Verbesserte Ölgewinnung mit einer Kombination von Biotensiden

Biotenside sind die amphipathischen oberflächenaktiven Moleküle, die von Mikroorganismen produziert werden und die Fähigkeit haben, die Oberfläche und die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen¹ zu reduzieren. Ein typisches Biotensid enthält einen hydrophilen Teil, der normalerweise aus einem Zuckeranteil oder einer Peptidkette oder einer hydrophilen Aminosäure besteht, und einen hydrophoben Teil, der aus einer gesättigten oder ungesättigten Fettsäurekette^{besteht 2}. Aufgrund ihrer amphipathischen Natur sammeln sich Biotenside an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen und reduzieren die Grenzflächenspannung an der Grenze, was die Dispersion einer Phase in die andere erleichtert ^1,3. Verschiedene Arten von Biotensiden, die bisher berichtet wurden, umfassen Glykolipide, in denen Kohlenhydrate über Esterbindungen (z. B. Rhamnolipide, Trehalolipide und Sophorolipide) an langkettige aliphatische oder hydroxy-aliphatische Säuren gebunden sind, Lipopeptide, bei denen Lipide an Polypeptidketten gebunden sind (z. B. Surfactin und Lichenysin), und polymere Biotenside, die normalerweise aus Polysaccharid-Proteinkomplexen bestehen (z. Emulsan, Liposan, Alasan und Lipomannan)⁴. Andere Arten von Biotensiden, die von den Mikroorganismen produziert werden, umfassen Fettsäuren, Phospholipide, neutrale Lipide und partikuläre Biotenside⁵. Die am meisten untersuchte Klasse von Biotensiden sind Glykolipide und unter ihnen wurden die meisten Studien über Rhamnolipide^{berichtet 6}. Rhamnolipide enthalten ein oder zwei Moleküle Rhamnose (die den hydrophilen Teil bilden), die mit einem oder zwei Molekülen langkettiger Fettsäure (normalerweise Hydroxy-Decansäure) verbunden sind. Rhamnolipide sind primäre Glykolipide, die zuerst aus Pseudomonas aeruginosa⁷ berichtet wurden.

Biotenside haben im Vergleich zu ihren chemischen Gegenstücken aufgrund verschiedener einzigartiger und unverwechselbarer Eigenschaften, die sie bieten, zunehmend an Bedeutung gewonnen⁸. Dazu gehören eine höhere Spezifität, geringere Toxizität, größere Vielfalt, einfache Zubereitung, höhere biologische Abbaubarkeit, bessere Schaumbildung, Umweltverträglichkeit und Aktivität unter extremen Bedingungen⁹. Die strukturelle Vielfalt der Biotenside (Abbildung S1) ist ein weiterer Vorteil, der ihnen einen Vorteil gegenüber den chemischen Gegenstücken^{verschafft 10}. Sie sind im Allgemeinen wirksamer und effizienter bei niedrigeren Konzentrationen, da ihre kritische Mizellenkonzentration (CMC) in der Regel um ein Vielfaches niedriger ist als bei chemischen Tensiden¹¹. Es wurde berichtet, dass sie sehr thermostabil (bis zu 100 °C) sind und einen höheren pH-Wert (bis zu 9) und hohe Salzkonzentrationen (bis zu 50 g/l)¹² tolerieren können, was mehrere Vorteile in industriellen Prozessen bietet, die eine Exposition gegenüber extremen Bedingungen erfordern^13. Biologische Abbaubarkeit und geringere Toxizität machen sie für Umweltanwendungen wie die Bioremediation geeignet. Aufgrund der Vorteile, die sie bieten, haben sie in verschiedenen Branchen wie der Lebensmittel-, Landwirtschafts-, Waschmittel-, Kosmetik- und Erdölindustrie mehr Aufmerksamkeit erhalten¹¹. Biotenside haben auch in der Ölsanierung viel Aufmerksamkeit erregt, um Erdölverunreinigungen und toxische Schadstoffe zu entfernen¹⁴.

Hier berichten wir über die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von Biotensiden, die von Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 und Paenibacillus sp. IITD108 hergestellt werden. Die Schritte beim Screening, der Charakterisierung und der Anwendung einer Kombination von Biotensiden für eine verbesserte Ölgewinnung sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Eine Methode zur verbesserten Ölgewinnung unter Verwendung einer Kombination von Biotensiden. Der schrittweise Arbeitsablauf wird angezeigt. Die Arbeiten wurden in vier Schritten durchgeführt. Zuerst wurden die mikrobiellen Stämme kultiviert und für die Produktion von Biotensid durch verschiedene Assays untersucht, darunter Tropfenkollaps-Assay, Ölausbreitungsassay, Emulsionsindex-Assay und Oberflächenspannungsmessung. Dann wurden die Biotenside aus der zellfreien Brühe extrahiert und ihre Natur mittels Dünnschichtchromatographie identifiziert und sie wurden weiter mit LCMS, NMR und FT-IR identifiziert. Im nächsten Schritt wurden die extrahierten Biotenside miteinander vermischt und das Potenzial der resultierenden Mischung für eine verbesserte Ölgewinnung mittels der Sandpacksäulentechnik bestimmt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Das Screening dieser mikrobiellen Stämme zur Herstellung von Biotensiden erfolgte durch Tropfenkollaps, Ölausbreitung, Emulsionsindexmessung und Bestimmung der Verringerung der Oberflächenspannung des zellfreien Mediums aufgrund des Wachstums der Mikroben. Die Biotenside wurden durch LCMS, ¹H NMR und FT-IR extrahiert, charakterisiert und chemisch identifiziert. Schließlich wurde eine Mischung aus Biotensiden hergestellt, die von diesen Mikroben produziert wurde und zur Rückgewinnung des Restöls in einer simulierten Sandpackungssäule verwendet wurde.

Die vorliegende Studie veranschaulicht nur die Methoden, die mit dem Screening, der Identifizierung, der strukturellen Charakterisierung und der Anwendung der Biotensidkombination zur Verbesserung der Restölgewinnung verbunden sind. Es bietet keine detaillierte funktionelle Charakterisierung der Biotenside, die von den mikrobiellen Stämmen^15,16 produziert werden. Verschiedene Experimente wie die Bestimmung kritischer Mizellen, die thermogravimetrische Analyse, die Oberflächenbenetzbarkeit und die biologische Abbaubarkeit werden zur detaillierten funktionellen Charakterisierung jedes Biotensids durchgeführt. Da es sich bei diesem Papier jedoch um ein Methodenpapier handelt, liegt der Schwerpunkt auf dem Screening, der Identifizierung, der strukturellen Charakterisierung und der Anwendung der Biotensidkombination zur Verbesserung der Restölgewinnung. Diese Experimente wurden nicht in diese Studie einbezogen.