Verbeterde olieterugwinning met behulp van een combinatie van biosurfactanten

Biosurfactanten zijn de amfipathische oppervlakte-actieve moleculen geproduceerd door micro-organismen die het vermogen hebben om het oppervlak en de interfaciale spanning tussen twee fasen¹ te verminderen. Een typische biosurfactant bevat een hydrofiel deel dat meestal bestaat uit een suikergroep of een peptideketen of hydrofiel aminozuur en een hydrofoob deel dat bestaat uit een verzadigde of onverzadigde vetzuurketen². Vanwege hun amfipathische aard assembleren biosurfactanten zich op het grensvlak tussen de twee fasen en verminderen ze de interfaciale spanning aan de grens, wat de verspreiding van de ene fase in de andere^{vergemakkelijkt 1,3}. Verschillende soorten biosurfactanten die tot nu toe zijn gemeld, zijn glycolipiden waarin koolhydraten zijn gekoppeld aan alifatische of hydroxy-alifatische zuren met een lange keten via esterbindingen (bijv. rhamnolipiden, trehalolipiden en sophorolipiden), lipopeptiden waarin lipiden zijn bevestigd aan polypeptideketens (bijv. Oppervlakteactine en lichenysine) en polymere biosurfactanten die meestal zijn samengesteld uit polysaccharide-eiwitcomplexen (bijv. emulsan, liposan, alasan en lipomannan)⁴. Andere soorten biosurfactanten die door de micro-organismen worden geproduceerd, zijn vetzuren, fosfolipiden, neutrale lipiden en deeltjesbiosurfactanten⁵. De meest bestudeerde klasse van biosurfactanten is glycolipiden en onder hen zijn de meeste studies gerapporteerd over rhamnolipiden⁶. Rhamnolipiden bevatten een of twee moleculen rhamnose (die het hydrofiele deel vormen) gekoppeld aan een of twee moleculen lange keten vetzuren (meestal hydroxy-decaanzuur). Rhamnolipiden zijn primaire glycolipiden die als eerste zijn gemeld uit Pseudomonas aeruginosa⁷.

Biosurfactants krijgen steeds meer aandacht in vergelijking met hun chemische tegenhangers vanwege verschillende unieke en onderscheidende eigenschappen die ze bieden⁸. Deze omvatten een hogere specificiteit, lagere toxiciteit, grotere diversiteit, bereidingsgemak, hogere biologische afbreekbaarheid, beter schuimen, milieuvriendelijkheid en activiteit onder extreme omstandigheden⁹. Structurele diversiteit van de biosurfactanten (figuur S1) is een ander voordeel dat hen een voorsprong geeft op de chemische tegenhangers¹⁰. Ze zijn over het algemeen effectiever en efficiënter bij lagere concentraties omdat hun kritische micelconcentratie (CMC) meestal meerdere malen lager is dan chemische oppervlakteactieve stoffen¹¹. Er is gemeld dat ze zeer thermostabiel zijn (tot 100 °C) en hogere pH (tot 9) en hoge zoutconcentraties (tot 50 g/L)¹² kunnen verdragen, waardoor verschillende voordelen worden geboden in industriële processen, die blootstelling aan extreme omstandigheden vereisen¹³. Biologische afbreekbaarheid en lagere toxiciteit maken ze geschikt voor milieutoepassingen zoals bioremediatie. Vanwege de voordelen die ze bieden, hebben ze meer aandacht gekregen in verschillende industrieën zoals de voedings-, landbouw-, wasmiddel-, cosmetische en aardolie-industrie¹¹. Biosurfactanten hebben ook veel aandacht gekregen bij oliesanering voor het verwijderen van aardolieverontreinigingen en giftige verontreinigende stoffen¹⁴.

Hier rapporteren we de productie, karakterisering en toepassing van biosurfactanten geproduceerd door Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 en Paenibacillus sp. IITD108. De stappen die betrokken zijn bij screening, karakterisering en toepassing van een combinatie van biosurfactanten voor verbeterde olieterugwinning worden beschreven in figuur 1.

Figuur 1: Een methode voor verbeterde olieterugwinning met behulp van een combinatie van biosurfactanten. De stapsgewijze werkstroom wordt weergegeven. De werkzaamheden zijn in vier stappen uitgevoerd. Eerst werden de microbiële stammen gekweekt en gescreend op de productie van biosurfactant door verschillende assays, waaronder drop collapse assay, oil spreading assay, emulsion index assay en surface tension measurement. Vervolgens werden de biosurfactanten geëxtraheerd uit de celvrije bouillon en hun aard werd geïdentificeerd met behulp van dunne laagchromatografie en ze werden verder geïdentificeerd met behulp van LCMS, NMR en FT-IR. In de volgende stap werden de geëxtraheerde biosurfactanten gemengd en werd het potentieel van het resulterende mengsel voor verbeterde olieterugwinning bepaald met behulp van de zandpakketkolomtechniek. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Screening van deze microbiële stammen om biosurfactanten te produceren werd gedaan door druppelinstorting, oliespreiding, emulsie-indextest en bepaling van vermindering van de oppervlaktespanning van het celvrije medium als gevolg van de groei van de microben. De biosurfactanten werden geëxtraheerd, gekarakteriseerd en chemisch geïdentificeerd door LCMS, ¹H NMR en FT-IR. Ten slotte werd een mengsel van biosurfactanten geproduceerd door deze microben bereid en werd gebruikt om de resterende olie terug te winnen in een gesimuleerde zandpakketkolom.

De huidige studie illustreert alleen de methoden die betrokken zijn bij screening, identificatie, structurele karakterisering en toepassing van de biosurfactantcombinatie op het verbeteren van restolieterugwinning. Het biedt geen gedetailleerde functionele karakterisering van de biosurfactanten geproduceerd door de microbiële stammen^15,16. Verschillende experimenten zoals kritische micelbepaling, thermogravimetrische analyse, bevochtigbaarheid van het oppervlak en biologische afbreekbaarheid worden uitgevoerd voor gedetailleerde functionele karakterisering van elke biosurfactant. Maar aangezien dit artikel een methodepaper is, ligt de focus op screening, identificatie, structurele karakterisering en toepassing van de biosurfactantencombinatie op het verbeteren van restolieterugwinning; deze experimenten zijn niet meegenomen in deze studie.