真菌硬葡聚糖的生產及在油田上的應用

1、真菌硬葡聚糖的生產及在油田上的應用李冰張建法3蔣鵬舉(南京理工大學化工學院生物化工研究室南京210094)摘要: 真菌小核菌( sclerotium spp1) 產生一種新型非離子型抗鹽抗溫生物多糖聚合物2硬葡聚糖。綜述了該糖的生產, 發酵條件對生產的影響, 及其在油田上的應用。關鍵字: 硬葡聚糖的生產, 油田, 應用中圖分類號: q93 文獻標識碼: a 文章編號: 025322654 (2003) 0520099204production of fungal scleroglucan and its application in the oil fieldli bing zhangjian

2、2fa j iang peng2ju( institute of biochemical engineering , nanjing university of science & technolgy , nanjing 210094)abstract : scleroglucan produced by sclerotium spp1 is a non2ionic polysaccharide biopolymer which has excellent vis2cosifying power in a wide variety of reservoir brines snows high

3、shear resistance and possesses good thermal stability1 thisarticle reviews the production of scleroglucan , the influence of the conditions to the fermentation , and the application inthe oil field1key words : scleroglucan , production , oil field , application硬葡聚糖(scleroglucan) 是真菌小核菌( sclerotium s

4、pp1) 發酵形成的胞外多糖生物聚合物, 分子主鏈由-1 ,3 d-吡喃葡萄糖構成, 每隔3 個葡萄糖單元有一個-1 ,6-吡喃葡萄糖側鏈。分子量約5.4 106 , 分子以棒狀三螺旋形存在, 具有半剛性, 使其具有很強的增稠能力, 抗溫和抗剪切的能力。由於分子總的非離子性, 硬葡萄糖溶液的粘度對鹽不敏感, 主要性能優於黃原膠1 。這種特性決定了其在工業上的廣泛應用, 如造紙業、印染業、食品業、在油田上作為鑽井泥漿的增稠劑、堵漏和完井液、特別是在三次採油上有巨大的應用潛力2 。圖1 硬葡聚糖的化學結構1 硬葡聚糖的生產硬葡聚糖最初由美國pittsburg 公司生產, 後由法國sanofi in

5、dustrie 公司購買了專利。成為這種生物聚合物的主要生產廠家。sanofi industrie 公司採用的菌種為齊整小核菌( sclerotium rolfsii) , 產品有兩個牌號: 將發酵液用醇類沉澱, 乾燥得到的固體粉狀粉末產品actigum cs26 , 它含有菌絲體,硬葡聚糖成分約占75 %; 將發酵液經過過濾, 除去菌絲體後再沉澱, 乾燥得到的固體粉狀產品actigum cs211 , 過濾後而未經乾燥的發酵液, 稱為actigum cs211l 。frank e 等發現了硬葡聚糖這種新型微生物多糖3 , 並於1967 年對其生產方法申請了專利。他們以sclerotium s

6、pp1 如sclerotium rolfsii , sclerotium glucanianm 等為生產菌株,以d-木糖, 蔗糖, d-甘露糖, d-葡萄糖, d-半乳糖, d-果糖, 麥芽糖, 纖維二糖, , l-鼠李糖, 丙三醇, 纖維素和木聚糖中的一種或幾種為碳源生產硬葡聚糖。他們可利用多種碳水化合物, 甚至可用廢料作碳源。以下為一曾經使用過的培養基, 成分為h2o1000ml , nano3 3g , kh2 po4 1g , kcl 015g , mgso4 7h2o 015g , 酵母膏1g , 一水檸檬酸017g , 蔗糖30g , 初始ph 4.54 。硬葡聚糖的發酵屬於生長關

7、聯型。一旦在培養基中接入種子液, 多糖的分泌便開始了, 並以不同的生產速度持續下去, 直到碳源被利用完為止。發酵在20 37 範圍內均可產生多糖, 產糖的最佳溫度範圍為25 30 . 在最佳培養條件下, 在26d內, 均可以得到這種多糖, 最高產量達9.5g/l 。儘管培養基的初始ph 值不是至關重要的, 但仍會對產品的總量和生產速率產生影響。初始ph 在2.09.0 的範圍內均可產生多糖, 產糖最佳ph 在3.55.5 的範圍內。一些研究表明, 在發酵的過程中不對ph 進行控制, 發酵液中多糖的濃度將會大幅度降低。而另外一些資料報導, 並不必對發酵過程中的ph 進行控制。wang y等通過在

8、氣升式發酵罐中的發酵實驗認為, 在低通氣量時是不必要的, 而在高通氣量時控制ph 將提高產量5 。碳源及其濃度: 儘管sclerotium spp. 可以利用多種碳源, 但發酵中常用的碳源為葡萄糖和蔗糖, 碳源的最佳初始濃度為3 %15 % , 但過高的碳源會對菌體的生長產生抑制, 並且影響產品的質量6 。在硬葡聚糖的發酵中, sclerotium 可以利用不同的氮源。酵母膏用量對多糖的產量產生顯著的影響, 其他合適的有機氮源的加入也能提高產品的產量7 。在無機氮源中,經常使用的是no3- 和nh4+, 很多學者認為, 控制氮源對多糖的形成有顯著的影響。而以no3- 作為氮源, 真菌的生物量和

9、多糖的產量要高於以nh4+ 作為氮源的生物量和多糖的產量。生物量的增加隨著氮源用量的增加而增加, 而多糖的產量也有與此相同的趨勢, 氮源的起始濃度越高, 這種趨勢越明顯。控制氮源可以促進真菌中硬葡聚糖的形成, 並且這也是發酵控制中一種最常見的形式。發酵過程中控制po43- 可以提高多糖/生物量, 並且效果要優於控制氮源。隨著kh2 po4 的起始濃度用量的增加, 最大生物量濃度上升而硬葡聚糖的產量會下降, 其最適用量為0.5g/l8 。一些研究表明, 大型發酵罐中的發酵液混合程度在高粘度的發酵中可能會影響發酵的產量, 而有效的混合能夠提高硬葡聚糖的產量。也有研究表明, 在sclerotium

10、的發酵中高的剪切力有利於促進硬葡聚糖的形成9 , 攪拌速率可能影響所有這些因素, 但在攪拌發酵中, 所有這些因素很難相互區別開。生物量和硬葡聚糖濃度隨著攪拌速度的增加均會出現一個最大值, 超過這個攪拌速度後, 發酵液的生物量會降低。這可能是因為物理剪切。過高的攪拌速度會降低產品的分子量8 。接種量不是影響硬葡聚糖發酵的主要的因素, 但是大一些的接種量會在較短的時間內得到較高的多糖產量。一般來說, 其接種量為10 %。加入一些合適的無機物的加入也能使明顯的提高多糖的產量。schiling b m 對硬葡聚糖的連續培養進行了研究, 產量可達7.2g/l/d , 是分批發酵的2 倍10 。2 產品分

11、散性的改進在油田上應用的水溶性聚合物, 對控制油井中流體的流動性很重要。當溶液在注入時, 良好的分散性對避免堵塞油井是必不可少的。許多作者注意到, 只有改善硬葡聚糖的可過濾性才能促進其作為流動性調節聚合物的發展前景。已經提出了一些方法改善聚合物水溶液過濾性和分散性的有效方法11 。這些方法往往是在聚合物溶液中使用表面活性劑, 並且只有當聚合物溶解後才使用。生化合成工藝和後提取工藝的改進也可提高產品的可過濾性。如對硬葡聚糖溶液進行剪切和熱處理。rosangel p 在聚合物製備的過程中加入表面活性劑, 硬葡聚糖在以粉末狀包裝存在時提高其聚合物溶液的分散性和過濾性12 。有人在製備的過程中使用了一

12、種新的乾燥方法, 先用幹空氣處理一段時間, 後暫態( 200ms) 減壓至真空(50mbar) , 迴圈多次, 這樣得到的產品有較好的分散性13 。3 硬葡聚糖在油田上的應用硬葡聚糖作為驅油劑目前已經研究出許多種用於提高原油採收率的聚合物, 包括黃原膠, 水解聚丙烯酰胺, 硬葡聚糖, 丙烯酸與丙烯酰胺的共聚物, 羥乙基纖維素等,具有商業吸引力的只有兩類: 聚丙烯酰胺和生物聚合物。而目前比較成熟的抗鹽聚合物主要是黃原膠, 羥乙基纖維素和硬葡聚糖。硬葡聚糖的主要優點是熱穩定性好, 適應溫度高, 在80 人造的高礦化度地層水中可維持3 個月。在90 海水中粘度可保持500d。在黃原膠已不適應的高礦化

13、度和高溫條件下, 硬葡聚糖也可用作提高採收率的流度控制劑, 增稠能力強, 大約是黃原膠的2 倍。隨著nacl 濃度的增加, 硬葡聚糖的粘度變化比黃原膠小, 說明硬葡聚糖比黃原膠更耐鹽, 該產品ph 的適應範圍廣, 最高可達12 ; 在孔隙介質中的流動性能也最佳, 而且吸附量低。由此可見, 硬葡聚糖是一種優良的抗鹽抗高溫的聚合物。在類似于北海油藏的高溫(90 ) 、高礦化度(tds = 3 ,600mgpl ) 和高壓條件下, 硬葡聚糖具有最大的應用潛力1 。krishnaswamy s 於1987 年用硬葡聚糖作為增稠劑和驅油劑申請了專利14 。硬葡聚糖作為調剖劑在注水波及效率低的油層, 由於

14、高滲透層或裂縫, 用凍膠調剖劑可以改善注水波及係數, 提高採收率。這種凍膠可應用于注水井, 也可應用于生產井, 進行近井地帶或油層深層調剖。最通用的凍膠由交聯劑和聚合物交聯構成。硬葡聚糖不能直接和gr3 + 進行交聯, 重鉻酸鹽可把硬葡聚糖上的羥基氧化成羧基後, 與gr3 + 交聯而形成凍膠15 。而鋯鹽也可與硬葡聚糖交聯。kohler 於1992 年申請了專利,以鈦鹽, 鋯鹽或陽離子的2羥基聚合物與硬葡聚糖交聯成膠, 阻止水進入生產井, 從而降低產出液的含水量。由於硬葡聚糖具有降低失水量、增粘、抑制黏土膨脹等作用,可應用在惡劣條件的鑽井。我國油田的油藏條件變化較大, 既有中溫低鹽油藏, 又有

15、高溫中鹽、高溫高鹽油藏。進入20 世紀80 年代以來, 我國東部大部分油田先後進入高含水開發, 需要各種穩產採油措施和3 次採油技術。加強對硬葡聚糖等耐溫、耐鹽生物聚合物的開發, 必將促進我國採油工業的發展。參考文獻1 劉一江, 劉積松, 黃忠橋, 等1 聚合物和二氧化碳驅油技術1 北京: 中國石化出版社, 200111212 wang y1crit rev biotechnol , 1996 , 16 : 18521513 frank e h , minnetonka m1us patent133018481196714 farina j i , santos v e , perotti n

16、 i , et al1wj microb biotechnol , 1999 , 15 : 30931615 wang y, mcneil b1j tech biotechnol , 1995 , 63 : 21522216 tahrhesia s , mcneil b1enz microb technol , 1994 , 16 (3) : 22322817 haltrich d1inst chem eng symp , 1994 , 6 : 4618 taurhesia s , mcneil b1j chem tech biotechnol , 1994 , 59 : 15716319 w

17、ernau w c1der ind microb , 1985 , 26 : 263269110 schiling b m1bioproc eng , 2000 , 22 : 5761111 rosangela p , huet y, donche a , et al1us patent1522498811993112 rosangela p , huet y, donche a , et al1 us patent1532385711994113 maache r z , rezzoug s a1dry technol , 2001 , 19 (8) : 19611974114 krishn

18、aswamy k1us patent14647312 11987115 史鳳琴1 世界石油科學, 1996 , (6) : 46541_3.3 硬葡聚糖硬葡聚糖(一種非離子型水溶分散性多糖) 由於具有良好的熱穩定性、耐溫性和抗剪切性能上世紀80 年代初在石油工業引起了廣泛關注。最常用的硬葡聚糖堵劑為凍膠體系,目前已有各種交聯體系問世13 。由於它可用於高溫70130 、高礦化度、高ph 值及高剪切下堵水,因而可應用于注水井,也可應用于生產井,進行近井地帶或油層深層調剖。硬葡聚糖不能直接和cr3 + 進行交聯,重鉻酸鹽可把硬葡聚糖上的羥基氧化成羧基後,與cr3 + 交聯而形成凍膠15 。鋯鹽也以

19、類似的機理與硬葡聚糖交聯。另據專利報導16 ,以鈦鹽、鋯鹽或陽離子的-羥基聚合物與硬葡聚糖交聯成膠,可阻止水進入生產井,從而降低產出液的含水量。由於硬葡聚糖具有降低失水量、增粘、抑制黏土膨脹等作用,可應用在惡劣條件的鑽井。6 存在問題及發展方向天然高分子用於油田堵水雖然有許多優點,但也存在著些問題。澱粉、黃胞膠、纖維素衍生物、硬葡聚糖、瓜膠等天然高分子調剖堵水劑已被研究用於油田堵水調剖,但多數尚處於實驗室研究階段,距現場應用實驗及生產使用還有一定的困難。例如澱粉類產品的抗溫能力差,使其進一步應用受到限制,而且提高澱粉類堵劑的抗溫性能的技術難度很大;羥乙基纖維素、羧甲基羥乙基雙改性纖維素曾被用作

20、調剖劑,其耐鹽性較好,但易生物降解,需加入殺菌劑, 因此如何開發耐高溫、不易降解,有效期長的天然高分子堵劑成為天然高分子堵水調剖劑的發展方向。瓜膠雖然具有耐剪切、耐鹽性等優點,但其成本較高限制了其應用。各種天然高分子堵水調剖劑性能各異,僅能應用于特定油藏,因此將各種性能優良的天然高分子堵劑組合不僅可以減少作業次數,且價格相對較為低廉,效果較好,值得大力推廣。上述幾種堵劑除陽離子聚合物ncp 外,均是對近井地帶的堵水調剖,其範圍有限,對儲層深部的不均質性不能改善,因此,深部天然高分子堵劑也是重要的研究方向。圖四、硬葡聚醣(sclerogluca)之化學結構http:/www.degussa-he

21、alth-硬葡聚醣(scleroglucan，圖四)亦屬於一種b-d-葡萄聚醣，與卡德蘭膠不同的是，除1,3-b-d-葡萄糖主鏈外，其多了16鍵結之支鏈。由數種真菌所生產，包括sclerotium rolfsii及木腐擔子菌schizophyllum commune。有些聚合物分枝程度變異甚大，而此影響它們的溶解度。 s. commune生產的小核菌葡聚糖的分枝可能規律地連結至主鏈每隔三個的葡萄糖上。分子量的範圍約為1.3105至6105，有些如sclerotium glucanicum生產的葡萄聚醣之分子量較低(約18000 da)。聚多醣的水溶液黏度高，其中聚合物為三股螺旋的構形。硬葡聚醣

22、溶液為假塑性，且超過20-90其黏度不太為影響。聚合物為中性的，硬葡聚醣的假塑性不為不同的離子所影響，因此勝過如農用玉米糖膠之聚陰離子特性。於許多日本專利中，其可用於改善冷凍食品、日本蛋糕、米製點心及糕點產品之品質。scleroglucan functionality scleroglucan exhibits unique properties, such as: high thermal stability:unlike most natural and synthetic gums, high temperature has little effect on the viscosity

23、of a solution of scleroglucan. below 10 c (50f), the solutions have a semi-gelled appearance which disappears on shaking or heating.solutions of scleroglucan may be sterilized by heating at 121 c (250 f) for 20 hours without affecting its viscosity. yield value and viscosity:solutions of sclerogluca

24、n have a pseudoplastic behavior, with a high yield value. this yield value results in solutions of high suspension power with good pouring properties. anti-settling properties:because of the high yield value of scleroglucan, it is extremely effective in holding particles in suspension, in static as

25、well as in dynamic conditions, without the risk of sedimentation. compatibilities:due to its non-ionic character, scleroglucan is not affected by acids and alkalis over a wide ph range (2.5 to 12) and by most electrolytes. it is compatible, without synergism, with most of the other thickeners such a

26、s guar gum, locust bean gum, alginate, gelatin, xanthan gum, carrageenans, and cellulose derivatives.it is also compatible with most widely-used surfactants such as sulfates, sulfonates and quaternary ammonium salts. scleroglucan remains soluble in mixtures containing up to 50% of polyols and glycol

27、s.molecular structure scleroglucan is a polysaccharide yielding only glucose on complete hydrolisis. although it produces aqueous solutions with a very high viscosity, its molecular weight is not very high: mw = 540,000.the chemical structure consists of beta-1,3-d-glucose residues with one beta-1,6

28、-d-glucose side chain every three main residues.chemical structure of scleroglucan dissolved scleroglucan chains also assume a rod-like triple helical structure, in which the glucose residues are on the outside, thus preventing the helices from coming close to each other and aggregating. in addition

29、, scleroglucan molecules are in a single chain random coil state when they are dissolved in dmso or when the ph is greater than 12.5.manufacturing process scleroglucan is produced by fermentation of a filamentous fungus of the genus sclerotium.scleroglucan is produced in our plant of baupte (normand

30、y), france.main applications thanks to its unique rheological properties, scleroglucan is used in a wide variety of technical applications: oil industry: drilling muds spacer fluids asphalt emulsions cosmetics other technical uses: adhesives water color printing inks brand names scleroglucan is sold

31、 under the brand name actigum cs.3. fungal -glucans: schizophyllan and scleroglucanpd dr. udo rauthe filamentously growing fungi schizophyllum commune and sclerotium rolfsii secrete extracellular polysaccharides, called schizophyllan and scleroglucan, respectively, during growth. both gums possess a

32、n identical primary molecular structure consisting of a backbone chain of 1,3-d-glucopyranose units linked with single 1,6-bounded -d-glucopyranoses at about every third glucose molecule in the basic chain. the molecular weight varies between 6 and 12. a wide range of carbon sources sustain both gro

33、wth and -glucan formation. simple mono- or disaccharides, such as glucose, xylose, mannose, sucrose, maltose but also galactose are utilized as well as polysaccharides as starch or xylan. however, best results were achieved with glucose as carbon and energy source. shear stress as a result of the im

34、peller type used and rotation speed applied as well as an optimum but not maximum oxygen supply are the key factors for enhanced produc負ion. batch cultivations performed under oxygen limitation resulted maximum yields of 13 g/l for both -glucans. both fungi underlie an glucose-induced repression of the formation of -glucanases. therefore, cultivations were terminated after glucose consumption. a major difference between both fungi exists in the formation of diverse by-products. while s. commune forms ethanol s. rolfsii does not possess a fermentation pathway, however, secretes o