物乳化剂，通常由多糖、杂多糖、脂多糖、脂蛋白和蛋白质复合混合物组成［7~9］，它们一般不会显著降低油水界面张力，但对油—水界面具有很强的亲和力，有助于乳液的形成和稳定。

生物乳化剂可以通过乳化作用将原油乳化成细小的液滴，从而达到增大微生物与疏水性基质的接触面积、增加疏水性基质的表观溶解度和调节微生物在表面上的附着与脱离的目的。生物乳化剂具有易生物降解、低毒、以及在极端温度和pH值下活性高等优点，可应用于多个领域［10］。但在提高采收率领域中，诸如脂肽类、糖脂类低分子量的生物表面活性剂已经实现了工业化生产，而生物乳化剂因产量低、生产成本高等原因限制其广泛应用，因此，开发性能优异且生产成本低的生物乳化剂是未来提高采收率研究的重要方向之一。

文中介绍了国内外常见生物乳化剂及其分类，分析了生物乳化剂发酵过程的影响因素及纯化方法的优缺点，总结了国内外生物乳化剂应用于提高采收率领域的研究，并对生物乳化剂领域未来的研究和发展方向进行了展望。

1 生物乳化剂生产

1.1 产生菌及主要生物乳化剂

生物乳化剂是由微生物代谢产生的大分子生物表面活性物质，其由疏水、亲水2部分构成，故同时具有亲脂和亲水的性质，酯键、酰胺键或糖苷键可将疏水部分和亲水部分结合［11］。

生物乳化剂的疏水部分通常为饱和、不饱和或羟化的烃链；亲水部分较为多样化，可简单为脂肪酸的羧基，也可复杂到糖脂的多糖基［12］。故可根据亲水基团的不同将生物乳化剂分为糖蛋白、杂多糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白/脂肽、糖脂蛋白等［13］。其中，糖蛋白型是最常见的生物乳化剂类型，抗辐射不动杆菌（Acinetobacter radioresistens）所产的Alasan 与解脂假丝酵母（Candida lipolytica）所产的Liposan 即为典型的糖蛋白型生物乳化剂；森林土芽孢杆菌（Solibacillus silvestris）AM1也会产生1 种糖蛋白乳化剂，其中糖组分含量为3.6%，由半乳糖和五碳糖组成［14］。虽然大多数生物乳化剂中含有蛋白质，但仅含蛋白质的生物乳化剂目前发现较少，嗜热甲酸甲烷杆菌（Methanobacterium thermoautotrophicum）细胞壁上结合1 种细胞相关蛋白具有较高的乳化活性，是为数不多的蛋白质型生物乳化剂之一［15］。

Tao 等研究了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）CICC 20034 产生的蛋白质生物乳化剂AXE 的乳化活性，研究表明AXE 对短链脂肪族和苯衍生物表现出优异的乳化效果［16］。此外，由多种物质组成的生物乳化剂也较为常见，其组成通常包括多糖、脂质和蛋白质。

Zheng等［17］从玉门油田分离出的2株地芽孢杆菌（Geobacillus pallidus）XS2 和 XS3 所产生物乳化剂经化学组成分析此2 种生物乳化剂都是由杂多糖、蛋白质和脂质构成。

曹嫣镔等［18］筛选胜利油田不同区块微生物，得到1株可乳化分散原油的细菌，经鉴定为嗜热脂肪地芽孢杆菌（Geobacillus stearothermophilus），代谢产物主要由糖类、脂类和蛋白质组成［18］。

目前被国内外广泛关注的生物乳化剂主要有Emulsan、Alasan 和 Liposan 等，其来源微生物涉及不动杆菌属、芽孢杆菌属、地芽孢杆菌属等多个菌属。其中，Emulsan 是由醋酸钙不动杆菌（Acinetobacter calcoaceticus）RAG-1 以乙醇或烃类为唯一碳源时分泌的1种胞外生物乳化剂，由阴离子杂多糖和蛋白质组成的复合物［19，20］。

Emulsan 是研究最早的也是研究最为详细的生物乳化剂，是特别有代表性的生物乳化剂之一，其结构见图 1［21］。

图1 Emulsan的结构

Alasan 是由抗辐射不动杆菌KA53 分泌的1 种含有丙氨酸的阴离子型生物乳化剂，能有效乳化长链烷烃、芳烃、多环芳烃、石蜡和原油等多种化合物，其乳化活性成分主要是蛋白质，其中乳化能力最强的蛋白质为外膜蛋白（OmpA）的类似物前体 AlnA［22，23］，其高度疏水性区域呈环状折叠，有助于Alasan的乳化和增溶活性［24］。

Liposan是由解脂假丝酵母（Candida lipolytica）产生的1种由杂多糖和蛋白质复合的生物乳化剂，包括83%的碳水化合物和17%的蛋白质，其中碳水化合物部分是由葡萄糖、半乳糖和半乳糖醛酸组成的杂多糖［25］。

生产乳化剂的菌株来源广泛且种类繁多，生物乳化剂种类也具有多样性，国内外常见的产生物乳化剂的微生物见表1。

表1 产生物乳化剂的微生物

1.2 生物乳化剂的发酵与纯化

生物乳化剂的生产过程可分为发酵和纯化2个阶段。生物乳化剂的生产成本高是生物乳化剂大规模应用的主要限制和挑战。微生物的种类会决定生物乳化剂的化学组成和乳化性能［54］。

1.2.1 影响生物乳化剂发酵的因素生物乳化剂主要是由微生物代谢产生的1 类生物高分子表面活性物质，其产量及乳化能力对环境因素非常敏感［55］。因此，优化培养条件是有效提高生物乳化剂产量与性能的重要途径之一。为微生物生长提供能量的碳源和氮源，以及微生物生长的外在环境，如pH 值、温度和矿化度等都会影响生物乳化剂的产量及乳化性能。

（1）营养物质。碳源既可为微生物提供能量，也会影响微生物代谢产物的类型和数量，生物乳化剂生产中使用的碳源主要包括糖类、烃类、植物油和醇类等［56］。但对部分菌株而言，当仅使用水溶性碳源时产生的生物乳化剂较少甚至不产生，如此就需要在发酵时使用或掺入诸如植物油和烃类等非水溶性碳源。Ortega-de等［57］在对包氏不动杆菌UAM25进行碳源优化时发现相较于醇类和烃类，在以植物油为碳源时其乳化能力更高，可能是因为植物油可直接进入β循环。此外，碳源会影响生物乳化剂的类型。

Colin等［58］探究了以葡萄糖和甘油为碳源对拟无枝酸菌DSM 4525 生产生物乳化剂的影响，研究发现以葡萄糖为碳源制备的生物乳化剂主要是脂多糖，以甘油为碳源制备的生物乳化剂主要是多糖。近年来，有研究发现可以将工农业废弃物和副产品作为低成本碳源用于生物乳化剂生产。

Rulli 等［59］发现特基拉芽孢杆菌以粗甘油为碳源在培养24 h 后可产生2.8 g/L 的生物乳化剂，最大乳化活性为59%（E24）。产生物乳化剂菌株的碳源种类见表2。

表2 产生物乳化剂菌株的碳源种类

氮源是生物乳化剂生产的另1 种重要营养物质，目前广泛使用的氮源包括无机氮源和有机氮源，常见的氮源如 NaNO3、（NH4）2SO4、NH4NO3、尿素及其混合物等［64］。

Dastgheib 等［65］对 1 株地衣芽孢杆菌进行了培养基优化，发现以酵母提取物为唯一碳源，选取Na2CO3为氮源时乳化活性最佳。

Leonardo 等［66］在对 1 株荧光假单胞菌进行培养基优化时发现，当以0.4 g/L 酵母浸粉和3.7 g/L NH4NO3为混合氮源时可以产生糖脂类乳化剂，而在缺少其中1 种氮源的条件下则会抑制生物乳化剂的产生。

李忠洋等［67］在厌氧条件下探究了地衣芽孢杆菌的生长代谢过程，发现电子受体（NaNO3）的引入可以提高菌株的乳化和产气能力。

（2）温度、pH 与矿化度。一般而言，微生物代谢生物乳化剂的最适温度为30 ℃左右，但目前已发现部分嗜热菌可在较高温度（75 ℃）下正常代谢生物乳化剂，主要涉及地芽孢杆菌属和白色芽孢杆菌，为在高温油藏中原位生产生物乳化剂提供了可能［68］。此外，微生物代谢生物乳化剂的最适宜pH 值为7 左右，而一些不动杆菌属的生物乳化剂产生菌株pH 值范围较为宽泛，在pH 值3~12 之间均有菌株能保持正常代谢［7］。而无机盐和微量金属离子也对不同菌株的生物乳化剂生产有着不同程度的影响［69］。Noudeh等［70］在对地衣芽孢杆菌PTCC 1595 进行培养基优化时，发现添加锰铁离子后生物乳化剂产量明显上升。

Monticello 等［71］研究发现培养假单胞菌时，若缺少Mg2+则其发酵液乳化活性将明显降低。

生物乳化剂在极端pH 值、温度和矿化度下均可有效稳定乳液，在各领域具有很大的应用潜力。

Xia 等发现红平红球菌（Rhodococcus erythropolis）OSDS1 在不同 NaCl 浓度（0~35 g/L NaCl）下能制备出高稳定性的生物乳化剂［55］。蒙氏肠球菌Tw278 产生的生物乳化剂在温度（37~100 ℃）、pH（2~10）和NaCl 浓度（5%和20%）变化过程中均比合成表面活性剂具有更高的稳定性［62］。

Zheng 等［60］利用响应面法探究了温度、pH 和盐度对生物乳化剂稳定性的影响，发现苍白空气芽胞杆菌YM-1 温度高于60 ℃乳化活性会轻微下降，pH 值为 9~12 时乳化活性最高，NaCl 浓度大于5%时也可表现出较好的盐度耐受力。

1.2.2 生物乳化剂的纯化在生物乳化剂发酵完成后，发酵液中生物乳化剂浓度往往低于应用时所需浓度，因此需对生物乳化剂进行分离与纯化，其纯化方法可大致分为萃取法、沉淀法、超滤法和层析法等［69］。

有机溶剂萃取法是纯化含脂类生物乳化剂的常用方法，其中氯仿/甲醇混合萃取溶剂对脂肽类生物乳化剂具有良好的纯化效果，乙醇对硝酸盐阴性不动杆菌SM7 菌株所产的糖蛋白类生物乳化剂具有良好的萃取效果［33］。

沉淀法按照所用试剂不同大致可分为盐析、酸沉淀和有机溶剂沉淀。

王志荣等［72］利用75%饱和度硫酸铵从沙雷氏菌属培养液中提纯出了生物乳化剂。乙醇、丙酮和甲醇等有机溶剂则一般用于分离含有多糖和蛋白质的生物乳化剂，2 倍体积冷乙醇可将屈挠杆菌（Flexibacter sp。）TG382 所产的糖蛋白类生物乳化剂提纯［73，74］。

超滤法则是针对生物乳化剂分子量较大的特点，利用超滤膜选择性通过氨基酸和无机盐等小分子，从而实现生物乳化剂的纯化回收［75］。

层析法方面，土地杆菌属MCC-Z 代谢的生物乳化剂可利用凝胶层析柱Sephadex GC-25 进行分离，然后用去离子水洗脱实现提纯［69，76］。

此外，结晶、渗析和泡沫分离等纯化方法也在生物乳化剂纯化中有所应用［77，78］。可根据生物乳化剂的分子特性，如分子量大小、离子电荷性质以及需分离生物乳化剂的数量、分离纯化目的等方面选择不同的分离方法［79］。

2 生物乳化剂在提高采收率中的应用

微生物代谢产生的生物乳化剂具有易生物降解、低毒、以及在极端温度和pH 值下活性高等优点，使其在提高采收率领域有着广泛的应用潜力。

在采油过程中，一方面生物乳化剂可通过乳化作用稳定驱替液中脱附的原油，增强所形成乳状液的稳定性，由于形成的油/水乳状液粘度较大，将继续扩大波及体积从而提高原油采收率［80］；另一方面以原油为碳源的菌株代谢产生的生物乳化剂，通过将原油乳化成更小的油滴以增大菌体与原油的接触面积，从而有利于原油的降解［81］，原油中的重质组分降解后原油的粘度降低，从而提高采收率。此外，也有研究表明生物乳化剂可提高储层高渗区域的流动阻力，降低含水率并提高注入液体积［82］。

目前在提高原油采收率领域被广泛研究的产生物乳化剂菌株主要为不动杆菌、地芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等种属，已实现工业化生产的生物乳化剂 Emulsan，Biodispersan 和 Alasan 也均来自不动杆菌属［7］。滕小兰等［83］从油田污水中分离出 1 株产脂多糖类生物乳化剂的醋酸钙不动杆菌BH-1，其所产的生物乳化剂对煤油的乳化效率为80%，质量分数0.2%时即可与稠油形成稳定的油/水乳状液。

Zhao 等［64］发现当利用十六烷为碳源培养拜氏不动杆菌ZRS 时，其可产生1 种新型生物乳化剂（糖脂蛋白复合物）在pH 为9~12 和温度为4~60 ℃的环境下能形成稳定乳状液，在提高采收率方面具有应用潜力。

地芽孢杆菌属（Geobacillus sp。）为革兰氏阳性，需氧或兼性厌氧，可形成孢子的杆状细菌，其生长温度范围在35~75 ℃之间，适宜pH 值为6.2~7.5 之间［84］。地芽孢杆菌摄取并利用石油烃类的基础来源于其所产的胞外多糖蛋白复合物或称为胞外多糖（Exopolysaccharides，EPSs），是具有良好乳化性能的生物乳化剂［85］。

地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）能够代谢脂肽类和糖脂蛋白类等生物乳化剂并在提高采收率中得到了应用。Suthar 等［80］从油藏中分离出的地衣芽孢杆菌K125 可以产生1 种包含多糖、蛋白质和脂质的生物乳化剂，乳化活性为66%（E24），可以提高43±3.3%的采收率。

Dastgheib 等［65］分离出的地衣芽孢杆菌 ACO1所产生的生物乳化剂乳化活性为65±5%（E24），在模拟岩心驱替实验中原油采收率提高了22%。

Noudeh 等［70］从地衣芽孢杆菌 PTCC1595 上清液中分离出脂肽类生物乳化剂，其对液体石蜡具有良好的乳化作用。

已用于提高采收率领域或具有潜在应用价值的产生物乳化剂菌株及其作用效果见表3。

表3 可用于采油过程的生物乳化剂及其作用效果

3 结束语

生物乳化剂具有乳化性能优异、环境友好和乳液稳定性高的优点，在提高采收率领域有着广泛的应用前景。然而，生物乳化剂还存在着所需浓度较高、生产成本过高和原位生产时产量较低等问题。目前，生物乳化剂在提高原油采收率领域的应用研究还不够深入，现场应用研究也较少。下一阶段的工作可集中于2方面。

（1）生产方面：通过基因工程手段进行定点突变以改变生物乳化剂产生菌株，或向培养基中加入特殊前体以控制生物乳化剂结构，从而得到性状更优异的菌株或乳化性能更加优异的生物乳化剂；通过优化培养基和培养条件以提高生物乳化剂产量，或选择和改进纯化工艺以降低成本；筛选能在油藏特殊环境中高产生物乳化剂的菌株。

（2）应用方面：驱替过程中，乳化机理可分为乳液形成和乳液稳定，表面活性剂通过降低油/水或油/岩石之间的界面张力而使盲端残余原油脱附易于形成乳液，而生物乳化剂则通过稳定被脱附的原油，提高了乳状液驱替过程中的稳定性，从而提高原油采收率。因此，通过将生物乳化剂与表面活性剂复配或能更好的驱替油藏中的残余油，未来需进一步加强此方面的研究。

生物乳化剂在提高采收率中的研究虽起步较晚，但随着其生产过程的不断优化，复配体系和添加剂的持续研发，有望进一步降低成本和提高驱油效率。此外，由于原油价格的剧烈波动，以石油为底物合成的各类化学试剂进行驱油的手段不具备经济效益优势。而生物乳化剂的发酵原料则主要以农业产品或副产品为主，其成本较低且不受原油价格波动的影响，在未来具有较为广阔的应用前景。