生物破乳剂产生菌的特性及破乳效能研究

论文摘要

生物破乳剂作为一种高效、无毒、无二次污染、具有可生物降解性和安全性的绿色生物制剂,代表了破乳剂的重要研发方向之一。高效、环保的生物破乳剂替代化学破乳剂使用,对于提高原油乳状液的脱水率及对含油污水的处理效率,减少不必要的环境污染,实现可持续发展具有重要意义。目前,生物破乳剂的研究主要停留在对于破乳菌株的筛选、生长及破乳条件优化方面,针对破乳菌的发酵动力学、生物破乳剂破乳有效成分以及生物破乳剂破乳机理的研究甚少。以破乳菌的分离、筛选为基础,开展了破乳菌生长特性的研究,并分析其发酵动力学特征;考察了破乳菌产破乳剂的特性,以及环境因素对其破乳效能的影响;分析了生物破乳剂的破乳有效成分,阐明其理化性质;对破乳过程进行解析,并初步探讨其破乳机制。建立了一套高效、便捷的破乳菌种筛选方法,采用此方法分离、筛选得到1株高效破乳菌,其全培养液针对O/W型模型乳状液24h破乳率在85.0%以上,48h破乳率可达100%;经生理生化及16S rDNA鉴定,明确该菌为莫海威芽孢杆菌（Bacillus mojavensis）,实验室编号XH-1。连续传代稳定性实验证明,XH-1菌株具有较强的破乳遗传稳定性。通过破乳实验及生物量的测定,对影响破乳菌产破乳剂能力及生长的培养和营养条件进行考查。确定其最佳培养条件为:初始pH 6.5,培养温度30℃,摇床转速140rpm,培养时间18h20h。研究发现,破乳菌XH-1用于生长和产破乳剂的碳源和氮源具有广谱性,其中最适碳源为葡萄糖（10g/L）与液体石蜡（2% （v/v））组成的混合碳源,最适氮源为NH4NO3（4.0g/L）与酵母膏（1.0g/L）组成的混合氮源。在对影响生物破乳剂破乳效能的环境因素的考察中发现:生物破乳剂的破乳率随时间的变化近似为一级反应;确定在5mL模型乳状液中破乳菌全培养液的最适投加量为1.0mL;破乳适宜环境pH5.09.0;最佳破乳温度30℃50℃。对破乳菌分批发酵过程进行了研究,根据其发酵过程的特点,在Logistic方程和Luedeking-Piret方程的基础上,建立了菌株XH-1发酵过程中菌体生长、基质消耗和产物形成的动力学方程。采用Origin7.5软件对试验数据进行处理,得到了破乳菌的分批发酵动力学模型参数,模型预测值和实验值吻合较好,说明所建立的方程能较好地预测其实际发酵过程,具有很好的适用性。根据显微观察和理化分析,明确了该生物破乳剂的破乳有效成分为蛋白类物质,其存在于细胞外,粘连在菌体四周或游离于发酵液中,而菌体本身不具有破乳能力。采用聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）的方法对具有破乳效能的蛋白质进行分离,发现其存在于50KD80KD分子量之间的一条差异条带中;用鸟枪法（Shotgun）对获得的蛋白质进行分析,鉴定得到20种蛋白质,其中6种为未知功能或未命名蛋白质,其余14种蛋白质的破乳功能也未见报道。考察了生物破乳剂的破乳行为,并结合破乳活性成分的理化特点,对其破乳过程进行解析,初步探讨其破乳机制。在此基础上,结合相关理论,提出了蛋白质协同作用破乳假说。分析乳状液的Zeta电位随生物破乳剂投加量及破乳率的变化关系,发现在破乳过程中,没有出现明显的电中和现象;通过研究模型乳状液油水界面张力与破乳效果的关系及蛋白质破乳剂结构与界面张力的关系,发现蛋白质破乳剂利用其两亲性及大分子结构,可在界面体现很好伸展性及吸附功能,从而体现优异的破乳性能;在其破乳过程中,包括置换作用和增溶作用:在低破乳剂用量下,以置换作用为主,随破乳剂用量的增加界面张力降低,破乳率升高;在较高破乳剂用量下,以增溶作用为主,随破乳剂用量的进一步增加,界面张力升高,破乳率降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 油田乳状液的形成与危害
• 1.1.2 油田乳状液的脱水工艺
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 原油乳状液的传统破乳方法
• 1.2.2 生物破乳法及其优势
• 1.2.3 高效破乳菌种的分离
• 1.2.4 生物破乳剂破乳效果的影响因素
• 1.2.5 生物破乳剂的有效成分
• 1.2.6 生物破乳剂破乳机理
• 1.2.7 蛋白质的分离纯化及鉴定
• 1.3 课题目的、意义与研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 目的及意义
• 1.3.3 研究内容
• 第2章 试验材料、仪器设备与分析方法
• 2.1 实验材料与仪器设备
• 2.1.1 常用实验仪器设备
• 2.1.2 鸟枪法蛋白质分析所用设备
• 2.1.3 培养基
• 2.2 微生物学实验
• 2.2.1 高效破乳菌的筛选及培养方法
• 2.2.2 破乳菌的生长
• 2.2.3 破乳菌的鉴定
• 2.2.4 连续传代稳定性试验方法
• 2.2.5 破乳菌培养条件的优化
• 2.2.6 破乳菌的发酵动力学实验
• 2.2.7 环境因素对生物破乳剂破乳效能的影响
• 2.2.8 生物破乳剂有效成分分布
• 2.2.9 破乳试验方法
• 2.3 生物化学与分子生物学实验
• 2.3.1 葡萄糖含量的测定
• 2.3.2 蛋白质的定性定量分析
• 2.3.3 破乳有效成分的分离与鉴定
• 2.4 胶体与界面化学实验
• 2.4.1 Zeta电位测定
• 2.4.2 表面张力测定
• 第3章 破乳菌的筛选及理化特性
• 3.1 菌源的选择
• 3.2 高效破乳菌的分离纯化与筛选
• 3.2.1 破乳菌的分离与纯化
• 3.2.2 破乳菌的筛选
• 3.3 破乳菌鉴定
• 3.3.1 菌落形态
• 3.3.2 破乳菌的生理生化特征
• 3.3.3 16S rDNA鉴定及系统发育分析
• 3.3.4 破乳菌的菌株形态
• 3.4 破乳菌破乳能力遗传稳定性
• 3.5 营养因素对破乳菌生长的影响
• 3.5.1 单一碳源
• 3.5.2 混合碳源
• 3.5.3 葡萄糖含量
• 3.5.4 液体石蜡含量
• 3.5.5 不同氮源
• 3.5.6 酵母膏含量
• 3.6 本章小结
• 第4章 破乳菌生长特性及发酵动力学
• 4.1 破乳菌生长特性
• 4.1.1 初始pH
• 4.1.2 培养温度
• 4.1.3 摇床转速
• 4.1.4 发酵条件的优化
• 4.1.5 破乳菌的生长曲线
• 4.2 破乳菌发酵动力学
• 4.2.1 破乳菌发酵过程代谢动力学特征
• 4.2.2 菌体生长动力学
• 4.2.3 产物生成动力学
• 4.2.4 底物消耗动力学
• 4.3 本章小结
• 第5章 破乳菌破乳效能及影响因素
• 5.1 培养条件对破乳菌产破乳剂能力的影响
• 5.1.1 培养时间
• 5.1.2 初始pH
• 5.1.3 培养温度
• 5.1.4 摇床转速
• 5.2 营养因素对破乳菌产破乳剂能力的影响
• 5.2.1 单一碳源
• 5.2.2 混合碳源
• 5.2.3 葡萄糖含量
• 5.2.4 液体石蜡含量
• 5.2.5 不同氮源
• 5.2.6 酵母膏含量
• 5.3 环境因素对生物破乳剂破乳效能的影响
• 5.3.1 全培养液的投加量
• 5.3.2 乳状液pH
• 5.3.3 环境温度
• 5.3.4 接触时间
• 5.4 本章小结
• 第6章 生物破乳剂的有效成分与破乳机制
• 6.1 生物破乳剂有效成分
• 6.1.1 生物破乳剂有效成分分布
• 6.1.2 生物破乳剂有效成分的粗提与定性
• 6.1.3 生物破乳剂破乳有效成分的分离与鉴定
• 6.2 生物破乳剂破乳机制
• 6.2.1 生物破乳剂破乳过程
• 6.2.2 Zeta电位与模型乳状液稳定性
• 6.2.3 油水界面张力与破乳效果
• 6.2.4 蛋白质协同作用破乳假说
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果
• 致谢
• 个人简历