CN110325623A - 用于降低石油的粘度的材料和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于使用微生物和/或由微生物产生的生物表面活性剂来降低原油粘度的环境友好的组合物和方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求以下美国临时申请的权益:2017年2月7日提交的序列号为62/455,903;2017年2月27日提交的序列号为62/464,046;2017年8月29日提交的序列号为62/551,352;2017年9月29日提交的序列号为62/565,295;和2017年10月31日提交的序列号为62/579,471,其各自通过引用以其整体并入本文。
背景技术
对化石燃料的高需求需要高效的石油生产。石油生产中的许多挑战源于原油的粘度、表面张力、疏水性和密度。
一些原油的粘度自然高于其他原油。重质和超重质原油是高度粘稠的,具有接近或甚至超过水的密度。重油是API比重小于20°或粘度大于200cp的原油。超重油是指API比重小于12°且粘度高于10,000cp的石油(《Heavy Oil》2016)。超重质原油可以比水重,并且因此会沉入水层底部,导致地下污染。
另一方面,“轻质”原油,或具有低密度并且在室温下自由流动的原油,由于其较高比例的轻烃馏分而具有低粘度和高API比重。低粘度原油可随时间而被风化成更粘稠的液体。
重质和超重质原油是主要的潜在能源。世界石油总储存量的40%是重油和超重油,占3.6-5.2万亿桶石油。因此,采收这些高粘度烃可具有重大的经济意义。然而,大多数重油和超重油、沥青、焦油和/或柏油是高度粘稠的,因此使用常规方法诸如便携式储存罐和油罐车来运输是难以负担的。通过管线向炼油厂和加工厂泵送具有较高粘度的石油需要大量的能量。
由于其粘度、疏水性和与水的不混溶性,重油也难以从地下提取。特别地,粘度影响原油能够从储层泵送的速度,更粘稠的石油导致油田的总生产率的降低。
原油的性质也导致环境修复的困难,例如在石油溢漏到水体上之后。界面张力高导致油漂浮在水上并粘附至植物、动物和土壤上。随着石油的芳香成分蒸发,较重的残余物会下沉,从而导致地下污染。目前对水面溢油的处理依赖于耗时且昂贵的降解石油的方法。
保持重烃流动性的一种方法是将其保持在高温下。另一种众所周知的方法是将重油与较轻的烃稀释剂混合。这有助于实现例如管线运输石油。尽管如此,获得稀释剂并且将其运输至油田可能是昂贵的。
表面活性剂也已广泛用于石油工业中以改善原油的许多负面物理性质。表面活性剂分子由疏水部分和亲水部分组成。它们的两亲性使它们能够被吸附在油/水界面上,以形成胶束降低油和水之间的界面张力。然而,在石油生产中使用化学品会导致安全和环境成本,以及生产和/或获得这些化学品的成本。
高效地生产石油和天然气对于满足对此类产品的高需求至关重要。由于安全和高效地生产石油和天然气的重要性,生产和运输重质原油的困难,以及重油转化为有用产品的未开发潜力,持续地需要改善重油的物理性质(特别是通过降低其粘度)的方法。
发明内容
本发明提供了用于提高石油采收率和改善石油的运输的、环境友好、成本有效的材料和方法。在具体的实施方式中,本发明提供了用于降低重质原油的粘度的基于微生物的组合物和方法。
在一个实施方式中,本发明提供了微生物以及它们生长的副产物,诸如生物表面活性剂、溶剂和/或酶。本发明还提供了使用这些微生物及其副产物的方法。
在某些实施方式中,本发明提供了通过用能够降低石油粘度的基于微生物的组合物处理含油地点来提高油产量的材料和方法。有利地,本发明组合物和方法可用于改善“成熟(mature)”或甚至“死(dead)”油储层中重质原油的粘度和/或提高其采收率。此外,在优选的实施方式中,可以在不增加原油的总酸值(TAN)的情况下使用本发明。
在优选的实施方式中,本发明的基于微生物的组合物包含培养的微生物和/或其副产物。在一个实施方式中,用于本发明组合物的微生物是产生生物表面活性剂的细菌或酵母,或其组合。
在一个实施方式中,微生物是产生生物表面活性剂和/或产生酶的“嗜杀酵母(killer yeast)”,诸如例如季也蒙毕赤酵母(Pichia guilliermondii)和/或异常毕赤酵母(Pichia anomala)(异常威克汉姆酵母(Wickerhamomyces anomalus)).
在另一个实施方式中,微生物是选自一种或多种球拟假丝酵母(Starmerella)进化枝酵母菌株的酵母,其可以是槐糖脂的有效生产者,和/或微生物是选自一种或多种假酿酶(Pseudozyma)酵母菌株,其可以是甘露糖赤藓糖醇脂(mannosylerythritol lipid)的有效生产者。
在又另一个实施方式中,微生物是一种或多种枯草芽胞杆菌菌株,诸如例如枯草芽胞杆菌变种locuses菌株B1和B2,其是表面活性素的有效生产者。
在一个实施方式中,基于微生物的组合物可进一步包含营养物来源,其包括氮、硝酸盐、磷、镁和/或碳。
在一个实施方式中,基于微生物的组合物包括已经老化24小时或更长时间的培养物。老化的培养物是在初始生长和代谢产物生成后允许搁置一段时间的培养物。
在某些实施方式中,本发明的组合物具有优于例如单独的生物表面活性剂的优点,该优点包括以下一种或多种:高浓度的甘露糖蛋白作为酵母细胞壁外表面的一部分;在酵母细胞壁中存在β-葡聚糖;在培养物中存在生物表面活性剂;以及溶剂和其他代谢物(例如乳酸、乙醇、乙酸乙酯等)的存在。
在一个实施方式中,本发明提供了一种通过将基于微生物的组合物施加至重油或含有重油的石油采收地点来改善石油采收率的方法,该基于微生物的组合物包含一种或多种产生生物表面活性剂和/或产生酶的微生物菌株。基于微生物的组合物可以降低石油的粘度;因此,该方法提高了采收和/或运输石油的能力。该方法可选地包括将营养物和/或其他试剂添加至该地点以便例如促进微生物生长。
该方法还可以包括将基于微生物的组合物与例如一种或多种碱性化合物、一种或多种聚合物化合物和/或一种或多种表面活性剂一起施加。
在一个实施方式中,该方法进一步包括恰在将基于微生物的组合物施加至重油或石油采收地点之前、在同时和/或在之后某时使重油经历气蚀的步骤。气蚀可以使用本领域已知的机械执行,并且可以包括例如流体动力学或超声波方法。
气蚀步骤可以在石油采收和运输的连锁操作期间的任何时候施加至重质原油,例如,在从井中采收之后并且在放入收集储罐之前;在储存期间;在储存之后并且被运输在油轮或管线上之前;在运输期间;以及在精炼工艺之前。
本发明方法包括可选的气蚀步骤,其也可用于从石油砂中采收石油。基于微生物的组合物可以施加至石油砂,增加砂的润湿性并允许石油与砂分离。
在一个实施方式中,如果从石油砂中采收的石油是重油,则该方法包括可选的气蚀步骤,可以再次施用至重油以降低石油的粘度。
在一个实施方式中,本发明提供了如下方法:通过在适于生长和表面活性剂生产的条件下培养本发明的微生物菌株来生产生物表面活性剂;以及纯化该表面活性剂。
微生物可原位生长并就地生产活性化合物。因此,可以容易且连续地在处理地点(例如石油井)中取得高浓度的例如生物表面活性剂和产生生物表面活性剂的微生物。
在一个实施方式中,本发明允许更容易地运输石油。一旦重油的粘度降低,石油就可以很容易地通过管线运输,而不需要储罐和经由卡车运输。
本发明的基于微生物的产物可以用于各种独特环境,因为例如高效地交付以下各项的能力:1)具有活性代谢产物的新鲜发酵液;2)细胞、孢子和/或菌丝体的混合物和发酵液;3)具有营养细胞、孢子和/或菌丝体的组合物;4)具有高密度的细胞(其包括营养细胞、孢子和/或菌丝体)的组合物;5)短期订购的基于微生物的产物;和6)在偏远地区的基于微生物的产物。
附图说明
图1A-1B显示用本发明处理后的重质原油TGA研究(1A)和BTU增加(1B)的结果。
图2显示了在施加本发明处理后的API增加和粘度降低。
图3显示了使用MEL处理的哥伦比亚原油的粘度降低百分比。该处理是成功的,因其将样品的粘度降低了64%。
具体实施方式
本发明提供了用于提高石油采收率和改善石油运输的、环境友好、成本有效的材料和方法。在具体的实施方式中,本发明提供了用于降低重质原油的粘度的基于微生物的组合物和方法。
在一个实施方式中,本发明提供了微生物以及它们生长的副产物,诸如生物表面活性剂、溶剂和/或酶。本发明还提供了使用这些微生物及其副产物的方法。
在某些实施方式中,本发明提供了通过用能够降低石油粘度的基于微生物的组合物处理含油地点来提高油产量的材料和方法。有利地,要求保护的本发明组合物和方法可用于改善“成熟”或甚至“死”油储层中重质原油的粘度和/或提高其采收率。
本发明提供了微生物以及它们生长的副产物(诸如生物表面活性剂)的有利用途。在某些实施方式中,本发明提供了基于微生物的产物,以及它们在提高石油产量方面的用途。在具体的实施方式中,本文所描述的方法和组合物利用微生物通过降低其粘度来改善石油的品质。
有利地,在一个实施方式中,本发明可用于将原油的重沥青部分转化为较低分子量的化合物。此外,本发明能够快速(例如在一夜之间)溶解沥青,以产生比固体形态具有更大可燃性的可溶形态。
在一个实施方式中,该方法进一步包括恰在将基于微生物和/或基于生物表面活性剂的组合物施加至重油或石油采收地点之前、在同时和/或在之后某时使重油经历气蚀的步骤。气蚀可以使用本领域已知的机械执行,并且可以包括例如流体动力学或超声波方法。
在一个实施方式中,本发明提供了进行石油采收的方法,该方法包括将生物表面活性剂生产酵母诸如嗜杀酵母、球拟酵母(Starmerella yeast),拟酵母(Pseudozymayeast),和/或生物表面活性剂生产细菌诸如枯草芽胞杆菌的菌株施加至石油采收地点。
微生物在施加时可以是活的(或可存活的)以孢子形式,或不活跃。该方法可以进一步包括添加另外的材料以在施加期间增强微生物生长(例如,添加营养物以促进微生物生长)。
在一个实施方式中,基于微生物的组合物包括已经老化24小时或更长时间的培养物。老化的培养物是在初始生长和代谢产物生成后允许搁置一段时间的培养物。
在一些实施方式中,枯草芽胞杆菌菌株能够在低氧和/或高盐条件下繁殖,以提高石油采收率和降低油层中(in a formation)的粘度。在一些实施方式中,枯草芽胞杆菌菌株在厌氧条件下生长。例如,在石油井处理***中,首先进行有氧发酵以产生高密度的细胞和高浓度的生物表面活性剂。在注入石油井后,菌株首先在有氧条件下生长,然后是微需氧,并且然后是完全厌氧条件。在厌氧条件下,可以加入硝酸盐作为电子受体以支持无氧呼吸。
在一个实施方式中,本发明提供了一种可用于降低重质原油粘度的酵母发酵产物。有利地,该产品中使用的微生物不在石油中或石油设备上形成生物膜。
酵母发酵产物可以通过培养生物表面活性剂生产酵母和/或代谢物生产酵母诸如例如异常毕赤酵母(异常威克汉姆酵母)获得。在25-30℃培养7天后的发酵液可含有酵母细胞悬浮液,和例如4g/L或更多的生物表面活性剂。
酵母发酵产物也可以通过培养生物表面活性剂生产酵母和/或代谢物生产酵母,诸如例如,球拟假丝酵母(Starmerella bombicola)获得。在25℃培养5天后的发酵液可含有酵母细胞悬浮液,和例如100g/L或更多的生物表面活性剂。
然后可以将原油与酵母产品一起培育例如1天。与酵母发酵产物一起培养后原油的粘度可以从例如2.3×105cp减少到1.1×104cp(减少95%),而与水一起培育的原油没有显示出任何明显的粘度下降。
在一个实施方式中,酵母发酵产品包含季也蒙毕赤酵母。
在一个实施方式中,根据本发明的组合物通过从小规模到大规模等各种培养工艺获得。培养工艺可以是例如浸没培养、固态发酵(SSF)和/或其组合。
在一个实施方式中,本发明提供了如下方法:通过在适于生长和表面活性剂生产的条件下培养本发明的微生物菌株来生产生物表面活性剂;以及纯化该表面活性剂。本发明还提供了如下方法:通过在适于生长和蛋白质表达的条件下培养本发明的微生物菌株来生产酶或其他蛋白质;以及纯化酶或其他蛋白质。
有利地,可以使用本发明而不将大量无机化合物排放到环境中。另外,该组合物和方法使用可生物降解且毒理学安全的组分。因此,本发明作为“绿色”处理,可用于石油和天然气生产的所有可能操作中。
选定的定义
如本文中使用的,提及“基于微生物的组合物”意指包含作为微生物或其他细胞培养物生长的结果所产生的组分。因此,基于微生物的组合物可以包含微生物本身和/或微生物生长的副产物。微生物可以处于营养状态、孢子形式、菌丝体形式、任何其他繁殖体形式或这些的混合物。微生物可以为浮游生物或生物膜形式,或者这二者的混合物。生长的副产物可以例如是代谢产物、细胞膜组分、表达的蛋白和/或其他细胞组分。微生物可以是完整的或裂解的。在优选的实施方式中,微生物与其中生长微生物的营养液存在于基于微生物的组合物中。细胞可以例如以每毫升组合物1×104、1×105、1×106、1×107、1×108、1×109、1×1010或1×1011个以上繁殖体的浓度存在。如本文中使用的,繁殖体是可以形成新生和/或成熟有机体的微生物的任何部分,包括但不限于细胞、孢子、分生孢子、菌丝体、芽孢和种子。
本发明进一步提供这样的“基于微生物产品”,其是在实践中要被施加以取得所需的结果的产品。基于微生物产品可以仅仅是从微生物培养过程收获的基于微生物的组合物。可选地,基于微生物产品可以包含已经添加的其他成分。这些另外的成分可以包括例如稳定剂、缓冲剂、恰当载剂诸如水、盐溶液,或者任何其他恰当载剂、为支持进一步的微生物生长而添加的营养物、非养分生长促进剂,和/或有利于在已施加微生物和/或组合物的环境中追踪微生物和/或组合物的制剂。基于微生物产品还可以包含多种基于微生物的组合物的混合物。基于微生物产品还可以包含已经以某种方式如但不限于过滤、离心、裂解、干燥、纯化等处理的基于微生物的组合物的一种或多种组分。
如本文所用,“收获(harvested)”是指从生长容器中移出一些或全部基于微生物的组合物。
如本文所用,“生物膜(biofilm)”是微生物例如细菌的复杂聚集体,其中细胞在表面上彼此粘附。生物膜中的细胞在生理上不同于同一生物的浮游细胞,其是可在液体培养基中漂浮或游浮的单细胞。
如本文所用,“分离的(isolated)”或“纯化的(purified)”核酸分子、多核苷酸、多肽、蛋白质或有机化合物诸如小分子(例如,下文描述的那些)基本上不含有其在自然界中相关联的其他化合物,诸如细胞材料。如本文所用,在微生物菌株的上下文中提及“分离(isolated)”是指将菌株从其天然存在的环境中移出。因此,分离的菌株可以作为例如生物学纯的培养物存在,或作为与载体液结合的孢子(或其他形式的菌株)存在。
在某些实施方式中,纯化的化合物按重量计为目标化合物的至少60%(干重)。优选地,制剂按重量计为目标化合物的至少75%、更优选至少90%、并且最优选至少99重量%。例如,纯化的化合物按重量计为所需化合物的至少90%、91%、92%、93%、94%、95%、98%、99%或100%(w/w)的化合物。通过任何合适的标准方法测量纯度,例如,通过柱色谱、薄层色谱或高效液相色谱(HPLC)分析。纯化的或分离的多核苷酸(核糖核酸(RNA)或脱氧核糖核酸(DNA))不含在其天然存在状态下位于其侧翼的基因或序列。纯化或分离的多肽不含在其天然存在状态下位于其侧翼的氨基酸或序列。
“代谢物(metabolite)”是指由代谢产生的任何物质或参与特定代谢过程所必需的物质。代谢物可以是有机化合物,其是起始材料(例如葡萄糖)、中间体(例如乙酰-CoA)或代谢的终产物(例如正丁醇)。代谢物的实例可包括但不限于酶、毒素、酸、溶剂、醇、蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质、微量元素、氨基酸、聚合物和表面活性剂。
“调节(modulate)”是指改变(例如,增加或减少)。通过诸如本文所描述的那些标准技术已知方法检测这种改变。
本文提供的范围被理解为该范围内的所有值的简称。例如,1至20的范围应理解为包括由1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20,以及上述整数之间的所有中间十进制值诸如1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8和1.9组成的组中的任何数字、数字组合或子范围。关于子范围,特别考虑从该范围的任一端点延伸的“嵌套子范围(nestedsub-range)”。例如,示例性范围1至50的嵌套子范围可以在一个方向上包括1至10、1至20、1至30和1至40,或者在另一个方向上包括50至40、50至30、50至20和是50至10。
“减少(reduces)”是指至少1%、5%、10%、25%、50%、75%或100%的负变化。
“参考(reference)”是指标准或对照条件。
“耐盐(salt-tolerant)”是指能够以百分之十五(15%)或更高的氯化钠浓度生长的微生物菌株。在具体的实施方式中,“耐盐”是指在150g/L或更高NaCl中生长的能力。
“表面活性剂(surfactant)”是指降低两种液体之间或液体和固体之间的表面张力(或界面张力)的化合物。表面活性剂用作洗涤剂、润湿剂、乳化剂、发泡剂和分散剂。
如本文所用,“施加(applying)”组合物或产品是指使其与靶标或地点接触,使得组合物或产品可对该靶标或地点产生影响。该效果可归因于例如微生物生长和/或生物表面活性剂或其他生长副产物的作用。例如,可以将基于微生物的组合物或产品注入与石油井和石油处理相关的石油井和/或管道、泵、罐等中。
如本文所用,“重油(heavy oil)”或“重烃(heavy hydrocarbon)”是指粘性烃流体。重烃可包括高粘度烃流体,诸如重油、超重油、焦油、焦油砂、燃料油和/或沥青。重油和超重油是高度粘稠的,密度接近甚至超过水。重烃可包含中等至高含量的链烷烃、树脂和沥青烯,以及较小浓度的硫、氧和氮。重烃还可包括芳烃或其他复合环烃。其他元素也可以痕量存在于重烃中。重烃可按API比重分类。重烃通常具有低于约20°的API比重。例如,重油通常具有约10-20°的API比重,而超重油通常具有低于约12°的API比重。在储层条件下,重烃的粘度通常大于约200cp,而超重油的粘度通常为约10,000cp或更高。
如本文所用,“升级(upgrading)”或“转化(converting)”或“改善质量(improvingthe quality of)”或使重油和/或重烃“增加价值(increasing the value of)”意味着以这种方式改变烃的结构和/或油的含量,从而增加其对消费者的整体效用,从而增加其对生产者的价值。例如,可以增加石油的Btu,即能量或热的含量(图1A-1B),从而在重质原油出售给炼油厂之前增加重质原油的价值。这也可以使炼油厂受益,他们可以购买更便宜的重质原油并使用本发明的方法和组合物将其转化为更有用的产品,诸如例如道路沥青。升级还可涉及增加API比重、降低粘度和/或降低重烃的杂质含量。杂质通常是附着在大烃分子上的自由基。在重油中发现的典型杂质可包括例如硫或硫化氢、灰分、氮、重金属、烯烃、芳烃、环烷烃和沥青烯。
根据本发明微生物菌株生长
根据本发明的***和方法生长的微生物可以是例如微生物、酵母和/或真菌。这些微生物可以是天然的,或遗传改造微生物。例如,微生物可以利用特定基因转化以展现出特定的特性。微生物也可以是所需菌株的突变体。制备突变体的方法在微生物学领域中是众所周知的。例如,为此目的广泛使用紫外线和亚硝基胍。
在一个实施方式中,微生物是酵母或真菌。适合根据本发明使用的酵母和真菌属包括念珠菌(Candida)、酵母属(Saccharomyces)(酿酒酵母(S.cerevisiae)、布拉迪酵母(S.boulardii sequela),圆酵母(S.torula)、伊萨酵母(Issalchenkia)、克鲁维氏酵母(Kluyveromyces)、毕赤酵母(Pichia)、威克汉姆酵母(Wickerhamomyces)(例如异常威克汉姆酵母)、球拟假丝酵母(例如S.bombicola)、菌根(Mycorrhiza)、被孢霉(Mortierella)、须霉(Phycomyces)、布拉氏霉(Blakeslea)、破囊壶菌(Thraustochytrium)、腐霉(Phythium)、虫霉(Entomophthora)、出芽短梗霉菌(Aureobasidium pullulans)、拟酵母(Pseudozyma)、镰孢霉(Fusarium venenalum)、曲霉菌(Aspergillus)、木霉菌属(Trichoderma)(例如里氏木霉(T.reesei)、哈茨木霉(T.harzianum)、钩状木霉(T.hamatum)、绿色木霉(T.viride)和/或根霉属(Rhizopus)的若干种。
在一个实施方式中,酵母是嗜杀酵母。如本文中使用的,“嗜杀酵母”意指这样的酵母菌株,其特征在于其分泌对于该菌株自身是免疫的毒性蛋白或糖蛋白。由嗜杀酵母分泌的外毒素能够杀灭其他的酵母菌株、真菌菌株或微生物菌株。例如,可以通过嗜杀酵母防治的微生物的实例包括镰孢霉属(Fusarium)和其他丝状真菌。根据本发明的嗜杀酵母的实例是可以在食品和发酵工业例如啤酒、白酒、和面包的制作中安全使用的那些;可以用于防治可能污染这样的生产过程的其他微生物的那些;可以用于食品保藏的生物防治的那些;可以用于治疗人类和植物二者中的真菌感染的那些;以及可以用于重组DNA技术的那些。这样的酵母可以包括但不限于威克汉姆酵母、毕赤酵母(例如,异常毕赤酵母、季也蒙毕赤酵母、库德毕赤酵母(P.kudrizvzevii));汉逊酵母(Hansenula)、酿酒酵母(Saccharomyces)、孢汉逊酵母(Hanseniaspora)(例如、葡萄有孢汉逊酵母(Hanseniaspora uvarum)、玉米黑穗菌(Ustilago maydis)、汉斯德巴氏酵母(Debaryomyces hansenii)、念珠菌、隐球酵母(Cryptococcus)、克鲁维氏酵母、球拟酵母(Torulopsis)、黑粉菌(Ustilago)、拟威尔酵母(Williopsis)、接合酵母(Zygosaccharomyces)(例如拜氏接合酵母(Z.bailii))等等。
在一个实施方式中,微生物选自毕赤酵母菌株。甚至更优选地,酵母选自异常毕赤酵母(异常威克汉姆酵母)、赛道威毕赤酵母(Pichia sydowiorum)、季也蒙毕赤酵母和林菲迪伊毕赤酵母(Pichia lynferdii)。
在具体的实施方式中,本发明提供了异常毕赤酵母和/或季也蒙毕赤酵母的用途。
在一个实施方式中,微生物菌株是蚜虫拟酵母(Pseudozyma aphidis)及其突变体。蚜虫拟酵母是甘露糖赤藓糖醇脂(MEL)的有效生产者。
在一个实施方式中,微生物菌株选自球拟酵母的进化枝。根据本发明有用的球拟酵母微生物的培养物,球拟假丝酵母,可以从the American Type Culture Collection(ATCC),10801University Blvd.,Manassas,Va.20110-2209USA获得。保藏所已向该保藏分配了保藏号ATCC No.22214。
在一个实施方式中,本发明提供酵母菌株ATCC 22214及其突变体的用途。ATCC22214是SLP的有效生产者。制造突变体的方法在微生物学领域中是众所周知的。例如,为此目的广泛使用紫外线和亚硝基胍。
可以根据本发明使用的其他微生物菌株,包括例如能够积累大量例如糖脂-生物表面活性剂的其他真菌菌株。根据本发明有用的微生物代谢物包括甘露糖蛋白、β-葡聚糖和其他具有生物乳化和降低表面/界面张力的性质的物质。
在另一实施方式中,微生物是包括革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的细菌。细菌可以是,例如枯草芽胞杆菌、坚强芽孢杆菌(Bacillus firmus)、侧孢芽孢杆菌(Bacilluslaterosporus)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)、解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquifaciens)、定氮菌(Azobactervinelandii)、金色绿针假单胞菌亚种(克吕沃尔氏菌属)(Pseudomonas chlororaphissubsp.aureofaciens(Kluyver))、放射形土壤杆菌(Agrobacterium radiobacter)、巴西固氮螺菌(Azospirillum brasiliensis)、褐色球形固氮菌(Azobacter chroococcum)、根瘤菌属(Rhizobium)、少动鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas paucimobilis)、富养罗尔斯通氏菌(Ralslonia eulropha)和/或深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum).在一个实施方式中,微生物是枯草芽胞杆菌的菌株,诸如枯草芽胞杆菌变种-位点B1或B2(B.subtilisvar.locuses B1or B2)。枯草芽胞杆菌是表面活性素的有效生产者。
B.subtilis B1微生物的培养物已经保藏在the American Type CultureCollection(ATCC),10801 University Blvd.,Manassas,Va.20110-2209USA。该保藏已被保藏所分配了保藏号ATCC No.PTA-123459,并于2016年8月30日保藏。
本发明培养物的保存条件是确保在本专利申请未决期间可以获得专利和商标委员会(Commissioner of Patents and Trademarks)根据37CFR 1.14和35U.S.C122确定的培养物的有权使用。在提交本申请或其后续申请的对应物的国家中,该保藏物根据外国专利法要求是可用的。然而,应该理解的是,保藏的可用性在对政府行为授予的专利权进行减损时并不构成实施本发明的许可。
此外,本发明培养物保藏将根据“布达佩斯微生物保藏条约(the BudapestTreaty for the Deposit of Microorganisms)”的规定进行保存并向公众开放,即,将利用所有必要的护理保存培养物,以保持其在最近提出的提供保藏样品之后至少五年的期限生存和未受污染,并且在任何情况下,在保藏日期之后至少30(三十)年或可能会发布公开该培养物的任何专利的可实施寿命(the enforceable life)期限内生存和未受污染。
如果保藏所由于保藏条件的原因当被要求时而无法提供样品,保***承认有责任更换保藏。在公开本发明培养物的专利被授权,本发明培养物保藏对公众的所有可用性限制将不可撤回地取消。
根据本发明的微生物的生长
本发明利用微生物培养和微生物代谢物的生产和/或微生物生长的其他副产物的方法。本发明进一步利用适用于微生物培养和所需规模微生物代谢物的生产的培养方法。这些培养方法包括但不限于浸没培养/发酵、固态发酵(SSF)及其组合。
微生物培养***通常使用浸没培养物发酵;然而,也可以使用表面培养物和混合***。如本文所用,“发酵(fermentation)”是指在受控条件下细胞的生长。生长可能是有氧的或厌氧的。
在一个实施方式中,本发明提供用于生产物质(例如,活细胞材料)、细胞外代谢物(例如小分子和***蛋白)、残留营养物和/或细胞内组分(例如酶和其他蛋白质)的材料和方法。
根据本发明使用的微生物生长容器可以是任何用于工业用途的发酵罐或培养反应器。在一个实施方式中,该容器可具有功能控制器/传感器或可连接至功能控制器/传感器以测量培养过程中的重要因子,诸如pH、氧气、压力、温度、搅拌轴功率、湿度、粘度、和/或微生物密度和/或代谢物浓度。
在进一步的实施方式中,所述容器还能够监测容器内微生物的生长(例如细胞数和生长期的测定)。可选地,可以从容器中取出日常样品,并通过本领域已知的技术如稀释涂布技术进行计数。稀释涂布是一种简单的用于估算样品中微生物数量的技术。该技术还可以提供用以比较不同环境或处理的指标。
在一个实施例中,所述方法包括给培养补充氮源。例如,氮源可以是例如硝酸钾、硝酸铵、硫酸铵、磷酸铵、氨、尿素和/或氯化铵。这些氮源可以单独使用,或可以两种以上组合使用。
所述方法可为生长培养物提供氧化作用。一个实施方式利用空气的慢速运动来去除低氧含量的空气并引入含氧空气。含氧空气可以是每天通过机械补充的环境空气,所述机械包括用于机械搅动液体的叶轮以及用于将气泡供应到液体中以将氧气溶解到液体中的空气喷布器。
该方法可进一步包括给培养补充碳源。碳源通常是碳水化合物诸如葡萄糖、蔗糖、乳糖、果糖、海藻糖、甘露糖、甘露醇和/或麦芽糖;有机酸,诸如乙酸、富马酸、柠檬酸、丙酸、苹果酸、丙二酸和/或丙酮酸;醇诸如乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、异丁醇和/或丙三醇;脂肪和油类诸如大豆油、米糠油、橄榄油、菜籽油、玉米油、芝麻油和/或亚麻籽油等。这些碳源可单独使用或两种或以上组合使用。
在一个实施方式中,培养基包括微生物的生长因子和痕量营养物。当生长的微生物不能产生它们所需要的所有维生素时,这是尤其优选的。培养基也可含有无机营养物,其包括诸如铁、锌、铜、锰、钼和/或钴的痕量元素。
在一个实施方式中,亦可包括无机盐。可用无机盐可以是磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、硫酸镁、氯化镁、硫酸铁、氯化铁、硫酸锰、氯化锰、硫酸锌、氯化铅、硫酸铜、氯化钙、碳酸钙和/或碳酸钠。这些无机盐可单独使用或以两种或以上的组合使用。
在一些实施方式中,培养方法可以进一步包括在培养过程之前和/或在培养过程期间在液体培养基中添加另外的酸和/或抗菌剂。抗菌剂或抗生素用于保护培养物免受污染。此外,还可以添加消泡剂,以防止在培养过程中产生气体时泡沫的形成和/或积聚。
混合物的酸碱度应适合目标微生物。缓冲剂和pH调节剂(诸如碳酸盐和磷酸盐)可用于将pH值稳定在优选值附近。当金属离子以高浓度存在时,可能需要在液体培养基中使用螯合剂。
用于培养微生物和产生微生物的副产物的方法和设备可以分批地、准连续的过程或连续的过程进行。
微生物可以浮游生物或生物膜形式生长。在生物膜的情况下,所述容器内可装有基质,微生物可以在基质上以生物膜状态生长。该***还可具有例如施加促进因素(诸如剪切应力)的能力,其促进和/或改善生物膜生长特征。
在一个实施方式中,微生物培养方法是在约5℃至100℃下执行的,优选在15至60℃,更优选在25至50℃下执行。在进一步的实施方式中,培养可以在恒定温度下连续执行。在另一个实施方式中,培养可以在变化的温度中进行。
在一个实施方式中,该方法和培养过程中采用的是无菌设备。诸如反应器/容器的培养设备可与消毒单元(例如高压釜)分离但与消毒单元相连。培养设备还可具有在接种开始之前就地消毒的消毒单元。可以通过本领域已知的方法对空气进行消毒。例如,可使环境空气在被引入容器之前通过至少一个过滤器。在其他实施方式中,可以对培养基进行巴氏消毒,或者可选地完全不加热,以利用低水活性和低pH来控制细菌生长。
在一个实施方式中,本发明进一步提供了生产微生物代谢物,诸如乙醇、乳酸、β-葡聚糖、蛋白质、肽、代谢中间体、多不饱和脂肪酸和脂质的方法。通过该方法产生的代谢物含量可以是,例如,至少20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或90%。
发酵液的生物质含量可以是例如5g/L至180g/L或更高。在一个实施方式中,发酵液的固体含量为10g/L至150g/L。
由目标微生物产生的微生物生长副产物可保留在微生物中或分泌到液体培养基中。在另一个实施方式中,用于产生微生物生长副产物的方法可以进一步包括浓缩和纯化目标微生物生长副产物的步骤。在进一步的实施方式中,液体培养基可含有稳定微生物生长副产物活性的化合物。
在一个实施方式中,表面活性剂是通过在适于生长和表面活性剂生产的条件下培养本发明的微生物菌株而产生的;并且最佳地,纯化表面活性剂。酶或其他蛋白质也可以通过在适于生长和蛋白质表达的条件下培养本发明的微生物菌株而产生;并且最佳地,纯化酶或其他蛋白质。
在一个实施方式中,在培养完成后(例如在达到所需细胞密度或液体培养基中特定代谢物密度后)去除所有微生物培养成分。在该批次程序中,收获第一批产物后开始一个全新的批次。
在另一个实施方式中,在任何一次仅除去发酵产物的一部分。在本实施方式中,具有活微生物的生物质作为新培养批次的接种剂保留在容器中。去除的成分可以是无细胞液体或含有细胞。以这种方式就形成了一个准连续***。
有利地,该方法不需要复杂的设备或高能耗。目标微生物可以现场小规模或大规模地培养并利用,甚至可以与它们的培养基混合。类似地,微生物代谢物也可以在需要的地点大量生产。
有利地,基于微生物的产物可以在远程位置生产。在一种实施方式中,基于微生物的产物可用于人类营养和/或疾病预防和/或治疗。微生物生长设施可以通过利用例如太阳能、风能和/或水力发电而在电网外运行。
基于微生物的组合物
本发明提供了用于降低油的粘度的组合物。该组合物可用于将重油转化为轻油。该组合物可进一步用于提高石油采收率,包括从油砂中采收石油。此外,该组合物可用于经由管线而不是储存和运输罐进行运输来改善石油的运输。
在某些实施方式中,本发明的基于微生物的组合物包含微生物和/或其副产物。在一个实施方式中,用于本发明方法的微生物是生物表面活性剂生产细菌或酵母,或其组合。在一个实施方式中,微生物可以是一种或多种枯草芽胞杆菌菌株。在另一个实施方式中,基于微生物的组合物包括培养的球拟假丝酵母。在又另一个实施方式中,该组合物包含培养的蚜虫拟酵母。
在优选的实施方式中,微生物是毕赤酵母,诸如例如,异常毕赤酵母(异常威克汉姆酵母)、赛道威毕赤酵母、季也蒙毕赤酵母和林菲迪伊毕赤酵母。最优选地,在基于微生物的组合物中使用异常毕赤酵母和/或季也蒙毕赤酵母。
在一些实施方式中,根据本发明使用的微生物是“表面活性剂过量生成”。例如,该菌株可产生至少0.1-10g/L,例如0.5-1g/L表面活性剂副产物。例如,与其他石油采收微生物菌株相比,微生物产生至少10%、25%、50%、100%、2倍、5倍、7.5倍、10倍、12倍,15倍或更多。
基于微生物的组合物可包含含有活培养物和/或由微生物和/或任何残留营养物产生的微生物代谢物的发酵液。发酵产物可以直接使用而无需提取或纯化。如果需要,可以使用文献中描述的标准提取和/或纯化方法或技术容易地取得提取和纯化。
有利地,根据本发明,基于微生物的组合物可包含其中生长微生物的液体培养基。该产品可以是,例如至少按重量计的1%、5%、10%、25%、50%、75%或100%的液体培养基。产品中的生物质的量按重量计可以是,例如0%至100%的任何,包括其间的所有百分比。
发酵液的生物质含量可以是例如5g/L至180g/L或更高。在一个实施方式中,发酵液的固体含量为10g/L至150g/L。
可以将其他组分添加至基于微生物的组合物中,例如,缓冲剂、载体、在相同或不同设施中产生的其他基于微生物的组合物、粘度调节剂、防腐剂、用于微生物生长的营养物、追踪剂、抗微生物剂、其他微生物、表面活性剂、乳化剂、润滑剂、溶解度控制剂、pH调节剂,防腐剂、稳定剂和紫外线耐光剂。
在一个实施方式中,该组合物可进一步包含缓冲剂,包括有机和氨基酸或其盐,以使pH稳定在接近优选值附近。合适的缓冲剂包括但不限于柠檬酸盐、葡糖酸盐、酒石酸盐、苹果酸盐、乙酸盐、乳酸盐、草酸盐、天冬氨酸盐、丙二酸盐、葡庚糖酸盐、丙酮酸盐、半乳糖酸盐、葡糖二酸盐、酒石酸盐、谷氨酸盐、甘氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、半胱氨酸、精氨酸及其混合物。也可以使用磷酸和亚磷酸或其盐。合成缓冲剂适合使用,但优选使用天然缓冲剂,诸如有机和氨基酸或它们的盐。
在进一步的实施方式中,pH调节剂包括氢氧化钾、氢氧化铵、碳酸钾或碳酸氢钾、盐酸、硝酸、硫酸及其混合物。基于微生物的组合物的pH应适合于目标的微生物。在优选的实施方式中,基于微生物的组合物的pH范围为7.0-7.5。
在一个实施方式中,基于微生物的组合物可以包括另外的组分,诸如作为多元酸的盐的含水制剂,诸如碳酸氢钠或碳酸钠、硫酸钠、磷酸钠或磷酸二氢钠。
可选地,产品可在使用前储存。储存时间优选较短。因此,储存时间可以少于60天、45天、30天、20天、15天、10天、7天、5天、3天、2天、1天或12小时。在优选的实施方式中,如果产品中存在活细胞,则将产品储存在冷却温度下,诸如例如低于20℃、15℃、10℃或5℃。另一方面,生物表面活性剂组合物通常可以在环境温度下储存。
在某些实施方式中,本发明的组合物具有优于例如单独生物表面活性剂的优点,包括以下一种或多种:高浓度的甘露糖蛋白作为酵母细胞壁外表面的一部分;在酵母细胞壁中存在β-葡聚糖;在培养物中存在槐糖脂;以及溶剂和其他代谢物(例如乳酸、乙醇等)的存在。
本领域已知的***可用于培养用于本发明的微生物,诸如浸没培养物发酵、表面培养物和混合***。如本文所用,“发酵(fermentation)”是指在受控条件下细胞的生长。生长可能是有氧的或厌氧的。
发酵产物可以直接使用而无需提取或纯化。如果需要,可以使用本领域技术人员已知的标准提取方法或技术容易地取得提取和纯化。
用于培养微生物和产生微生物的副产物的方法和设备可以分批地、准连续的过程或连续的过程进行。
基于微生物的产物中的微生物可以是活性或非活性形式。可以使用基于微生物的产物而无需进一步稳定化、保藏和储存。有利的是,直接使用这些基于微生物的产物可以保持微生物的高存活率,减少了外来试剂和不期望的微生物的污染的可能性,并保持微生物生长副产物的活性。
微生物生长所产生的微生物和/或液体培养基可从培养发生的生长容器中去除,并经由例如管道传输以供立即使用。
在一个实施方式中,基于微生物的组合物包括已经老化24小时或更长时间的培养物。老化的培养物是在初始生长和代谢产物生成后允许搁置一段时间的培养物。
在其他实施方式中,可将组合物(微生物、液体培养基或微生物和液体培养基)放置在适当大小的容器中,同时考虑例如预期用途、预期施加方法、发酵罐的大小和任何从微生物生长设施到使用地点的任何运输方式。因此,放置基于微生物的组合物的容器可以是,例如1加仑至1000加仑的容器或更大的容器。在某些实施方式中,容器是2加仑、5加仑或25加仑的容器或更大的容器。
从生长容器中收获基于微生物的组合物时,可以添加其他组分,并将收获的产物放入容器和/或管道(或以其他方式运输使用)中。添加剂可以是,例如缓冲剂、载体、在相同或不同设施中产生的其他基于微生物的组合物、粘度调节剂、防腐剂、微生物生长的营养物、追踪剂、杀虫剂、和其他特定用于预期用途的成分。
基于微生物的产物的本地生产
在本发明优选的实施方式中,微生物生长设施以所需的规模生产新鲜的、高密度的目标微生物和/或微生物生长副产物。微生物生长设施可位于应用地点处或在应用地点附近。该设施以分批地、准连续或连续培养方式生产高密度基于微生物的组合物。
本发明的分布的微生物生长设施可位于将使用基于微生物的产物的位置(例如矿井)或靠近使用位置的位置。例如,微生物生长设施可以距离使用位置小于300、250、200、150、100、75、50、25、15、10、5、3或1英里。
因为基于微生物的产物是本地产生的,而不依赖于传统微生物生产的微生物稳定化、保藏、储存和运输过程,所以可以产生更高密度的营养状态或繁殖体状态的活微生物,从而需要基于微生物的产物用于现场应用的更小体积,或者在必要时允许更高密度的微生物应用以取得所需功效。这允许缩小的生物反应器(例如,较小的发酵罐、较小的起始材料、营养物、pH控制剂和消泡剂的供应),没有理由将细胞稳定化或将它们与培养物液体培养基分开,这使***高效,促进产品的可运输性。
基于微生物的产物的本地产生也有助于将生长液体培养基包含在产品中。液体培养基可含有在发酵过程中产生的特别适合本地使用的试剂。
本地生产的高密度、健硕的微生物培养物比那些已经经历营养细胞稳定或已经在供应链中停留一段时间的更有效。与其中细胞已经与发酵生长培养基中存在的代谢物和营养物分离的传统产物相比,本发明的基于微生物的产物是特别有利的。减少的运输时间允许按照当地需求的时间和量生产和交付新批次的微生物和/或其代谢物。
本发明的微生物生长设施产生新鲜的基于微生物的组合物,其包括微生物本身、微生物代谢物和/或其中生长微生物的液体培养基的其他组分。如果需要,该组合物可具有高密度的营养细胞或营养细胞、生殖孢子、分生孢子和/或菌丝体的混合物。
有利地,可以定制组合物以在指定位置使用。在一个实施方式中,微生物生长设施位于将使用基于微生物的产物的地点或在将使用基于微生物的产物的地点附近。
有利地,这些微生物生长设施提供了解决当前问题的方案,该问题为:依赖于广泛的工业规模的生产者,其产品质量因上游处理延迟、供应链瓶颈、不适当的储存以及其他妨碍及时交付和应用的突发事件而受到影响,例如,可存活的高细胞计数产物和相关的其中细胞最初生长的液体培养基和代谢物。
有利地,在优选的实施方式中,本发明的***利用天然存在的本地微生物及其代谢副产物的能量来改善石油生产。微生物生长设施通过定制基于微生物的产品的能力提供制造多功能性,以改善与目的地地理区域的协同作用。
各个容器的培养时间可以是例如1至7天或更长。培养产物可以以多种不同方式中的任何一种来收获。
对发酵物的在24小时以内的本地生产和交付,带来了纯的、高细胞密度组合物和基本上更低的运输成本。鉴于开发更有效和更强大的微生物接种剂的快速发展的前景,消费者将从这种快速交付基于微生物的产物的能力中极大受益。
本地微生物可以基于例如耐盐性和在高温下生长的能力来识别。
在一个实施方式中,根据本发明的组合物通过范围从小(例如,实验室设置)到大(例如工业设置)等各种规模的培养过程获得。这些培养过程包括但不限于浸没培养/发酵、固态发酵(SSF)及其组合。
有利地,基于微生物的产品可以在远程位置生产。微生物生长设施可以通过利用例如太阳能、风能和/或水力发电而在电网外运行。
提高石油采收率的方法
在一个实施方式中,本发明提供了一种降低重质原油粘度的方法,其包括使基于微生物的组合物与石油接触。该方法可用于将重油转化为轻油。该方法可选地包括将营养物和/或其他试剂伴随着基于微生物的组合物而施加。该方法可以通过将组合物和可选的营养物和/或其他试剂直接施加在石油储层中而就地进行。
本发明可以在连锁操作的所有阶段施加,包括勘探和生产(E&P)操作员(例如,陆上和海上井筒、出油管和罐)、中游(例如,管线、油轮、运输、储存罐)、以及炼油厂(例如热交换器、熔炉、蒸馏塔、焦化器、加氢裂化器)。
有利地,如图2所示,本发明可以增加原油、重质原油、焦油砂和石油焦(petcoke)的API比重,以及减少或消除重油提取的蒸汽注入和其他热、化学和机械方法的需要和成本相关的重油提取的蒸汽注入和其他热、化学和机械方法。进一步减少或消除稀释剂(例如,轻质或精制原油)和水套的需要以通过管线帮助移动重质原油。更进一步,随着重质石油粘度的降低,石油的运输不那么复杂或昂贵,因为对油罐车和储存罐的需求减少并且管线运输的使用变得更加可行。
在一个实施方式中,本发明提供了通过施加基于微生物的组合物至含有重油的石油采收地点来提高采收率的方法。石油采收地点可包含石油砂。该方法可选地包括将营养物和/或其他试剂添加到地点。
该方法还可以包括将微生物与一种或多种碱性化合物一起施加。碱性化合物可选自,例如,氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硅酸钠、原硅酸钠及其组合。
在一些实施方式中,该方法还可包括将基于微生物的组合物与一种或多种聚合物化合物一起施加。聚合物化合物可选自,例如,水凝胶、丙烯酸、丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺(HPAM)、多糖、黄原胶、瓜尔胶和纤维素聚合物。
在一些实施方式中,该方法还可以包括将基于微生物的组合物与一种或多种表面活性剂一起施加。表面活性剂可以是例如阴离子、阳离子或两性离子。
在一个实施方式中,该方法进一步包括恰在将本发明基于微生物的组合物施加至重油之前、在同时和/或在之后某时将重油经历气蚀的步骤。气蚀可以使用本领域已知的机械执行,例如流体动力学或超声气蚀法。
如本文所用,在处理重油的背景下,“气蚀(cavitation)”是指气体或蒸汽填充的气泡在液体中的形成、生长、塌陷或内爆。气蚀需要存在小的瞬态蒸汽或气体的微腔或微泡,它们会生长然后内爆或塌陷。在重油气蚀期间,包含重油的一部分液体呈气体形式,其作为气泡分散在液体部分中。该方法有效地破坏了石油中重烃的分子排列(例如,沥青烯,其可以形成高度缔合和粘结的聚集体),从而降低其粘度。
在流体动力学气蚀中,使包含重油的液体通过限制区或气蚀区,诸如例如毛细管或喷嘴,以增加混合物的速度。气态部分可以在使包含重油的液体通过气蚀区之前存在和/或这种气态部分可以由于包含重油的液体通过气蚀带的压力降(pressure drop)而产生。
在超声气蚀中,声波传播到液体中,导致交替的高压和低压循环。在低压循环期间,高强度超声波在液体中产生小的真空气泡或空隙。当气泡达到不能再吸收能量的体积时,它们在高压循环期间剧烈塌陷。
根据本发明方法的气蚀步骤可以在石油采收和运输的连锁操作期间的任何时刻施加至重质原油,以防止或减少原油液体中重烃的沉降,例如,从井中采收之后,并且被放入收集罐中之前;储存期间;储存在收集罐中之后,并且被运输至油轮中之前;在运输期间;在精炼工艺之前等,气蚀机械可以连接至储存罐、油罐车、泵***、管、管道和/或用于原油运输、传送和/或储存的任何其他设备。
有利地,该方法可以增加可以由重油生产的升级的、可用的和有价值的石油产品的量,例如,通过在精炼之前降低重油的Btu。换句话说,因为在精炼之前已对石油进行了处理,所以可以使用例如不太复杂的精炼工艺来生产更有用的产品,诸如燃料油、煤油和柴油,以及较少的石油焦,而如果不对石油进行处理的话,其粘度很高。此外,在优选的实施方式中,可以在不增加石油的TAN的情况下使用本发明。
在一个实施方式中,提供了从石油砂中采收石油的方法。石油砂、焦油砂或沥青砂是一种含有松散砂或部分固结砂岩的石油沉积物。它们可以含有沙子、粘土和水的混合物,并且通常用称为沥青(或焦油)的致密的高粘度石油饱和。为了从石油砂中采收油,基于微生物的组合物可以被施加至油砂,增加砂的润湿性并允许石油与砂分离。可选地,热交换器或其他热源可用于加热该过程。
根据该方法,混合物中存在的沙和其它固体颗粒将沉淀到混合物的底部,并且油和其他组合物液体可以通过管道输送至例如储存罐中,在那里它们可以进一步与另一个储存罐分离。在一个实施方式中,石油砂接受气蚀处理。在另一个实施方式中,已经从石油砂中分离出的石油经受气蚀处理。
在一个实施方式中,可以根据本发明的方法,即通过施加本发明基于微生物的组合物至石油,可选地然后使石油经受气蚀,来减少从石油砂中回收的石油的粘度。
在一个实施方式中,本发明提供了通过在适于生长和表面活性剂生产的条件下培养本发明的微生物菌株来生产生物表面活性剂;以及纯化表面活性剂的方法。
微生物生物表面活性剂由多种微生物诸如细菌、真菌和酵母产生。示例性生物表面活性剂生产微生物包括假单胞菌属(Pseudomonas)物种(绿脓假单胞菌(P.aeruginosa)、恶臭假单胞菌(P.putida)、荧光假单胞菌(P.florescens)、莓实假单胞菌(P.Fragi)、丁香假单胞菌(P.syringae);拟酵母Pseudozyma(蚜虫拟酵母(P.aphidis))黄杆菌属的若干种(Flavobacterium spp.);毕赤酵母属的若干种(异常毕赤酵母、林菲迪伊毕赤酵母、季也蒙毕赤酵母和赛道威毕赤酵母),芽孢杆菌属的若干种(枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌(B.amyloliquefaciens)、短小芽孢杆菌(B.Pumillus)、蜡样芽孢杆菌(B.cereus)、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis));威克汉姆酵母的若干种(异常威克汉姆酵母、球拟假丝酵母属的若干种(S.bombicola),念珠菌属的若干种(白色念珠菌(C.albicans)、皱落假丝酵母念珠菌(C.rugosa)、热带念珠菌(C.tropicalis)、解脂假丝酵母念珠菌(C.lipolytica)、球拟酵母念珠菌(C.torulopsis));红球菌属(Rhodococcus)的若干种;节杆菌属(Arthrobacter)的若干种;曲杆菌属(Campylobacter)的若干种;玉米叶杆菌(Cornybacterium)的若干种等。生物表面活性剂可以通过本领域已知的发酵方法获得。
安全、有效的微生物生物表面活性剂减少液体、固体和气体分子之间的表面和界面张力。如本文所讨论的,该活性在石油采收的背景下可以是非常有利的。
生物表面活性剂是可生物降解的,并且可以使用选定的有机体在可再生基质上容易且廉价地生产。大多数生物表面活性剂生产有机体响应于生长培养基中烃源(例如油、糖、甘油等)的存在而产生生物表面活性剂。其他介质成分诸如铁的浓度也会显著影响生物表面活性剂的产生。
根据本发明的生物表面活性剂包括,例如低分子量糖脂(GL)、脂肽(LP),黄素脂(flavolipid)(FL)、磷脂和高分子量聚合物诸如脂蛋白、脂多糖-蛋白质复合物和多糖-蛋白质-脂肪酸复合物。
在一个实施方式中,微生物生物表面活性剂是糖脂,诸如鼠李糖脂、槐糖脂(SLP)、海藻糖脂或甘露糖赤藓糖醇脂(MEL)。
在一个实施方式中,微生物生物表面活性剂是表面活性素。
在一个实施方式中,本发明提供了改善重质原油运输的方法,其包括使石油与基于微生物的组合物和可选的营养物和/或其它试剂接触。一旦重油粘度降低,重油就可以通过管线容易地运输,而不需要通过卡车在储存罐中进行运输。
进一步定义
与“包括(including)”或“含有(containing)”同义的过渡术语“包括(comprising)”是包含性的或开放性的,并且不排除另外的、未列举的要素或方法步骤。相反,过渡短语“由......组成(consisting of)”排除了权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。过渡短语“基本上由......组成(consisting essentially of)”将权利要求的范围限制于指定的材料或步骤“和那些不会对要求保护的发明的基本和新颖特征(一种或多种)产生实质影响的材料或步骤”。
除非特别说明或从上下文中显而易见,否则如本文所用,术语“或(or)”应理解为包括在内。除非在上下文中明确说明或显而易见,否则如本文所用,术语“一个(a,an)”和“该(the)”应理解为单数或复数。
除非特别说明或从上下文中显而易见,否则如本文所用,术语“约(about)”应理解为在本领域的正常耐受范围内,例如,在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%的所述值之内。除非另外从上下文清晰,否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
本文中对变量的任何定义中的化学基团列表的叙述包括该变量作为任何单个组或所列组的组合的定义。对于本文的变量或方面,实施方式的叙述包括如任何单一实施方式或与任何其他实施方式或其部分的组合的实施方式。
本文提供的任何组合物或方法可以与本文提供的任何其他组合物和方法中的一种或多种组合。
本发明的其他特征和优点将从以下其优选实施方式的描述和权利要求中变得显而易见。本文引用的所有参考文献均通过引用特此并入本文
实施例
从以下通过说明的方式给出的实施例可以更好地理解本发明及其许多优点。以下实施例说明了本发明的一些方法、应用、实施方式和变异体。当然,它们不应被视为限制本发明。可以对本发明进行许多改变和修饰。。
实施例1:枯草芽胞杆菌的生产
枯草芽胞杆菌变种的发酵位点可以在500L反应器中进行,该反应器具有350L营养物培养基,其含有:
培养可在40℃下执行,pH稳定在6.8-7.0,并且DO稳定在16.8%(空气中的氧浓度为100%),顶空压力约为11psi。培养的持续时间为24-32小时。细菌培养物的最终浓度不低于1×109CFU/mL。最终表面活性素浓度为0.5和3g/L之间.
通过单一发酵循环制造的培养物的量允许生产超过2,000桶的含有106CFU的这种芽胞杆菌属菌株的最终处理制剂。
实施例2:在450升反应器中用于槐糖脂生产的威克汉姆酵母和/或毕赤酵母的发酵
使用具有水过滤、温度控制单元和用于充分通风的通风机的通过PLC操作的可移动气升式反应器。该方法可以作为分批培养过程执行。当生长用于SLP生产的毕赤酵母(例如,异常毕赤酵母)时,反应器具有400L的工作容积。
在优选的实施方式中,用于SLP生产的营养物是葡萄糖、脲、酵母膏、芥花籽油、硫酸镁和磷酸钾。
此反应器的接种需要多至5%工作容积的液体种子培养物。在温度25℃和pH 3.5,培养周期的持续时间为7天,其中取样每天进行两次。
SLP的最终浓度大致为工作容积的20-25%,在这种情况下大于90L的产品形成。
实施例3:在900L反应器中用于细胞和单细胞蛋白生产的毕赤酵母的发酵。
使用分成两个罐的便携式反应器,其通过中央气升装置运行以有助于同时混合两个罐。在生长用于细胞生产的毕赤酵母(例如异常毕赤酵母)时,该反应器具有600L的工作容积。
在一个优选实施方式中,用于细胞生产的营养物是葡萄糖或烘焙糖、脲、酵母膏、硫酸镁和磷酸钾。
反应器用2%的种子培养物接种。在没有pH稳定化并且温度为26至32℃的情况下,发酵持续48-72小时。
细胞的最终浓度将为100g的湿重/升。湿生物质浓度每个周期可以达到90千克,其中蛋白浓度多至45千克。
实施例4:在2000L反应器中用于细胞和单细胞蛋白质生产的毕赤酵母的发酵。
使用分成两个方形罐的便携式反应器,其带有用于在它们之间的物质交换的2个回路。在生长用于细胞生产的毕赤酵母(例如异常毕赤酵母)时,该反应器具有2000L的工作容积。
在一个优选实施方式中,用于细胞生产的营养物是葡萄糖或烘焙糖、脲、酵母膏、硫酸镁和磷酸钾。
反应器用2%的种子培养物接种。在没有pH稳定化并且温度为26至32℃的情况下,发酵持续48-72小时。
最终的细胞浓度将为100g的湿重/升。湿生物质浓度每个周期可以达到多至200千克,其中蛋白浓度多至100千克。
实施例5:在便携式14L反应器中用于生物表面活性剂生产的球拟假丝酵母的发酵。
该反应器是具有空气喷布器和叶轮的高压釜式带夹套玻璃器皿。其装配有溶解氧、pH、温度和泡沫的探针;其具有集成控制站,带有彩色触屏界面、嵌入式泵、气体流量控制器和pH/DO泡沫/液位控制器。
反应器的工作容积为10升。
营养介质含有葡萄糖、酵母膏、脲和植物油。接种可以为以总培养物体积的约5-10%的球拟假丝酵母的1至2天龄的培养物。培养持续时间和现成产物收集持续5-14天。最终的槐糖脂生产可以每个周期达到1-2千克。
实施例6:在2100L工作容积的反应器中用于生物表面活性剂生产的球拟假丝酵母的发酵。
使用具有水过滤、温度控制单元和叶轮的由PLC操作的不锈钢全封闭反应器。当生长用于SLP生产的球拟假丝酵母时,反应器的工作容积为2100L。
在优选的实施方式中,用于SLP生产的营养物培养基包括葡萄糖、脲、酵母膏和芥花籽油。
在反应器中接种10升液体培养物,分别在小反应器中生产。在25℃,用于SLP生产的培养周期持续时间为5天,并且初始pH值为5.5。然后在发酵过程期间将pH降至3.5。
每个发酵周期产生大约70-75加仑的SLP,其中最终产物的SLP浓度为300-400g/L。
实施例7:在100L、110L和500L反应器中用于生物表面活性剂生产的球拟假丝酵母的发酵。
发酵罐是具有空气喷布器和叶轮的高压釜式带夹套玻璃器皿。其装配有溶解氧、pH、温度和泡沫的探针;其具有集成控制站,带有彩色触屏界面、嵌入式泵、气体流量控制器和pH/DO泡沫/液位控制器。500L反应器的工作容积为350升。110L反应器的工作容积为90L。100L反应器的工作容积为60L。
营养物培养基含有葡萄糖、酵母膏、脲和植物油。接种物是使用100L发酵罐(5-10%v/v接种物)制备的1至2天龄培养物的球拟假丝酵母。培养持续时间和现成产品收集在25-30℃和pH 3.5下持续5-14天。最终的槐糖脂层可以达到每个周期40%的工作容积。SLP层含有300至500g/L的SLP。
实施例8:在便携式14L可分配反应器中用于甘露糖赤藓糖醇脂(MEL)生产的蚜虫拟酵母的发酵。
这是具有空气喷布器和Rushton叶轮的蒸汽高压釜式带夹套玻璃器皿。其装配有DO、pH、温度和泡沫的探针。其具有集成控制站,带有彩色触屏界面、嵌入式泵、气体流量控制器和pH/DO泡沫/液位控制器。反应器的工作容积为10升。
营养培养基组成:硝酸钠、磷酸钾、硫酸镁、酵母膏和植物油。接种可以为以总培养物体积的约5-10%的蚜虫拟酵母的1至2天龄培养物。培养持续时间和样品收集:9-15天。最终MEL生产:800-1000克。
实施例9:在实验室设置中用于测试粘度降低的一般协议
通过从原料桶中舀、舀取或倒入密封容器中收集非均质原油样品用于运输。将样品倒入烧杯中,然后,如果石油具有大的可见颗粒,则使用棒式搅拌器将其均质化30秒直至样品在视觉上均匀。
然后,将100mL的石油样品吸移到具有耐溶剂密封盖的玻璃瓶中。接下来,向瓶中加入100mL粘度降低处理物(使油与处理物的比例为1:1)。将瓶子的线用PTFE/Teflon带包裹,并将盖子牢固地放在瓶子上以减少轻质挥发物的损失。然后将瓶子放入轨道振荡器中。如果需要,可以在固定在振动器中之前将瓶子包裹在吸收垫中。
在30-40℃的受控温度下,将内含有该混合物的瓶子在70rpm下振荡彻夜,或18±4小时。振荡后,使样品重力分离30至60分钟。如果重力分离不充分或太慢,可将样品以8,000rpm离心30分钟。
水层被首先除去,以确保对不含水的油层的收集。然后将油层用棒式搅拌器重新均质化并收集用于粘度测试。使用旋转粘度计在所需温度下按照粘度计的标准程序测试粘度。
实施例10:使用球拟假丝酵母培养产物的石油粘度降低
在我们的研究中使用具有-3.7°的API重力和24,000cPas的粘度的超重油(半固体)。重油含有高达50%的固体链烷烃。
对于重油处理研究,在1升烧瓶中,将120mL重质原油与球拟假丝酵母的120mL发酵培养物混合。水对照***含有120mL重质原油和120mL水。将烧瓶在振荡器中于30℃培育一天(1d),振荡速度为200rpm。处理后,将烧瓶从振荡器中取出,然后以8,000rpm离心10分钟,使油水混合物分成三相。轻油相位于顶层。重油相位于中间,并且水相位于管底部。对顶部两个原油相进行取样并在50℃的烘箱中混合1天,使固体溶解成油。然后将油从烘箱中取出并在21℃下储存以测量油粘度和API重力测量值。
对于水对照和1天(1d)处理后的重油粘度和API比重进行了比较。处理1d后,API比重从-3.7°增加至7.2°。粘度降低率用于量化粘度变化。发现重油粘度从24,000±3,600cPas降低至1,100±190cPas,在1天处理后降低95%(图2),而来自水***的重油粘度未显示任何降低。
实施例11:用于粘度降低的老化的球拟假丝酵母培养物的使用
球拟假丝酵母的培养物在PLC控制的生物反应器中生长。控制温度和pH以优化槐糖脂生物表面活性剂的生产。该培养基含有葡萄糖、酵母膏、脲和植物油。生长4天后,允许超过溶解度极限的槐糖脂借助于重力沉降。
然后将生物表面活性沉降后的发酵液老化7天。将含有代谢产物的培养物液体培养基与重质沥青油以1份处理物比10份油的比例接触24小时。除去任何剩余的乳化水并测试粘度。
除去水前的粘度降低为4%(4,882cSt至4,696cSt)。除去剩余的乳化水进一步将粘度降低至57%(4,882cSt至2,121cSt)。单独除去水仅能使粘度降低31%,这归因于微生物衍生处理降低的26%。老化24小时的培养物未发现粘度降低(4,882cSt至5,007cSt)。
实施例12:使用MEL组合物用于哥伦比亚原油的粘度降低
用MEL处理物处理残留哥伦比亚原油的样品。如果原油是高度非均质的,具有大的可见颗粒,则用市售的棒状搅拌器将石油均质化,直至在室温下光滑并且均匀。以不同的量添加一部分MEL处理物。在室温下手动混合样品直至MEL充分掺入。然后在30℃下在Brookfield型粘度计中测试粘度。
初始样品的粘度为149,460cp。MEL的加入使粘度降低至29,530cp,然后降低至27,370cp。另外的MEL从0.4%至0.5%的收益递减(diminishing return)可能表明沥青烯的胶束消散。该处理是成功的,因该样品的粘度降低了64%(图3)。
实施例13:使用MEL组合物用于燃料油和沥青油的粘度降低
用MEL处理物处理燃料油和沥青油样品。如果油是高度非均质的,具有大的可见颗粒,则用市售的棒式搅拌器将油均质化,直至在室温下光滑和均匀。以不同的量添加一部分MEL处理物。在室温下手动混合每个样品直至MEL充分掺入。然后在30℃下在Brookfield型粘度计中测试粘度。
对于燃料油,初始样品的粘度为1,234cP。将5%MEL处理进行3次重复。每次重复使粘度降低24%(重复1:粘度降低至944cP;重复2:粘度降低至943cP;重复3:粘度降低至939cP)。
对于沥青油,初始样品的粘度为4,882cP。将5%MEL进行2次重复。每次重复使粘度降低48%(重复1:粘度降低至2,528cP;重复2:粘度降低至2,533cP)。
实施例14:用于降低粘度的异常毕赤酵母和振动器处理
将非均质原油与用6%芥花籽油生长的异常毕赤酵母培养物混合,并且可选地,在芥花籽油基体中,基于石油的诱导物由15%链烷烃和15%沥青组成。诱导剂以0.5%(v/v)的量添加。培养物与原油以1:1混合。将混合物置于轨道振荡器中。在振荡期间保持40℃的温度18±4小时。在30℃下测试粘度。
原油在70rpm和40℃下振荡,用烃诱导的培养物生长3天,产生粘度降低70%±13%。原油在100rpm和40℃下振荡,用培养物生长3天,无论诱导剂如何,粘度降低27%±1%。
实施例15:用于降低粘度的异常毕赤酵母培养物的各种馏分的测试
用异常毕赤酵母培养物处理的馏分处理残留原油样品。如果原油是高度非均质的,具有大的可见颗粒,则用市售的棒式搅拌器将油均质化,直到在室温下光滑和均匀。将原油与在芥花籽油基体中6%芥花籽油和由15%链烷烃和15%沥青组成的基于石油的诱导剂一起生长的异常毕赤酵母培养物接触。诱导剂以0.5%(v/v)的量添加。
培养物的不同馏分(在下面的表1中列出)也与原油接触以获得它们对降低粘度的个体贡献。培养物或培养物等效馏分与原油以1:1(100mL:100mL)混合。
将样品在70rpm,30℃的温度下振荡彻夜。在30℃下测试粘度。在所有情况下都注意到粘度降低,整个培养物产生最明确的效果。
表1.异常毕赤酵母馏分和原油粘度降低的百分比%
*将100mL细胞悬浮于50mL培养物中,并在0.1摩尔氢氧化钠溶液中在98℃下加热20分钟。
实施例16:用于粘度降低的不同毕赤酵母微生物的比较
测试了不同的毕赤酵母菌株降低原油粘度的能力。培养物与芥花籽油基体中的6%芥花籽油和由15%链烷烃和15%沥青组成的0.5%(v/v)的诱导物在30℃下在轨道振荡器中生长3天。
所有测试均以1:1的比例进行。如有必要,用棒式搅拌器将原油均质化至光滑。将样品在30℃下在以70rpm振荡的盖帽玻璃瓶中轻轻振荡彻夜。在使油和水馏分分离后,在30℃下测试油粘度。如表2所示,大多数毕赤酵母培养物降低了均质原油的粘度。香柏毕赤酵母(P.occidentalis)是唯一表明粘度增加的培养物。
表2.使用各种毕赤酵母处理的原油粘度降低%
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Claims (20)
1.一种用于降低石油粘度的组合物,其中所述组合物包含产生生物表面活性剂的微生物和/或由微生物产生的一种或多种生物表面活性剂。
2.权利要求1所述的组合物,其中所述微生物是毕赤酵母属酵母,其选自异常毕赤酵母、赛道威毕赤酵母、季也蒙毕赤酵母和林菲迪伊毕赤酵母中的一种或多种。
3.权利要求2所述的组合物,其中所述酵母选自异常毕赤酵母和季也蒙毕赤酵母。
4.权利要求1所述的组合物,其中所述微生物是球拟假丝酵母。
5.权利要求1所述的组合物,其中所述微生物是蚜虫拟酵母。
6.权利要求1所述的组合物,其中所述微生物是枯草芽胞杆菌的菌株。
7.权利要求1所述的组合物,其中所述一种或多种生物表面活性剂是选自槐糖脂(SLP)、鼠李糖脂(RLP)和甘露糖赤藓糖醇脂(MEL)的糖脂。
8.权利要求1所述的组合物,其中所述基于微生物的组合物包含已经老化24小时或更长时间的微生物培养物。
9.权利要求1所述的组合物,其进一步包含表面活性素。
10.权利要求1所述的组合物,其包含所述一种或多种生物表面活性剂而不含微生物。
11.一种降低石油的粘度的方法,所述方法包括使权利要求1至10所述的组合物与石油接触。
12.权利要求11所述的方法,其中使所述组合物接触的步骤包括将所述组合物注入井筒、出油管或油罐中。
13.权利要求11所述的方法,其进一步包括施用用于微生物生长的营养物。
14.权利要求13所述的方法,其中所述营养物包括氮、硝酸盐、磷、镁和/或碳。
15.权利要求11所述的方法,其用于改善通过油田管线、罐、套管、管道、杆、泵和/或井筒的石油传输。
16.权利要求11所述的方法,其用于将原油的重沥青部分转化为较低分子量的化合物。
17.权利要求11所述的方法,其中所述组合物在距离使用它的地点不超过50英里的距离现场生产。
18.权利要求11所述的方法,其进一步包括使石油经受气蚀的步骤。
19.一种从石油砂中采收石油的方法,其包括将权利要求1至8的组合物施加至所述石油砂;使所述石油与砂分离;并且管道输出所述石油。
20.权利要求19所述的方法,其中所述方法进一步包括降低通过将权利要求1至10所述的组合物施加至所述石油而采收的所述石油的粘度,并且可选地使所述石油经受气蚀。
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