“стабильная микроэмульсия типа “вода в масле” и способ ее получения”

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)(54) СТАБИЛЬНАЯ МИКРОЭМУЛЬСИЯ ТИПА"ВОДА В МАСЛГ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ(57) Использование: очистка сырой нефти от серусодержащих соединений, микроорганизмы в микроэмульсии типа "вода в масле". Сущность изобретения: стабильная однофазная микроэмульсия типа"вода в масле" включает сырую нефть и/или продукты ее переработки, воду, микроорганизмы или ихчасти и капиллярно-активные веществэ, В качестве водной фазы микроэмульсия содержит концентрированный водный раствор микроорганизмов и/или их частей. Дополнительно эмульсия может содержать ПАВ, выбранное из группы: оксиэтилированные низшие спирты, эфиры ВЖ кислот С -С фосфотв 35 ролипиды Микроорганизмами являются бактерии. обладающие восстанавливающей или окисляющей 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 солюбилизируют в сырой нефти и/или продукте ее переработки, При необходимости сырую нефть предварительно смешивают с ПАВ в количестве 0,1 - 10 % от массы нефти.2 с и 3 зл.ф-лы,4 илИзобретение относится к стабильнымоднсфазным растворам микроэмульсий типа "вода в масле", содержащим микроорганизмы, которые получают из сырой нефтиили производных сырой нефти. 5Для того чтобы удалить серусодержащие продукты из сырой нефти, лигроина ипроизводных, давно предпринимались попытки найти микробиологическую процедуру, Использование микроорганизмов 1 Оописано, например, в исчерпывающем обзсре 11,Позднее были предложены микроорганизмы по ссылкам 2 - б.Проблсма удаления серы иэ,сырой нефти связана с удалением серы из угля, и вприведенных литературных данных 1 - 6 и вдругих ссылках 7, 81 этот предмет всесторонне обсуждается, Данная проблема обсуждается в статье Андрюса и Манзуга. 2 ОПоскольку почти все микроорганизмы и также приведенные выше с трудом могут существовать в сырой нефти, как правило, ониработают в двухфазных системах, где микроорганизмы вводят в водную Фазу, которая 25не смешивается с сырой нефтью. Реакцияпроисходит на границе раздела фаз, поэтому необходимо постоянно обновлять контактирующие поверхности с помощьюинтенсивного перемешивания. Новые инте- ЗОресные материалы, свидетельствующие впользу двухфазных авистам, появились недавно, Б этом случае автооы использовалив органической фазе капиллярно-активныеагенты (твин 80 - зарегистрированная тсрговая марка), которые обладают способностью к построению обратимых мицелл ворганических растворителях, Они достиглитаким путем значительнво успг.".а в удалении серь из угля. Авторы однако предуп- Ореждают о том. что энзимные препаратыгораздо более эффективны, чем соответствующие микроорганизмы как таковые (6),Конечно, было бы преимуществом длямикробиологического разрушения, если бц 45оно происходило в гомогенной фазе, а не вдвухфазной системе. Но это означает, чтонеобходимо найти условия, при которыхмикрсооганизмц могли бы присутствовать врастворе, рассеянные гомогенно в сырой 5 ОнефтиСолюбилизация Всдсрастворимцх протеинов и других биопслимеров в органических растворителях с помощью обратимыхмицелл или микроэмульсий "вода в масле" 55известна уже несколько лет (9 и 1 О 1, В противоположность обычным водным мицеллам обратимые мицеллы образуются внеполярных растворителях. В этом случаеприменяются капиллярнс-активные агентц,которы образуот 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 изсбсажены (а) нормальная, т.е, водная, мицелла и (б) обратимая мицелла; на фиг,2 - введение 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 "Азслектин", 65 мМ) и воды (1 М), как показана 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 бисполимеры в таких водных каплях при вторичном солюбилизационном процессе. Получают термодинамически стабильные растворы, обладающие прозрачностью и в которых знэимы сохраня ст свою активность.Графическое представление процессаолюбилизацил рано на Фиг,2.Ранее было также обнаружено, что Е,соИ 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 Г 13), что возможно солюбилизировать споры, бактерии и дрожжевые клетки в олуоле, используя фосфолипиды в качестве капиллярнс-активных агентов, од 1839631нако 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,Не 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-активного агента, что и делает возможной ее растворимость в органической среде,Фиг.З 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 1 пИс ответственны за оптиче 5 10 15 20 25 30 35 40 45 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.З.Необходимо добавить, что в условиях 6) бактерии не могут передаваться в супернатантную фазу, значит, в системе а) невозможно создать такую ситуацию, которая реализуется в системе 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 случаеДля того чтобы получить единственную фазу, необходимо, чтобы добавленный обьем водного раствора не нарушил границы термодинамической устойчивости микроэмульсйонной системы, в противном случае, как установлено, при добавлении слишком большого количества воды получают двухфазную систему, 1839631Было 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 50 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 2 об.0 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 выйтиза эти пределы, одновременно сохраняя однофазную систему, если использовать большую концентрацию капиллярно-активного агента, например в случае азолектина можно солюбилиэиро вать вдвое больше воды, удвоив концентрацию капиллярно-активного агента и следовательно добавить больше клеток соответственно,В 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.В процессе. описанном выше, применялись следующие микроорганизмы: дрожжи Бейкера,Рзеобогпопаз зр.зоИооЬцоз, ТЫоЬ- ассег зоНохбапз. Ваз. зцЫЮз, АгйгоЬастег срр, НА 1.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 0,940 45 50 55 5 10 15 20 25 30 35 ным водным раствором хлористого натрия,измеряется количество клеток (около 100 на каждую чашку Петри), 1000/ жизнеспособности соответствует концентрация клеток вначале (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;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. капиллярно-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-актиеных 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 е сырой нефти.Изобретение делает возможным микробиологическую обработку сырой нефти в стационарных условиях,Солюбилизируют в сырой нефти среди прочих тел микроорганизмы, которые способныразрушать продукты. содержащие серу. Предлагаемый процесс химического разрушения и соответствующие реакции являются предметом дальнейших исследований, Также показано, что жизнеспособность микроорганизмов может не снижаться не, бавляют 100 мкл к раствору азолектин/сы 30 рая нефть (процедура, как в примере 3), см,40 45 50 55 5 10 15 20 25 делями и за это время не наблюдается существенного осаждения 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.П р и м е р 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.П р и м е р 3. Такая же процедура, как в примере 1, дрожжи в растворе 250 мг азолектина в 5 мл сырой нефти.П р и м е р 4. Такая жэ процедура, как в примере 1, дрожжи в растворе 250 мл азолектина в 5 мл моторного масла Теллус 33 (Шелл),П р и м е р 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 П р и м е р 6, Из раствора 30 мг/млРзецбовопаз зр. в питательной среде, дофиг,4. П р и м е р 7. Такой же объем раствора спор Васцз зоЬМ 11 з солюбилизируют, как в примере 6 или 1, в азолектине/сыройнефти,П р и м е р ы 8-10, Как описано в примере 6, АгйгоЬассег сррвыращенные в течение двух дней в бутаноле Зо 11 о 1 оЬцз Асбоса 1 Ьапцз, ТЫоЬасцз зоНох 1 Ьапз, могут быть введены подобным же путем, см,фиг.4.(56) МаВ .А. Ргосезз 8 осЬевзажгу, Зерт.,1978, з,10,Кагд Е., Ецк,МсгоЬо 1, ТесЬп., 1982, М4, з.13,Кагд Е. апб йоЬпзоп 1.М, 81 отесЬ.Воепдеп, 1984, М 26, з.687.Кагд Е. апб йоЬпзоп 1.М. Арр,Епч 1 гоп,МсгоЬ, 1982, М 44, з.878,Чап АНегбеп М. е 1 а 1 Воргосеззпд о 1соа 1, К,Я. Чоггез еб 1 о, 196 й. АСЯ йатопаМеебпд. Ав, СЬмп.Яос.Оч,Еое 1 СЬевзажгу,чо 1. 1988, ч.33, р.561.Каапд - 11 1 ее апб ТепЕо Уеп.Ргер г. Ра р. - Ав, СЬев, Кос., О . ЕцеСЬевзажгу, Чо. 1988, ч.33, р.572.Нойвапп М.К Еацзс В.СРапба Е.АНоп 1 Н.Коо апб ТзосЬуа, Арр. ЕпччиМсгоЬо 1, 1982, ч.42, р,259..о 1 а 1 Р 2 Мз 91 бСгЮсз Ввч. В 1 осйее, 1986, ч,20, р,409,Формула изобретения1. Стэбильнэя микроэмульсия типа "водэ в масле", включэющзя микрооргэнизмыили их части, сырую нефть, воду и кэпиллярмо-зктивное вещество, отличзющэясятем, что, с целью повышения стабильностии улучшения технических характеристик, вкачестве водной фэзы микроэмульсия содержит концентрировэнный водный рэствор микроорганизмов и/или их частей, э водный раствор соллюбилизируется в сырой нефти и/или продукте ев перерэботкис получением однофэзной смеси.2. Микроэмульсия по п,1, отличэющзяся тем, что микроэмульсия дополнительно содержит по крайней мере одно поверхностно-эктивное вещество, выбрзмное из группы: оксиэтилиравзнные низшие спирты, эфиры высших жирных кислот Св - Сзв, фосфолипиды в количестве 0,1- 10 мэс.ф в рзсчете нэ сырую нефть и/или продукт ев переработки.3. Микрозмульсия по пп.1 и 2, отличэющэяся тем, что в квчвстве микрооргвнизмов эмульсия содержит бактерии, облэдэющие восстэнэвливэющей илиокисляющей эктивностью по отношению к серусодержэщим соединениям, предпочтительно дрожжевые клетки рэзличных лимий с рээрушэющей или перерэбэтывэющей способностью по отновению к ароматическим соединениям,Я. Микроэмульсия по пп. 1 - 3, отличэющэяся тем, что дополнительно содержит в кэчестве эктавной добавки низший эли 4 и- тический спирт в количестве 0,1 - 100 от мессы поверхностно.эктивмого вещества.5. Микроэмульсия по пп. 1- 4, отличающаяся тем, что микрозмульсия содержит 0,001 - 100 об.ч. концентрировэнмого водного раствора микроорганизмов мэ 100 Наг 1 пд 6. эпб эй., В 1 орЬ. Йеа.Соппп.1985, .127, р.911,Нэг 1 п 9 6. зпб зй. Апп оФ Фе йеа, Зог 1 с.5 Асэб. о 1 Зс 1, 1987, 506, р.337.Оэггаоп А. опб эй. ВосЬев. В 1 орЬ. Веа.Сове. 1988, 151, р, 074.10об.ч. сырой нефти и/или продуктэ ее переработки,6. Микроэмульсия по пп,- 5, отличающэяся тем, что концентрировэнный водный раствор содержит соли и питательныевещества для микроорганизмов.7. Микроэмульсия по пп. 1 - 6, отличающэяся тем, что содержит продукт перерэ 20 ботки сырых нефтей, выбрзнный изгруппы: моторное масло, лигроин, легкоеили тяжелое топливо,8; Способ получения стабильной мик 25. роэмульсии типа "вода в масле" смешени. ем сырой нефти с водным раствором,содержащим микроорганизмы, отличающийсяя тем, что, с целью повышения стзбильности и улучшения технических30 характеристик, готовят концентрировзнный водный раствор микрооргзнизмови/или их чзстей и затем его соллюбилизируют в сырой нефти и/или продукте ее перерэботки с образованием однофээной35 смеси при концентрации водного раствора0,001 - 100 об.ч, нэ 100 об,ч. нефтепродуктов.9, Способ по п.8, отличающийся тем,что сырую нефть и/или продукт ее перерзботки предварительно смешивают по крайней мере с одним поверхностно-активнымвеществом, выбранным из группы; оксиэтилировэнные низшие спирты, эфиры высших жирных кислот С 8 - С 35,фосфолипиды, взятым в количестве 0,110 от массы сырой нефти и/или продуктаве переработки.10, Способ по пп. 8 и 9, отличающийся50 тем, что для приготовлейия концентрировэмного водного рзстворэ используют микрооргэнизмы, облэаэющиевосстэнэвливэющей или окисляющей эктивностью по отношению к серусодержа 55 щим соединениям..Гагарина, 101 ц 40й Тираж Подписн НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г, Уж