真菌硬葡聚糖的生产及在油田上的应用

真菌硬葡聚糖的生產及在油田上的應用

李冰張建法

3

蔣鵬舉

(南京理工大學化工學院生物化工研究室南京210094)

摘要: 真菌小核菌( Sclerotium spp1) 產生一種新型非離子型抗鹽抗溫生物多糖聚合物2硬葡聚糖。綜述了該糖的生產, 發酵條件對生產的影響, 及其在油田上的應用。

關鍵字: 硬葡聚糖的生產, 油田, 應用

中圖分類號: Q93 文獻標識碼: A 文章編號: 025322654 (2003) 0520099204

PRODUCTION OF FUNGAL SCLEROGLUCAN AND ITS APPLICATION IN THE OIL FIELD

LI Bing ZHANGJian2Fa J IANG Peng2Ju

( Institute of Biochemical Engineering , Nanjing University of Science & Technolgy , Nanjing 210094)

Abstract : Scleroglucan produced by Sclerotium spp1 is a non2ionic polysaccharide biopolymer which has excellent vis2

cosifying power in a wide variety of reservoir brines snows high shear resistance and possesses good thermal stability1 This

article reviews the production of Scleroglucan , the influence of the conditions to the fermentation , and the application in

the oil field1

Key words : Scleroglucan , Production , Oil field , Application

硬葡聚糖(Scleroglucan) 是真菌小核菌( Sclerotium spp1) 發酵形成的胞外多糖生物聚合物, 分子主鏈由β-1 ,3 –D-吡喃葡萄糖構成, 每隔3 個葡萄糖單元有一個β-1 ,6-吡喃葡萄糖側鏈。分子量約5.4 ×106 ,

分子以棒狀三螺旋形存在, 具有半剛性, 使其具有很強的增稠能力, 抗溫和抗剪切的能力。由於分子總的非離子性, 硬葡萄糖溶液的粘度對鹽不敏感, 主要性能優於黃原膠[1 ] 。這種特性決定了其在工業上的廣泛應用, 如造紙業、印染業、食品業、在油田上作為鑽井泥漿的增稠劑、堵漏和完井液、特別是在三次採油上有巨大的應用潛力[2 ] 。圖1 硬葡聚糖的化學結構

1 硬葡聚糖的生產

硬葡聚糖最初由美國Pittsburg 公司生產, 後由法國Sanofi Industrie

公司購買了專利。成為這種生物聚合物的主要生產廠家。Sanofi Industrie 公司採用的菌種為齊整小核菌( Sclerotium rolfsii) , 產品有兩個牌號: 將發酵液用醇類沉澱, 乾燥得到的固體粉狀粉末產品Actigum CS26 , 它含有菌絲體,硬葡聚糖成分約占75 %; 將發酵液經過過濾, 除去菌絲體後再沉澱, 乾燥得到的固體粉狀產品Actigum CS211 , 過濾後而未經乾燥的發酵液, 稱為Actigum CS211L 。Frank E 等發現了硬葡聚糖這種新型微生物多糖[3 ] , 並於1967 年對其生產方法申請了專利。他們以Sclerotium spp1 如Sclerotium rolfsii , Sclerotium glucanianm 等為生產菌株,以D-木糖, 蔗糖, D-甘露糖, D-葡萄糖, D-半乳糖, D-果糖, 麥芽糖, 纖維二糖, , L-鼠李糖, 丙三醇, 纖維素和木聚糖中的一種或幾種為碳源生產硬葡聚糖。他們可利用多

種碳水化合物, 甚至可用廢料作碳源。以下為一曾經使用過的培養基, 成分為H2O1000mL , NaNO3 3g , KH2 PO4 1g , KCl 015g , MgSO4 ·

7H2O 015g , 酵母膏1g , 一水檸檬酸017g , 蔗糖30g , 初始pH

4.5[4 ] 。硬葡聚糖的發酵屬於生長關聯型。一旦在培養基中接入種子液, 多糖的分泌便開始了, 並以不同的生產速度持續下去, 直到碳源被利用完為止。發酵在20 ℃～37 ℃範圍內均可產生多糖, 產糖的最佳溫度範圍為25 ℃～30 ℃. 在最佳培養條件下, 在2～6d內, 均可以得到這種多糖, 最高產量達9.5g/L 。

儘管培養基的初始pH 值不是至關重要的, 但仍會對產品的總量和生產速率產生影響。初始pH 在2.0～9.0 的範圍內均可產生多糖, 產糖最佳pH 在3.5～5.5 的範圍內。一些研究表明, 在發酵的過程中不對pH 進行控制, 發酵液中多糖的濃度將會大幅度降低。而另外一些資料報導, 並不必對發酵過程中的pH 進行控制。Wang Y等通過在氣升式發酵罐中的發酵實驗認為, 在低通氣量時是不必要的, 而在高通氣量時控制pH 將提高產量[5 ] 。碳源及其濃度: 儘管Sclerotium spp. 可以利用多種碳源, 但發酵中常用的碳源為葡萄糖和蔗糖, 碳源的最佳初始濃度為3 %～15 % , 但過高的碳源會對菌體的生長產生抑制, 並且影響產品的質量[6 ] 。在硬葡聚糖的發酵中, Sclerotium 可以利用不同的氮源。酵母膏用量對多糖的產量產生顯著的影響, 其他合適

的有機氮源的加入也能提高產品的產量[7 ] 。在無機氮源中,經常使用的是NO3-和NH4+, 很多學者認為, 控制氮源對多糖的形成有顯著的影響。而以NO3-作為氮源, 真菌的生物量和多糖的產量要高於以NH4+作為氮源的生物量和多糖的產量。生物量的增加隨著氮源用量的增加而增加, 而多糖的產量也有與此相同的趨勢, 氮源的起始濃度越高, 這種趨勢越明顯。控制氮源可以促進真菌中硬葡聚糖的形成, 並且這也是發酵控制中一種最常見的形式。發酵過程中控制PO43-可以提高多糖/生物量, 並且效果要優於控制氮源。隨著KH2 PO4的起始濃度用量的增加, 最大生物量濃度上升而硬葡聚糖的產量會下降, 其最適用量為0.5g/L[8 ] 。

一些研究表明, 大型發酵罐中的發酵液混合程度在高粘度的發酵中可能會影響發酵的產量, 而有效的混合能夠提高硬葡聚糖的產量。也有研究表明, 在Sclerotium 的發酵中高的剪切力有利於促進硬葡聚糖的形成[9 ] , 攪拌速率可能影響所有這些因素, 但在攪拌發酵中, 所有這些因素很難相互區別開。生物量和硬葡聚糖濃度隨著攪拌速度的增加均會出現一個最大值, 超過這個攪拌速度後, 發酵液的生物量會降低。這可能是因為物理剪切。過高的攪拌速度會降低產品的分子量[8 ] 。

接種量不是影響硬葡聚糖發酵的主要的因素, 但是大一些的接種量