"стабильная микроэмульсия типа "вода в масле" и способ ее получения"

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ойиСлник изовреткнф„, K ПАТЕНТУ

{21) 4830645/04 (22) 16.07.90 (31) 89 2751 (32) 17.07.89 (33) СН (46) 30.12.93 Бюп. Иа 48-47 (71) Эниричерке СлА (!Т) (72) Пьер Луиджи Луиси(СН) (54) СТАБИЛЬНАЯ МИКРОЭМУЛЬСИЯ ТИПА

"ВОДА В МАСЛЕ" И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ (57) Использование: очистка сырой нефти от серусодержащих соединений, микроорганизмы в микроэмупьсии типа "вода в масле". Сущность изобретения: стабильная однофазная микроэмупьсия типа

"вода в масле" включает сырую нефть и/ипи продукты ее переработки, воду, микроорганизмы ипи их части и капиппярно-активные веществэ. 8 качестве (в> Я3 (и) 1839631 ЛЗ (SI) 5 802 Р17 ОО С 36G32 ОО водной фазы микроэмупьсия содержит концентрированный водный раствор микроорганизмов и/ипи их частей. Допопнитепьно эмульсия может содержать ПА8, выбранное из группы: оксиэтипированные низшие спирты, эфиры ВЖ киспот С -С фосфотв 35 ропипиды Микроорганизмами являются бактерии. обладающие восстанавливающей ипи окиспяющей активностью. Содержание концентрированного водного раствора микроорганизмов 0,001 — 100 об. ч. на 100 об. ч. сырой нефти Первоначально готовят концентрированный водный раствор микроорганизмов, который затем сопюбипизируют в сырой нефти и/ипи продукте ее переработки. При необходимости сырую нефть предваритепьно смешивают с ПАВ в количестве 0,1 — 10 % от массы нефти.

2 с и 3 зл.ф-пы, 4 ип.

1839631

Изобретение относится к стабильным однофазным растворам микроэмульсий типа "вода в масле", содержащим микроорганизмы, которые получают из сырой нефти или производных сырой нефти. 5

Для того чтобы удалить серусодержащие продукты из сырой нефти, лигроина и производных, давно предпринимались попытки найти микробиологическую процедуру, Использование микроорганизмов описано, например, в исчерпывающем обзсре (1).

Позднее были предложены микроорганизмы по ссылкам (2 — 6).

Проблсма удаления серы иэ сырой нефти связана с удалением серы иэ угля, и в приведенных литературных данных (1 — 6) и в других ссылках (7, 8) этот предмет всесторонне обсуждается, Данная проблема обсуждается в статье Андрюса и Манзуга.

Поскольку почти все микроорганизмы и также приведенные выше с трудом могут существовать в сырой нефти, как правило, они работают в двухфазных системах. где микроорганизмы вводят в водную фазу, которая не смешивается с сырой нефтью. Реакция происходит на границе раздела фаз, поэтому необходимо постоянно обновлять контактирующие поверхности с помощью интенсивного перемешивания. Новые инте- 30 ресные материалы, свидетельствующие в пользу двухфазных ьистем, появились недавно, В этом случае автооы использовали в Органической фазс капиллярно-активные агенты (твин 80 — зарегистрированная тсрг- 35 овая марка), которые обладают способностью к г".остроению обратимых мицелл в

Органических растворителях. Они достигли таким путем значительнво ycr«:".à в удалении серь из угля. Авторы однако предуп- * 0 реждают о том. что энзимные препараты гораздо более эффективны, чем соответствующие микроорганизмы как таковые (6), Конечно, было бы преимуществом для микробиологического разрушения, если бы 45 оно происходило в гомогенной фазе, а не в двухфазной системе. Но это означает, что необходимо найти условия, при которых микроорганизмы могли бы присутствовать в растворе, рассеянные гомогенно в сырой 50 нефти

СОлюбилизация ВОдорастворимых flpo"" теинов и других биополимеров в органических растворителях с помощью обратимых мицелл или микроэмульсий "вода в масле" известна уже несколько лет (9 и 10), В противоположность обычным водным мицеллам обратимые мицеллы образуются в неполярных растворителях. В этом случае применяются капиллярно-активные агенты, которы» Образу от сфероидальные агрегаты, в которых полярные головки молекул капиллярно-активного агента образуют полярное ядро. В таком ядре возможно солюбилиэировать воду (водный резервуар), когда содержание воды в трехкомпонентной системе сравнительно высоко, говоря о микроэмульсии "вода в нефти"; а не о обратимых мицеллах. Однако на практике разделение этих двух областей не является очень четким.

Изобретение иллюстрируется фиг."1 — 4.

На фиг,1 схематически изображены (а) нормальная, т.е, водная, мицелла и (б) обратимая мицелла; на фиг,2 — введен е протеина в водный реэерьуар (водное ядро) обратимой мицеллы; на фиг.3 — отличие между двухфазной системой, содержащей бактерии (а), и соответствующей однофаэной системой (б); на фиг.4 — стабильность клеток, солюбилизированных в сырой нефти с помощью смеси фосфолипидов (товарное наименование "Азолектин", 65 мМ) и воды (1М), как показано в примерах.

Отличие между нормальной мицеллой, т.е, водной (а), и обратимой мицеллой (б) показано на фиг,1, Водный резервуар в обратимых мицеллах или в микроэмульсии "вода в нефти" имеет большое значение. так как становится возможным растворить биополимеры в таких водных каплях при вторичном солюбилизационном процессе. Получают термодинамически стабильные растворы, обладающие прозрачностью и в которых знэимы сохраня От свою активность.

Графическое представление процесса олюбилизацил дано на фиг,2.

Ранее было также обнаружено, что

E,cori бактерия и другие небольц. ие бактерии могут быть солюбилизированы в растворителе изопропилпальмитате (ИПП) с помощью капиллярно-активного агента таин 85 (зарегистрированная торговая марка) (11). В растворе капиллярно-активного агента твин 85 в ИПП образуются обратимые мицеллы сразу, после того как был добавлен небольшой обьем раствора, содержа.цего микроорганизмы, Пока концентрация бактерий и/или объем воды не .слишком велики, Образуется прозрачный раствор, в котором находятся активные и живые бактерии. Этой же группе ученых удалось солгзбилиэировать митохондрии в этой же системе (12).

Позднее группой ученых из Мехико было объяснено (13), что возможно солюбилизировать споры, бактерии и дрожжевые клетки в1олуоле, используя фосфолипиды в качестве капиллярно-активных агентов, од1839631 нако с пониженной жизнеспособностью клеток. Все исследования, приведенные выше по бактериям в гомогенной фазе, проводились в ограниченном числе наиболее распространенных органических растворителей; сырая нефть и другие существующие в природе масла не упоминались до сих пор.

Целью изобретения является улучшение способа, приведенного выше, и получение стабильных, однофаэных растворов микроэмульсий "вода в масле", содержащих микроорганизмы и/или части микроорганизмов.

Основная характеристика изобретения состоит в найденных условиях, в которых бактерии, дрожжевые клетки и другие микроорганизмы могут быть солюбилизированы в сырой нефти, причем таким образом, чтобы они не погибали долгое время независимо от выбранной системы. Микроорганизмы вводят в водный раствор несколькими способами (микрораспылением, техникой внутреннего распыления), и вода полностью солюбилизируется сырой нефтью.

Ситуация в случае солюбилизации протеинов может быть графически представлена, как показано на фиг,2.

Интересно отметить, что клетки остаются в растворе, хотя можно было бы предложить, что они из-за своих размеров должны быть склонны к седиментации из раствора уже через небольшой промежуток времени из-за сил гравитации, а также к агрегации, He привлекая никакую специальную теорию, предложили, что стабилизация микроорганизмов в растворе является следствием образования микроэмульсии: микроорганизмы, в особенности бактерии, присутствующие. в водных каплях, являются компонентом микроэмульсионной системы

"вода в масле" и, естественно, в качестве вещества другой природы остаются слипшимися в стабильные агрегаты. которые геометрически эакры ы молекулами капиллярно-акт -вного агента. Вероятно, бактерия защищена несколькими водными слоями и слоем молекул капиллярно-а :тивного агента, что и делает возможной ее растворимость в органической среде, Фиг.3 предлагает графическое представление, которое однако дано чисто схематически, поскольку точные экспериментальные данные о структуре мицеллярных агрегатов бактерии не получены. Значимая разница в плотности между микроорганизмами и растворителями и удачное значение инкремента коэффициента преломления fn/dc ответственны за оптиче5

50 скую чистоту и уменьшение дисперсии света, Указанное выше — факторы, ответственные зэ образование чистых растворов микрорганизмов (бактерий и эукариотических клеток), которые должны быть тщательно изучены.

Растворы, полученные в соответствии с данным изобретением, — устойчивые, прозрачные и гомогенные однофазные системы.

Необходимо отметить, что в растворах, приготовленных в соответствии с изобретением, в отличие от системы (6) не образуется двухфазных систем. В соответствии с (6) бактерии не растворяются в мицеллярной фазе, но присутствуют в водной фазе (см. фиг.З,а). Графическое изображение разницы между двумя системами представлено на фиг.3.

Необходимо добавить, что в условиях (6) бактерии не могут передаваться в супернатантную фазу, значит, в системе а) невозможно создать такую ситуацию, которая реализуется всистеме б),,По этим причинам два способа существенно и радикально отличны один от другого.

В соответствии с данным изобретением различные типы бактерий солюбилизируют в продуктах сырой нефти посредством различных капиллярно-активных агентов и/или воды солюбилиэациии не происходит. Получают суспензии клеток, которые сравнительно быстро распадаются.

Было установлено, что в случае определенных типов сырой нефти, которые, как правило. существуют в форме черной суспензии и обычно содержат много веществ, капиллярно-активные агенты вообще не нужно вводить. Другими словами, можно прямо вводить в нефть без всякой предварительной обработки водные растворы, содержащие микроорганизмы.

В основном это явление должно быть отнесено к факту, что сырая нефть уже содержит молекулы, которые похожи на молекулы капиллярно-активных агентов.

Это очень важно с точки зрения биотехнологии, так как процесс микробиологического разложения сырой нефти должен стать много дешевле и проще.

Вода должна добавляться также в каждом случае..Для того чтобы получить единственную фазу, необходимо, чтобы добавленный обьем водного раствора не нарушил границы термодинамической устойчивости микроэмульсионной системы, в противном случае, как установлено, при добавлении слишком большого количества воды получают двухфазную систему, 1839631

45

Было установлено, что многие микроорганизмы, содержащиеся в растворах, приготовленных в соответствии с данным изобретением, оказались в состоянии выполнять микробиологические реакции даже в среде, неблагоприятной для жизни, которой является сырая нефть.

Следовательно, основные принципы предусмотрены для проведения микробиологического процесса в сырой нефти и продуктах ее очистки.

На первой стадии программы проводились эксперименты, целью которых являлось определение возможности прямой солюбилизации бактериальных клеток в минеральном масле или в лигроине и установление стабильности таких однофазных систем, т,е. установление того, что они не приносят фазового расслоения, даже при отсутствии перемешивания. На второй стадии изучали жизнеспособность микроорганизмов в таких системах, Обе стадии программы описаны ниже.

Первая стадия. Приготовление однофазной системы, Обычно 500 мг таина 86 или 250 мг азолектина растворяли в 5 мл сырой нефти при комнатной температуре и сильном перемешивании 10% или 5% веса на объем соответственно в водную суспенэию клеток добавляли соответствующую среду,. подходящую для данного микроорганизма, до концентрации (обычно) 10 клеток/л.; С помощью микроспрея небольшой объем этого раствора (около 2об. органического капиллярно-активного агента) добавляли и сильно встряхивали около 1600 об/ин, После нескольких минут встряхивание прекращали. Для более крупных клеток короткая ультразвуковая обработка может сократить период встряхивания. Солюбилизация клеток в сырой нефти без добавления капиллярно-активного агента протекает приведенным способом, Изменяя концентрацию воды, можно определить пределы существования гомогенной фазы, Установлено, что в моторном масле (Теллус 33, Шелл) можно растворить до 1 об.% воды; в случае сырой нефти можно добавить двойной объем воды, но непрозрачность продукта вряд ли позволит выявить явную взаимосвязь, Таким образом мицеллярные растворы моторного масла и минерального масла содержат приблизительно от 10 дор 10 клеток/мл (рассчитанных относительно общего объема). Возможно выйти за эти пределы, одновременно сохраняя однофазную систему, если использовать большую концентрацию капиллярно-активного агента, например в случае азолектина можно солюбилиэиро5

35 вать вдвое больше воды, удвоив концентрацию капиллярно-активного агента и следовательно добавить больше клеток соответственно, B этой связи необходимо обратить внимание на тот факт, что при превышении некоторой концентрации клеток раствор становится насыщенным, т.е. избыточные клетки будут осаждаться. Очевидно можно работать микробиологически и в этих условиях, но это будет уже не раствор, а суспензия. Такую систему можно применять с точки зрения технологии, но необходимо сильное встряхивание для того, чтобы все клетки находились в контакте с растворителем, следовательно здесь снова имеем двухфазную систему.

B процессе. описанном выше, применялись следующие микроорганизмы: дрожжи

Бейкера, Pseudomonas sp.sulfolobulus, Thlobacter sulfnxidans. 8as. зиЫЮз, Arthrobacter срр, HAl.

Подробности приведены в примерах.

Все эти растворы оставались стабильными, т.е. не было признаков расслоения фаз, тем более существенного осаждения клеток на протяжении нескольких недель.

Вторая стадия, Определение жизнеспособности микроорганизмов в продуктах сырой нефти.

Цель этой работы состоит в определении жизнеспособности микроорганизов в системах, полученных указанным путем. Для этого активность микроорганизмов проверяется на агаровых пластинах: концентрация жизнеспособных клеток определяется путем смешивания с микроэмульсией сырой нефти, предварительно разбавленной 0,9 ным водным раствором хлористого натрия, измеряется количество клеток (около 100 на каждую чашку Петри), 100% жизнеспособности соответствует концентрация клеток в начале (т=0).

Типичные результаты приведены на фиг.4. Можно видеть, что различные бактерии и клетки отличаются друг от друга по стабильности, но жизнеспособность во многих случаях у них очень хорошая.

Таким образом, предметом изобретения являются однофазные. стабильные водно-нефтяные микроэмульсии, которые содержат микроорганизмы или их части и состоят из воды, нефти, капиллярно-активного вещества и, возможно. капиллярно-активного вещества.

В частности: водная фаза представляет собой концентрированные водные микроорганизмы или их части;

1839631

10 нефтяная фаза представляет собой сырую нефть или по крайней мере выделенное производное таких нефтей; капиллярно-активное вещество является анионным, или ионным, или нейтральным веществом. или амфотерным капиллярноактивным веществом.

Однофазные, стабильные микроэмульсии применительно к буровой технике готовят добавлением к сырой нефти или к выделенному продукту таковой 0,1 — 30 мас. кааиллярно-активного вещества, концентрированного водного раствора микроорганизмов или частей таковых, взятых в таком количестве, чтобы не нарушались пределы термодинамической устойчивости микроэмульсии.

На практике эти пределы находятся в области от 0,001 до 100 об.ч, на каждые 100 об.ч, нефти.

Концентрированная водная среда из микроорганизмов содержит минеральные и питательные вещества, необходимые для поддержания жизни указанных микроорганизмов.

Следовательно, предложен процесс, который делает возможным растворение микроорганизмов, преимущественно бактерий, в водной фазе в минеральном масле с получением жидкой фазы, в которой микроорганизмы не осаждаются в течение длительного времени, 8 основном используют капиллярно-активные агенты (например твин или липиды), которые солюбилизируются в сырой нефти или в продуктах, полученных в результате ее очистки. причем в случае сырой нефти можно работать без всяких добавок капиллярно-активных агентов. В противоположность другим процессам, описанным в литературе, описанный процесс характеризуется тем, что микроорганизмы присутствуют в сырой нефти в виде микроэмульсий. которые обеспечивают эффективный контакт с растворителем. Поскольку существует только одна жидкая фаза, не требуется перемешивания, чтобы обеспечить реакцию микроорганизмов с веществами, которые присутствуют в сырой нефти.

Изобретение делает возможным микробиологическую обработку сырой нефти в стационарных условиях, Солюбилизируют в сырой нефти среди прочих тел микроорганизмы, которые способны разрушать продукты. содержащие серу. Предлагаемый процесс химического разрушения и соответствующие реакции являются предметом дальнейших исследований. Также показано, что жизнеспособность микроорганизмов может не снижаться не(Шелл) . бавляют 100 мкл к раствору азолектин/сы30 рая нефть (процедура, как в примере 3), см.

40

5

25 делями и за это время не наблюдается существенного рсаждения клеток.

П р и м е.р,й 1. 100 мг дрожжей суспендируют в 1 мл питательной среды (ИПД, состоящей из 1 экстракта дрожжей, 2 бактеропептона, 2% глюкозы в воде), 100 мкл суспензии распыляют в 5 мл сырой нефти и перемешивают при 1600 об/мин около получаса до получения гомогенной фазы.

Пример 2. Дрожжи приготовляют. как описано выше, и такой же объем переносят в 5 л раствора сырой нефти с 10% твина 85, перемешивают до гомогенности аналогично примеру 1.

Пример 3. Такая же процедура, как в примере 1, дрожжи в растворе 250 мг азолектина в 5 мл сырой нефти.

Пример 4..Такая же процедура, как в примере 1, дрожжи в:растворе 250 мл азолектина в 5 мл моторного масла Теллус 33 (Шелл).

Пример 5. Такая же процедура, как в примере 1, дрожжи в- растворе 250 мг твина

85 в 2,5 мл изопропилпальмитата, смешанного с 2,5 мл моторного масла Теллус 33

Пример 6, Из раствора 30 мг/мл

Pseudomonas sp. в питательной среде, дофиг.4.

Пример 7. Такой же объем раствора спор BacIllus subtllls солюбилизируют, как в примере 6 или 1, в азолектине/сырой нефти, Пример ы 8-10, Как описано в примере 6, Arthrobacter срр., выращенные в течение двух дней в .бутаноле Sulfolobus

Acidocalbarius. Thlobaciilus sulfoxlbans, могут быть введены подобным же путем, см. фиг.4. (56) Malik I.À. Process Biochemistry, Sept., 1978, s.10, Kargi F., Euz.Microbiol. Techn., 1982, N..

4, s.13, Kargi F. and Robinson 1.M, Biotech.

Bioengen, 1984, ¹ 26, s.687.

Kargi F. and Robinson 1.M. Appl.Environ.

Microb. 1982, ¹ 44, s.878, Van Afferden M. et all Bioprocessirig of

coal, К.S. Vorres edito, 196 th. ACS National

Meeting, Am, Chem.Soc.Div,Fuel Chemistry, vol. 1 988, v.33, р.561.

Kwang — II Lee and Ten Fu Yen.

Prep r. Pap.— Am. Chem, Soc., D i. Fuel

Chemistry, Чо!. 1988, ч.33, р.572.

Hoffmann М.К.. Faust В.С., Panda F.А„

Honf H.Koo and Tsuchiya. Appl. Envivin

Microbiol, 1982, ч.42, р.259.

1839631

Andrews 6М., Maczuga 1. Bacterial Coal

Desulfurization, 4-Ф Symposium Blotechn.

Energy Prod. and Conveislon, Gal1inburg, Тепп, 1982.

Lulsl РЛ... Laane С., Trends In Blotechn

1986, N. 4, р.153.

Luisl P.Z„Magld L. Critical Rev. Blochem.

1986, v.20, р.409.

Формула изобретения

1. Стабильная микроэмульсия типа "вода в масле", включающая микроорганизмы или их части, сырую нефть. воду и капиллярмо-активное вещество, отличающаяся тем, что, с целью повышения стабильности и улучшения технических характеристик, в качестве водной фазы микроэмульсия содержит концентрированный водный раствор микроорганизмов и/или Nx частей, а водный раствор соллюбилизируется в сырой нефти и/или продукте ее переработки с получением однофазной смеси.

2. Микроэмульсия по п.1, отличающаяся тем, что микроэмульсия дополнительно содержит по крайней мере одно поверхностно-активное вещество, выбранное из группы: оксиэтилираванные низшие спирты, эфиры высших жирных кислот С1э - Сз5, фосфолипиды в количестве 0,1- 10 мас.ф в рзсчете на сырую нефть и/или продукт ев переработки.

3. Микрозмульсия no nn.1 и 2, отличающаяся тем, что в качестве микроорганизмое: эмульсия содержит бактерии, обладающие восстанавливающей ..или окисляющей активностью по отношению к серусодержащим соединениям, предпочтительно дрожжевые клетки различных лимий с разрушающей или перерабатывающей способностью по отношению к ароматическим соединениям.

4. Микроэмульсия по пп. 1 - 3, отличаю. щаяся тем, что дополнительно содержит в качестве активмой добавки низший алифзтический спирт в количестве 0.1 - 100® от массы поверхностно-активного вещества.

5. Микроэмульсия no nn. 1 - 4. отличающаяся твм, что микрозмульсия содержит

0,001 - 100 об.v. концентрированного водного раствора микроорганизмов ма 100

Haring G. апб ath., Bioph. Res.Comm.

1985, .127, р.911.

Haring G. and ath. Ann of the New, Jork.

5 Acad. of Sci, 1987, 506, р.337.

Oarrson А. ond ath. Blochem. Bioph. Res.

Comm. 1988, 151, р,1074.

10 об.ч. сырой нефти и/или продукта ее переработки, 6. Микроэмульсия по пп. 1 - 5, отличающаяся тем, что концентрированный водный раствор содержит соли и питательные вещества для микроорганизмов.

7. Микроэмульсия по пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что содержит продукт перера20 ботки сырых нефтей, выбранный из группы: моторное масло, лигроин, легкое или тяжелое топливо.

8; Способ получения стабильной мик25. роэмульсии типа "вода в масле" смешени. ем сырой нефти с водным раствором, содержащим микроорганизмы, отличающийсяя тем, что, с целью повышения стабильности и улучшения технических

30 характеристик, готовят концентрированный водный раствор микроорганизмов и/или их частей и затем его соллюбилизируют в сырой нефти и/или продукте ее переработки с образованием однофаэной

35 смеси при концентрации водного раствора

0,001 - 100 об.ч, на 100 об,ч. нефтепродуктов.

9, Способ no n.8, отличающийся тем, что сырую нефть и/или продукт ее переработки предварительно смешивают по крайней мере с одним поверхностно-активным веществом, выбранным из группы; оксиэтилированные низшие спирты, эфиры высших жирных кислот С18 С35, фосфолипиды, взятым в количестве О,110ф от массы сырой нефти и/или продукта ев переработки.

10. Способ по пп. 8 и 9, отличающийся

50 тем, что для приготовлейия концентрированного водного раствора используют микроорганизмы, обладающие восстанавливающей или окисляющей активностью по отношению к серусодержа55 щим соединениям.

B(ctae фазы) актерии

1839631

Неполярный растворитель

О (одна фаза) 1839631

Жизнеспособность

100

Я 60

0

4 6

Bp8ME v.

Составитель В.Назина

Редактор М.Стрельникова Техред М.Моргентал Корректор А.Мотыль

Заказ 3409

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 о о ц 40 и

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5