بخشی از مقاله
مروري بر كاربرد بيوسورفكتانت ھا درازدياد برداشت ميكروبي نفت
خلاصه:
بيوسورفکتانتھا گروھی از ميکروبھا ھستند که به وسيله قابليت منحصر به فردشان در بر ھمکنش با ھيدروکربنھا شناسایی می شوند. امولوسيون کردن، امولوسيون زدایی، پراکندگی، ایجاد کف، مرطوب کردنو ایجاد پوشش روی سطح، تعدادی از بيشمار کاربردھای بيوسورفکتانت ھاست. ھمچنين میتوان از بيوسورفکتانتھا در سيستمھای امتزاج ناپذیر مایع/مایع(آب-نفت)، جامد/مایع(سنگ/نفت) و گاز/مایع استفاده کرد. به ھمين دليل این بيومحصوالت در صنایع نفت بسيار مورد توجه قرار گرفتهاند. اگرچه ازدیاد برداشت نفت بھترین مثال استفاده از بيوسورفکتانت ھا در صنایع نفت است، اما میتوان از آنھا در سایر زمينهھای صنایع نفت مانند انتقال، شستشوی مخازن ذخيره سازی و توليد محصوالت با کيفيت بھتر نيز بھره برد. اگر از این مواد به طور مناسبی استفاده شود، نه تنھا عملکرد فرآیند افزایش مییابد، بلکه خطرات زیست محيطی نيز کاھش مییابند. بيوسورفکتانتھا به راحتی در طبيعت تجزیه میشوند و ھزینه استفاده از آنھا نيز نسبت به روش ھای حرارتی استمرسوم پایين تر . در این مقاله اثر بيوسورفکتانتھا در ازدیاد برداشت نفت مرور شده است.
مقدمه:
شھر سازی و صنعتی شدن سریع موجب افزایش چند برابری مصرف نفت خام شد است]١.[ حدود ٣٢
نفت موجود در مخازن کشف شده، ھنوز بازیافت نشده است و تنھا ٠۴-٣٠ درصد از این نفت با روشھای سنتی قابل بازیابی است(شکل ١). این در حالی است که حدود ٧٠-٠۶ درصد کل نفت در مخازن به دام افتاده است]۵-٢.[ افزایش تقاضای نفت خام و محصوالت نفتی موجب توجه ویژه به روش ھای ازدیاد برداشت نفت شده است]۶.[ در حين مراحل اوليه توليد نفت، فشار طبيعی مخزن کاھش یافته و مقدار زیادی از نفت بسته به خصوصيات سنگ مخزن و سيال موجود، در محل باقی میماند. به دليل نفوذ پذیری پایين سنگ مخزن،ساختار نامتجانس حفرات، فشار مویينگی باال، نيروھای بين سطحی سيال/سيال و سيال/سنگ مخزن و ھمچنين ویسکوزیته باالی نفت، حتی بعد از بازیافت اوليه و ثانویه، باز ھم بيش از نيمی از مولکولھای نفت در حفرات به دام میافتند و بازیافت نفت کاھش می یابد]۶و۵.[
شکل ١: ميزان نفت توليدی در آمریکا
روشھای ازدیا برداشت نفت با کاھش کشش سطحی، تغيير خواص سيال، افزایش تحرک سيال و تغيير نفوذپذیری سنگ مخزن موجب کنترل برداشت نفت میشوند]٧.[ مھمترین روشھای ازدیاد برداشت نفت عبارتند از: تزریق دیاکسيدکربن]٨[، افزودن سورفکتانت]١١-٩[، افزودن پليمر]١٢[، افزایش ھمزمان پليمر-سورفکتانت قليایی]۴١و١٣[، تزریق آب(شکل ٣) و بخار و ازدیاد برداشت با استفاده از عوامل ميکروبی]١٨-۵١.[انواعروشھای ازدیاد برداشت نفت به طور شماتيک درشکل ٢ نشان داده شدهاست.
شکل ٢: انواع روشھای ازدیاد برداشت مورد استفاده در صنعت نفت
شکل ٣:ازدیاد برداشت نفت با استفاده از تزریق آب
روش ميکروبی ازدیاد برداشت نفت نسبت به روشھای سنتی اقتصادی تر است. این روش یک فرآیند بيولوژیکی است که از ميکروارگانيسم ھا یا محصوالت متابوليکشان برای تغيير شرایط چاه، جھت آزاد کردن نفت به دام افتاده استفاده میشود]۴.[ ميکروارگانيسم ھا نقش مھمی در توليد نفت و به خصوص نفت به دام افتاده بازی می کنند. این جانداران میتوانند محصوالت متفاوتی مانند بيوسورفکتانتھا، بيو پليمرھا، بيو اسيدھا، بيو حاللھا و گاز توليد کنند(شکل ۴) که با استفاده از این محصوالت میتوان نفت خام سبک و سنگين را بازیافت کرد]٢١-١٩.[
شکل ۴: ازدیاد برداشت ميکروبی نفت (a با استفاده از بيوپليمر یا زیست توده و (b تزریق مواد مغذی برای تحریک ميکروبھای بومی یا غير بومی جھت توليد بيو سورفکتانت
سورفکتانتھا یا مواد با عوامل فعال سطحی به روش ھای مختلفی مانند: ماھيت یونی، نوع و اندازه دسته بندی میشوند]٢٢.[ به طور کلی سورفکتانتھا به گروه سورفکتانتھای سنتزی (شيميایی)و
بيوسورفکتانتھا تقسيم بندی می شوند. انواع سنتزی از واکنش شيميایی مواد آلی توليد میشوند،در حالی که انواع بيو از ميکروارگانيسمھایی مانند باکتری، قارچ و مخمر بدست میآیند ]٢٣.[
مبنای روش ازدیاد برداشت نفت با استفاده از بيوسورفکتانت به این صورت است که ابتدا با استفاده از ميکروارگانيسم ھای خاص و مواد اوليه ارزان قيمت بيوسورفکتانت توليد شده و سپس به چاه افزوده میشود]۴٢.[ در حين فرآیند بازیافت نفت، بيوسورفکتانت اصوال به دو روش عملکندمی :
١-از آنجا که سورفکتانتھا میتوانند در سطح مشترک سياالتی با قطبيت متفاوت مانند آب و نفت جمع شوند، بنابراین منجر به کاھش کشش سطحی آب و نفت(شکل ۵)، کاھش غلظت بحرانی مایسل، کاھش اثر مویينگی و افزایش عدد مویينگی میشوند]۵٢.[ عدد مویينگی به صور زیر تعریفشود می :
که μ ویسکوزیته و ϑ سرعت سيال بوده و δ کشش سطحی بين آب و نفت و θ زاویه تماس است.
٢-به وسيله یک مکانيزم فيزیکی مایسل ھایی تشکيل میشود که می توانند نفت را توسط یک فاز آبی به حرکت در آورد.
ھر دو این اثرات از حضور ساختارھای آب دوست و آب گریز در بيوسورفکتانت ناشی میشود، که به ترتيب ميل به فاز آبی و آلی دارند ]۶٢و٢١-١٩و ٧-٣.[بيوسورفکتانتھا نسبت به مواد سنتی مزایای ویژای دارند که عبارتند از :زیست سازگاری]٢٧[، غير سمی و دوست دار محيط زیست، خاصيت کف کنندگی بھتر، پایداری بيشتر تحت شرایط سخت محيطی و ph بحرانی، تحریک پذیری پایين]٢٨[ و حفظ خواص حتی در دماھای باال]٢٩.[ از طرف دیگر به دليل وجود گروهھای فعال، خواص ویژهای از خود نشان میدھند و در مقایسه با سورفکتانتھای شيميایی به ھزینه کلی کمتری نياز دارند]٣١-٣٠.[
اگرچه بيوسورفکتانتھا مزایای زیادی دارند اما توليد آنھا در مقياس باال برای استفاده ھای عملی و عدم وجود اطالعات کافی نسبت به پيامدھای استفاده از آنھا موجب محدود شدن استفادھاز آنھا فقط در مقياس آزمایشگاھی شدهاست]٣٢.[
شکل ۵: فرآیند ازدیاد برداشت ميکروبی نفت قبل و بعد از افزودن بيوسورفکتانت
ازدیاد برداشت ميکروبی نفت با فرآیندھای درجا و خارج از چاه:
به طور کلی دو روش برای استفاده از بيوسورفکتانت در ازدیاد برداشت نفت یا افزایش تحرک نفت سنگين وجود دارد که عبارتند از روشھای درجا و روشھای خارج از محل. روش درجا شامل توليد زیستترکيبات باکتریایی درون چاه است، که ھم میتواند به وسيله تحریک باکترھای بومی موجود در چاه توسط تزریق مواد مغذی و ھم به وسيله تزریق باکترھای خاص(ميکروبھای خارجی) صورت گيردکه در نھایت متابوليت ھای خاصی در مخزن ایجاد میشود که موجب افزایش برداشت نفت می گردد]٣٣.[ در فرآیند خارج از چاھابتدابيوسورفکتانت خارج از چاه توليد شدهو سپس به مخزن تزریق میشود. در این مورد به بيوراکتورھای تجاری خاص نياز است تا بتوان مقدار زیادی بيوسورفکتانت توليد کرد. در فرآیند درجا زمانی که ميکروبھای خارجی به مخزن تزریق میشوند، انجام مطالعات سازگاری جھت تعيين برھمکنش ميکروب تزریق شده با ميکروب بومی، مواد مغذی، نفت و سنگ مخزن اھميت دارد]۴٣.[
ھمانطور که توسط Jang و ھمکاران ]۵٣[ بيان شد، موفقيت روش درجا به نوع چاه و سيال، انتخاب مناسب گونه باکتریایی، قابليت ادامه حيات باکتری تحت شرایط مخزن، مقدار متابوليتھای توليد شده و اثراتشان روی آزاد کردن نفت و ھمچنين فاکتورھای اقتصادی بستگی دارد.
دسته بندی و خواص بيوسورفکتانت ھا:
بر خالف سورفکتانت ھایسنتزی کھبر طبق تجزیه در آب دسته بندی می شوند،بيوسورفکتانتھا به وسيله ساختار شيميایی، وزن مولکولی،خواص شيمی-فيزیکی، نوع واکنش و منشاء ميکروبی دستهشوندبندی می . سورفکتانت ھا براساس وزن مولکولی به دو دسته وزن مولکولی باال و پایين تقسيم بندی میشوند. به طور کل از بيوسورفکتانتھای با وزن مولکولی پایين برای کاھش کشش سطحی و کشش بينسطحی آب و نفت استفاده میشود و شامل گليکوليپيدھا، فسفوليپيدھا، ليپوليپيدھا ھستند. در حاليکه بيوسورفکتانتھای با وزن مولکولی باال در پایدار کردن امولوسيون آب و نفت موثر بوده و شامل پلیساکاریدھا، پروتئين ھا، ليپوپلی ساکاریدھا وليپو پروتئينھا و یا مخلوط مرکبی از این بيوپليمر ھا میباشند]٣٧و۶٣.[ امولسان١ (شکل۶)یکی از این بيوسورفکتاتھاست که شامل مونوساکارید متصل به ليپيد/پروتئين است]٣٨[ و به دليل خواص امولوسيون کنندگی قوی در افزایش تحرک نفت سنگين کاربرد دارد ]٣٩.[ امولسان تنھا بيوسورفکتانت تجاری موجود در بازار است]٠۴.[ این بيوسورفکتانت به وسيلهcalcoaceticus RAG-1 Acinetobacterتوليد میشود، وزن مولکولی حدودkDa١٠٠٠
داشته و پایدار کننده امولوسيونی قوی است اما نمیتواند کشش سطحی را به طور قابل مالحظهای کاھش دھد]١۴.[
شکل٦: ساختار مولکولی بيوسورفکتانت امولسان
زمانی که در اثر حضور بيوسورفکتانت کشش سطحی بين دو فاز غيرمشابه کاھش مییابد، این
دو فاز به راحتی با یکدیگر مخلوط شده و برھمکنش مناسبی بين انھا ایجاد میشود(شکل ٧).جدول ١ انواع بيوسورفکتانتھا و منابع توليد آنھا را نشاندھد می .
شکل ٧: تجمع بيوسورفکتانتھا در سطح مشترک آب و ھوا
فعالترین سورفکتانتھا میتوانند کشش سطحی آب را از ٧٢ به mN/m٣٠و کشش بين سطحی آب و نرمال ھگزان را از ٠۴ به mN/m ١ کاھش دھند]٣۴و٢۴.[ فعاليت بيوسورفکتانتھا به غلظت ترکيبات فعال سطحی بستگی دارد، تا زمانی که به غلظت بحرانی مایسل برسيم. در باالی غلظت بحرانی مایسل، مولکولی ھای بيوسورفکتانت به ھم میپيوندند و مایسل، دوالیهھا و ویسکل را توليد میکنند (شکل ٨). تشکيل مایسل موجب کاھش کشش سطحی و بين سطحی، افزایش حالليت و زیست سازگاری ترکيبات آلی آب گریز میشود]۴۴.[
عموما از غلظت بحرانی مایسل(٢(CMCبرای اندازه گيری عملکرد سورفکتانت استفاده میشود. سورفکتانتھای موثر CMCپایين دارند.تشکيل مایسل در تشکيل ميکروامولوسيون نيز نقش موثری دارد]۵۴.[ميکروامولوسيونھا، مخلوطھای مایع شفاف و پایداری از آب و نفت ھستند که به وسيله تک الیه ھا یا لختهھای بيوسورفکتانت جدا میشوند. ميکروامولوسيونھا زمانی شکل میگيرند که یک فاز مایع به عنوان فاز پراکنده در فاز دیگر به عنوان فاز پيوسته، پخش شود. به عنوان مثال، زمانی که نفت در آب پخش میشود (ميکروامولوسيون مسقيم) و یا زمانی که آب در نفت پخش میشود (ميکروامولوسيون معکوس)]٢۴.[
