黄原胶的发酵生产工艺
技术领域
本发明涉及一种微生物胞外多糖的微生物发酵过程,具体的说本发明 涉及一种黄原胶的发酵生产工艺。
背景技术
黄原胶(Xanthan gum),又称黄胶、汉生胶、黄单细胞多糖,是野油菜 黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)以碳水化合物为主要原料,经发酵工程 生产的一种用途广泛的微生物胞外多糖,简称XC。由于黄原胶具有良好的 溶解性、增粘性、稳定性,并能耐酸碱、高盐环境、抗高温、低温冷冻、 易生物降解,抗污染能力强,同时具有良好的兼容性和分散作用,是一种 在石油工业中宽裂缝压裂工艺采油理想的“流变控制液”。黄原胶可广泛 用于食品、石油、陶瓷、纺织、印染、医药、造纸、涂料、化妆品等20 多个行业,是目前世界上生产规模最大且用途广泛的微生物多糖。
黄原胶是50年代美国农业部北部地区研究所(NRRL)首先发现。1969 年Kelco公司得到美国食品和药物管理局(FDA)的认可,开始出售食品级 黄原胶。之后,日本、丹麦、英国、荷兰、西班牙、加拿大、法国、瑞典、 比利时等国相继批准使用。1983年世界卫生组织和世界粮农组织(FAO/WHO) 批准黄原胶作为食品添加剂,并在1986年公布了黄原胶作为食品添加剂 的质量标准。从此,黄原胶开始在世界范围内得到广泛的发展和应用,2000 年世界黄原胶的产量达到100万吨,现在全球对黄原胶的需求以5-7%的速 度增长。在我国,1988年8月卫生部批准了食品级黄原胶的卫生标准,并 被列入食品添加剂名单(GB2760-86食品添加剂使用卫生标准(1988年增 补品种))。我国仅在食品工业年需求4000吨,并以每年8%速度递增。当 前,高新技术突飞猛进,尤其生物工程的大发展,对黄原胶的发展起了重 大的推动作用,生物工程中的许多高新技术闯入黄原胶的研制和生产领 域,特别是基因工程技术、膜分离技术等,使得黄原胶产率提高,质量改 进,成本降低。随着国外黄原胶生产厂家的增加,竞争日趋激烈,一般规 模在2000t/a以上,有的达万吨。
目前,黄原胶的生产工艺主要是利用微生物发酵的方式,主要包括种 子培养、菌种发酵、以及发酵液后处理等一系列过程获得黄原胶,其中关 键的发酵步骤中主要以玉米淀粉为碳源,也有采用蔗糖为碳源的。在我国 北方广大区域,主要以玉米淀粉发酵为主,工业化生产方面成本较高。虽 然已知黄原胶具有很多其它多糖所不具有的优良特点,但是目前,由于受 原材料和工艺的限制,黄原胶生产成本高居不下,产品一直不能长期供应, 限制了黄原胶的广泛应用,因此,如何进一步降低生产成本,进行大规模 生产,成为黄原胶生产,尤其是广泛推广使用的关键技术。
甜菜是一种三年生异花授粉作物,而甜菜糖蜜是制糖工业中的糖液废 蜜,在我国来源丰富、价格便宜,其主要成分是含蔗糖52-62%,胶体8.5- 10%,碳酸灰分7-8%,总氮1.9-2.1%,是一种营养丰富的微生物发酵原料, 目前,全国食糖总量850万吨,制糖期糖量为870万吨。甜菜的生产在我 国以东北、西北、华北地区为主,种植面积广,产量丰富,以新疆为例, 甜菜是新疆三高产业之一,种植面积增到127万亩,亩产高达2吨,甜菜 产量三百多万吨,产生废糖蜜约18万吨,除14万吨左右用于生产酒精、 谷氨酸外,还有约4万吨白白流掉,既浪费了资源又污染了环境,并且其 主要产品酒精、谷氨酸亦趋饱和,因此糖蜜的再利用也是刻不容缓的问题。
发明内容
针对上述问题,本发明的主要目的之一在于提供一种利用甜菜糖蜜培 养基发酵生产黄原胶的工艺,通过原料的综合利用达到降低成本、节约资 源、减少环境污染的目的。
本发明提供的黄原胶生产工艺,其包括:
A:1.1781野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris)种子培养步骤;
B:利用甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基,以1.1781野油菜黄单 胞杆菌种子进行发酵的步骤;
C:利用发酵液后处理工艺获得黄原胶;
其中步骤A所述的种子培养步骤中发酵温度为20℃-35℃,搅拌速率 为200-300rpm,通气量0.8-0.9v/v/m,种子检查标准为镜检无杂菌,无 荚膜,菌种粗壮数量多;
步骤B中接种量为1%-15%,温度为20℃-35℃,通气量为0.6- 1.0v/v/m,当镜检菌体老化、分裂、变小,发酵时液粘稠,还原糖1.0以 下,粘度不再增加时发酵结束。
本发明利用甜菜糖蜜为主要原料制备发酵培养基,适用于1.1781野油 菜黄单胞杆菌发酵生产黄原胶,所用1.1781野油菜黄单胞杆菌 (Xanthomonas campestris)属于黄单胞菌属,可购自中国微生物菌种管理 委员会普通微生物菌种保藏中心。利用本发明的发酵工艺获得的黄原胶不 仅具有现有黄原胶的特点和优点,而且质量达到国家优质标准(GB13886- 92黄原胶产品品质标准和GB2760-1996食品添加剂使用卫生标准),可广 泛应用于国民经济各领域。因而可将甜菜糖蜜作为玉米淀粉、蔗糖的一种 替代品,这不仅可以避免因用玉米淀粉、蔗糖为碳源发酵生产黄原胶而引 起的原材料消耗,生产成本高等问题,还可以变废为宝,节约大量的资金 和粮食,从而达到降低成本、节约资源、减少环境污染的目的,为我国黄 原胶生产技术的完善发展提供了一条新的途径。
在上述黄原胶的发酵生产工艺中,以1.1781野油菜黄单胞杆菌种子进 行发酵的工艺控制是本发明一个关键步骤。本发明经过长期反复研究和 实验,确定发酵步骤中优选接种量约为1%-15%,温度约为25℃-35℃, 通气量约为0.6-1.0v/v/m,当镜检菌体老化、分裂、变小,发酵时液粘 稠,还原糖1.0以下,粘度不再增加时发酵结束。更优选发酵温度约为25 -35℃,通气量约为0.8-0.9v/v/m,搅拌转速约为100-400rpm,通常 发酵时间约为50-80小时。
本发明在摇瓶发酵试验基础上进行小型试验,并且研究了5升搅拌式 通气发酵缸的工艺条件,确定其优选条件如下:发酵温度约为30℃,搅拌 速率约为300rpm,通气量约0.9v/v/m,发酵约54-56小时,黄原胶产 量约为26-28g/L,对蔗糖转化率约为69-73%。更值得一提的是,本发 明在种子罐(100升)发酵试验的基础上,进行了2300升搅拌式通气发酵 中试试验,最终确定其优选条件如下:装积容量约60%,发酵温度约为30 ℃,搅拌速率约为300rpm,通气量约0.9v/v/m,发酵约52-58小时, 黄原胶产量23g/L以上,对蔗糖转化率65%以上。
本发明步骤B的发酵步骤中的甜菜糖蜜培养基的成份和含量也是发酵 过程的一个重要参数,发明人通过大量的实验,研究了糖蜜浓度、pH等因 素对黄原胶产量的影响,从而确立了甜菜糖蜜培养基的优选成份和含量, 其中甜菜糖蜜培养基中含有的糖蜜折合蔗糖约25-60g/L,培养基pH约 为6-8,更优选甜菜培养基中含有的糖蜜折合蔗糖约38-53g/L,pH约 为7。另外,发明人还研究了不同氮源对黄原胶产量的影响,并在此基础 上,根据原料转化率和黄原胶产量,折算黄原胶原料成本的方式,提出两 种甜菜糖蜜培养基配方,供实际生产使用,产量可采用发酵液薄膜浓缩(约 5-12%)后直接计算。其中为一种糖蜜培养基(配方一)含有糖蜜(糖 分60%)约60-80g/L,尿素约0.5-1.5g/L,K2HPO4约0.5-1.5g/L, 更优选糖蜜约80g/L,尿素约1g/L,K2HPO4约1g/L,中试平均结果为黄 原胶产量约22g/L,转化率约为62.8%,折算黄原胶原料成本约为2160 元/吨,该配方虽然原料转化率、黄原胶产量略低,但生产原料成本明显 降低;另一种糖蜜培养基(配方二)含有糖蜜折合蔗糖约60-80g/L,酵 母膏约2-4g/L,K2HPO4约0.5-1.5g/L,MgSO4·7H2O约0.1-1g/L,更 优选为糖蜜约80g/L,酵母膏约3g/L,K2HPO4约1g/L,MgSO4·7H2O约0.2 g/L,黄原胶产量约为25.6g/L,转化率约68.3%,折算黄原胶原料成本 约为5160元/吨,该配方中原料转化率、黄原胶产量都较高,但生产原料 成本明显升高,因此,在实际生产过程中应该根据不同的黄原胶使用用途, 确定不同的生产工艺方法,以求最大的经济效益。本发明进一步在单因子 试验确定的最适氮、无机盐及浓度范围基础上,通过正交实验法选择出最 佳培养基配方,最佳配方如下:含有糖蜜:约70g/L;酵母膏约:3g/L; K2HPO4约:1g/L;pH约:7.0;并在约30℃的温度进行发酵。
在本发明的黄原胶生产工艺中,步骤A的菌种培养是另一关键步骤, 可以利用本领域已知的斜面母种培养、摇瓶种子培养、种子罐培养等 一系列的级联放大过程,获得所需的种子液。发明人通过反复试验, 确定步骤A所述的种子培养步骤中发酵温度为20℃-35℃,搅拌速率为200 -300rpm,通气量0.8-0.9v/v/m,种子检查标准为镜检无杂菌,无荚膜, 菌种粗壮数量多。在种子培养过程中,可以根据发酵规模不同,采用不同 的级联放大过程,例如进行大规模发酵,可以在斜面种子培养、摇瓶培养、 一级种子发酵的基础上,增加二级种子发酵,其培养基可以使用一级种子 发酵培养基,为了节省培养基的原料成本,也可以采用甜菜糖蜜为主要原 料的甜菜糖蜜培养基,例如:糖蜜约50-80g/L,蔗糖约5-15g/L,酵 母膏约2-4g/L,K2HPO4约0.5-2.5g/L,MgSO4·7H2O约0.1-1g/L, pH约6-8;对于二级种子发酵,种子检查标准同样为镜检无杂菌,无荚膜, 菌种粗壮数量多,一般发酵16-18小时,即可。
在本发明的黄原胶生产工艺中,甜菜糖蜜培养基中的甜菜糖蜜可以不 经过任何预处理,直接使用;优选经过如下方法预处理,经处理后对于相 同的培养基和发酵条件,处理后黄原胶产量比处理前高约0.5-1.8g/L。 具体方法如下:调pH约4.0加热煮沸约10分钟,温度降至约70-80℃时 中和至pH约7.0过滤。
可以利用本发明的生产工艺,也就是经过包括前述步骤A:种子培养 步骤;和步骤B:种子发酵步骤后得到的发酵液;和步骤C:发酵液后处 理工艺,获得黄原胶;其中步骤C所涉及的发酵液后提取工艺可以使用本 领域技术人员熟知技术,例如季胺盐-甲醇法,或本发明实施方式提供的 KCl溶解、酒精沉淀、酒精洗脱、烘干等一系列方法获得本发明的优质黄 原胶。也可以将按照本发明生产工艺获得的黄原胶发酵液薄膜浓缩后直接 使用。尤其在石油工业中,根据石油行业的使用特点,采用发酵液薄膜浓 缩后直接使用,满足采油中堵井、修井、压裂使用,大大降低黄原胶生产 成本。优选采用发酵液薄膜浓缩5-12%后直接使用。
在本发明的一个具体实施方式中,黄原胶生产工艺包括:
A:1.1781野油菜黄单胞杆菌种子培养步骤;
B:利用甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基,以1.1781野油菜黄 单胞杆菌种子进行发酵的步骤;
C:利用发酵液薄膜浓缩工艺获得黄原胶;
步骤A中所述的种子培养步骤中的发酵温度为20℃-35℃,搅拌速率 为200-300rpm,通气量0.8-0.9v/v/m,种子检查标准为镜检无杂菌, 无荚膜,菌种粗壮数量多;并且种子培养经过二级种子培养,其培养基为 糖蜜50-80g/L,蔗糖5-15g/L,酵母膏2-4g/L,K2HPO4 0.5-2.5g/L, MgSO4·7H2O 0.1-1g/L,pH6-8;二级种子发酵时间为16-18小时;
步骤B中接种量为1%-15%,温度为20℃-35℃,通气量为0.8-0.9 v/v/m,搅拌转速为100-400rpm,发酵时间为50-60小时,培养基含有 的糖蜜折合蔗糖25-60g/L,pH=7。
有益效果:
本发明利用甜菜糖蜜为主要原料的甜菜糖蜜培养基,以1.1781野油菜 黄单胞杆菌发酵,并利用发酵液后处理工艺获得黄原胶,因而可将甜菜糖 蜜作为玉米淀粉、蔗糖的一种替代品,这不仅可以避免因用玉米淀粉、蔗 糖为碳源发酵生产黄原胶而引起的原材料消耗,生产成本高等问题,还可 以变废为宝,节约大量的资金和粮食,达到降低成本的目的,同时解决了 废糖蜜的再利用问题,达到减少环境污染的目的,为我国黄原胶生产技术 的完善发展提供了一条新的途径。利用本发明的发酵工艺获得的黄原胶不 仅具有现有黄原胶的特点和优点,而且质量达到国家优质标准。
本发明根据原料的筛选和菌种培养,通过进一步对黄原胶发酵菌株发 酵工艺条件优化和控制,与以淀粉为原料生产黄原胶的工艺相比,具有发 酵时间短,转化率高,成本明显降低的优点。本发明以甜菜糖蜜为原料甜 菜糖蜜培养基,利用1.1781野油菜黄单胞杆菌发酵进行黄原胶生产,其技 术指标如表1所示:
类别 以淀粉为原料 以甜菜糖蜜为原料 产量 25-27g/L 22g/L 转化率 65-70% 68.3% 发酵时间 72-80小时 54小时
生产一吨黄原胶物料消耗及原料成本:配方一
名称 规格 用量(吨) 单价(元/吨) 价格(元) 甜菜糖蜜(60克/升) 4.5 350 1575 磷酸氢二钾 食品级 0.046 7000 322 尿素 0.046 1300 59.8 水 200 1 200
合计:2156.8元
配方二:
名称 规格 用量(吨) 单价(元/吨) 价格(元) 甜菜糖蜜(60克/升) 3.9 350 1365 磷酸氢二钾 食品级 0.046 7000 322 硫酸镁 食品级 0.01 10000 100 酵母膏 0.138 23000 3174 水 200 1 200
合计:5161元
如上所述,生产每吨黄原胶约需甜菜糖蜜约4.5吨,按每吨约350元 计算,约合人民币1365元左右,成本市场价格比较低;而从发酵时间来 看,由于用淀粉为原料生产黄原胶需要经过水解,是多糖,而甜菜糖蜜是 双糖,不需要水解时间,这样以甜菜糖蜜为原料生产黄原胶发酵时间需要 54小时,用以淀粉为原料生产黄原胶发酵时间需要近80小时,缩短发酵 时间近三分之一,从而降低生产成本,可见用甜菜废糖蜜生产黄原胶生产 工艺具有良好的市场前景和优势。
为了更清楚地理解本发明的实质,现参照下列附图和实施例对其进行 解释。附图和实施例是为了说明本发明,而不以任何方式限制本发明。
附图说明
图1显示黄原胶具体生产工艺流程图。
图2为聚合物粘浓关系曲线。
图3为聚合物在NaCl溶液中粘度变化曲线。
图4为聚合物在CaCl2溶液中粘度变化曲线。
图5为聚合物在盐溶液中粘度变化曲线。
图6为聚合物对温度的敏感性。
图7为聚合物溶液剪切速率与粘度的变化曲线。
具体实施方式
请参阅图1,图1为本发明的一种黄原胶具体生产工艺,主要包括: 菌种扩大培养,种子液发酵培养和发酵液后提取步骤。其中菌种培养步骤, 是本发明一个关键步骤,可以利用本领域已知的斜面母种、摇瓶种子、种 子罐等一系列的级联放大过程,获得所需的种子液,种子检查标准为镜检 无杂菌,无荚膜,菌种粗壮数量多;发酵培养阶段,是本发明另一个关键 步骤,本发明通过选择甜菜为主要原料的甜菜培养基,利用1.1781野油菜 黄单胞杆菌种子进行发酵,经过发酵液后处理工艺,获得了低成本的黄原 胶,达到降低成本,减少环境污染的目的。本发明在培养基原料筛选的基 础上,又进一步对发酵菌株发酵工艺条件优化和控制,达到发酵时间短、 转化率高、成本明显降低的目的;发酵液后提取步骤可以采用本领域熟知 的方法,经过乙醇或季铵盐沉淀、洗涤、干燥粉碎或浓缩等一系列本领域 熟知技术,获得工业成品。本领域人员已知,图1只是对本发明的整体方 案的具体示例,并不以任何方式限定本发明。
需要说明的是:本发明的培养基配方中糖蜜的用量可以折算为蔗糖含 量,也可以直接采用糖蜜来记载,不同产地的甜菜糖蜜中蔗糖的含量不完 全相同,但是都可以测出,当采用糖蜜用量表示时,带入培养基中的蔗糖 量可以通过该糖蜜中的蔗糖含量来折算。反之也是一样。无论采用哪种方 式,都应视为清楚的。
实施例1利用甜菜糖蜜生产黄原胶生产工艺步骤
1.菌种:1.1781野油菜黄单胞杆菌(Xanthomonas campestris),商 品名:1.1781野油菜黄单胞杆菌,购自中国微生物菌种管理委员会普通微 生物菌种保藏中心,北京,中国。
2.培养基:
甜菜糖蜜:来自新疆石河子糖厂,主要成份蔗糖:54-55%,总氢: 1.9-2.1%,胶体9.5-11%,碳酸灰分:7.8-8.1%,pH:7.3-7.4。
甜菜糖蜜预处理:用碳酸钠调pH约4.0,加热煮沸10分钟,温度降 至约70-80℃时加入碳酸钠中和至pH7.0,过滤。
(1)斜面培养基(100ml):
蔗糖:1g;蛋白胨:0.2g;牛肉膏:0.1g;酵母膏:0.3g; 琼脂:2.0g;pH:7.0;1.0kg/cm2灭菌30分钟。
(2)一级种子,使用茄氏瓶培养(100ml):
蔗糖:2.0g;蛋白胨:0.2g;酵母膏:0.3g;K2HPO4:0.1g;琼 脂:2.0g;pH:7.0。
(3)二级种子(100升罐):
甜菜糖蜜(未处理):60g/L;蔗糖:10g/L;酵母膏:3g/L; K2HPO4:1g/L;MgSO4·7H2O:0.2g/L;pH:7.0。
(4)中试发酵培养基:
甜菜糖蜜:70g/L;酵母粉:3g/L;K2HPO4:1g/L;MgSO4·7H2O: 0.2g/L;消泡剂:1g/L;pH:7.0。
3.培养条件:
(1)斜面种子:茄氏瓶种子,30℃培养48小时。
(2)二级种子:100升发酵罐,装量60%,能风量0.8-0.9(v/v/m), 罐压1kg/cm2,搅拌速度200rpm,30℃培养16-18小时。
(3)中试发酵:2300升通风搅拌发酵罐,高∶直径=2∶1,装量60%, 通气量0.8(v/v/m),罐压1kg/cm2,搅拌速度200rpm,30℃发酵56-80小 时。
4.发酵过程检查:
(1)种子检查:镜检无杂菌,无荚膜,菌种粗壮数量多。
(2)发酵液:镜检菌体老化、分裂、变小,发酵时液粘稠,测还原 糖1.0以下,粘度不再增加。
5.仪器设备:
摇床:THZ-03型台式恒温振荡器
5升罐:瑞士贝朗-05型自动玻璃发酵罐
种子罐、发酵罐:为不锈钢搅拌通风式发酵罐
6.测定方法:
(1)粘度测定:NDT-79型粘度汁,用甘油校对,25℃。
(2)黄原胶含量测定:发酵时液稀释5倍,加1%KCl,溶解后加入 2倍体积95%的酒精,使黄原胶沉淀,去除上清液,沉淀再用95%酒精洗脱, 60℃烘干,称干重。
(3)残糖测定:菲林试剂法
(4)pH值:METTLER TOLEDO pH2100计测定
产品符合GB13886-92黄原胶产品品质标准和GB2760-1996食品添加 剂使用卫生标准。
实施例2:5升自动玻璃发酵罐试验
在摇瓶发酵试验基础上用瑞士贝朗-05型自动玻璃发酵罐进行了通气 量试验,转速300rpm。(5批平均值)参见表2:
由表中可以看出,黄原胶发酵最适通气量约为:0.8-1.0v/v/m,进 一步试验可确定在0.8-0.9v/v/m。
实施例3:中间发酵实验
在种子罐(100升)发酵试验的基础上进行:2300升发酵罐扩大试验,
共进行:6批次试验如表3:
批次 发酵时间 (小时) 发酵液粘度 产量(g/L) 转化率(%) 1 56 7180 25.6 68.3 2 58 8900 26.6 71.2 3 54 6500 24.1 64.6 4 55 7200 25.8 68.5 5 52 8100 26.1 69.6 平均 54 7920 25.6 68.3
结果表明:在适宜的培养条件下,1.1781野油菜黄单胞杆菌利用甜菜 糖蜜不经处理直接发酵54小时,黄原胶产量达25.6g,转化率68.3%。
实施例4:不同氮源对黄原胶发酵的影响:
以6%的糖蜜为碳源,加入不同氮源对黄原胶发酵的影响,结果如表4:
氮源 含量 (g/L) 黄原胶产量 (g/L)(平均) 转化率(%) 酵母膏 3 11.8 40.3 蛋白胨 3 8.8 31.2 鱼粉 3 2.5 8.6 豆饼 3 1.2 3.98 尿素 1 6.1 20.6 棉红粉 3 1.1 3.7 (NH4)2SO4 1 1.6 5.4 对照(不加氮) - 0.9 2.7
从表中可以看出,酵母膏对黄原胶产量有很明显的作用,浓度可以2- 4g/L为好,糖蜜本身含有的氮,也能被利用一部分。
实施例5:无机盐对黄原胶发酵的影响:
以70g/L的糖蜜为碳源,以3g/L的酵母膏为氮源,加入各种无机 盐看其对黄原胶发酵的影响,结果如表5:
无机盐 黄原胶产量(g/L) 转化率(%) K2HPO4 23.8 66.1 KH2PO4 15.2 39.2 MgSO4·7H2O 20.2 53.9 CaCO3 19.1 50.1 对照(不加盐) 17.9 46.2
从表中可以看出,K2HPO4、MgSO4·7H2O对黄原胶产量有较明显的作 用,KH2PO4有一定抑制作用。
实施例6:发酵液pH对黄原胶产量的影响:
糖蜜:70g/L;酵母粉:3g/L;K2HPO4:1g/L;MgSO4·7H2O: 0.2 g/L;调不同pH值对产量影响如下表6:
L27(3)13正交表
表头设计 A B A*B C D E 列号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A.糖蜜: B.酵母膏: C.K2HPO4: D.pH: E.温度: A1 B1 C1 D1 E1 4 0.1 0.05 6 Z5℃ A2 B2 C2 D2 E2 6 0.3 0.1 7 30℃ A3 B3 C3 D3 E3 8 0.6 0.2 8 35℃
试验结果,参见表7:
试验号 结果 实验号 结果 实验号 结果 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.88 1.36 0.98 1.17 0.80 1.06 0.77 0.70 0.751 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1.60 1.71 1.29 1.42 1.98 2.71 2.41 1.61 1.67 18 20 21 22 23 24 25 26 27 1.76 2.15 1.52 1.72 2.78 2.23 2.31 1.64 1.87
试验结果为:100g发酵液中黄原胶产量,参见表8:
pH 黄原胶产量(g/L) 转化率(%) 5 4.2 12.3 6 19.4 60.6 7 20.0 74.1 8 19.7 61.1 9 6.9 19.2
从表中可以看出,当pH<6或pH>8时,黄原胶产量急剧降低,以pH 约7.0为最佳。
实施例7:最佳发酵培养基的选择
单因子试验确定了最适氮、无机盐及浓度范围,在此基础上,通过正 交实验法选择最佳碳氮比,pH及无机盐,用量比对5个因素考查,糖蜜浓 度A,酵母膏浓度B,K2HpO4浓度C,pH值D,温度E,每个因素取3个水 平,考虑因素之间相互作用A×B,因此选用正交表(正交试验法,北京大 学数学组,1975)L27(3)13安排实验。
黄原胶在各因素水平下的数据之和及均值,参见表9:
列 水平 A 1 B 2 A*B 3 4 6 7 D 8 9 10 E 11 12 13 I II III I9 II9 III9 8.57 17.2 16.21 0.84 1.9 1.7 11.2 15.4 14.3 1.23 1.6 1.51 12.8 14.1 13.6 1.42 1.58 1.51 12.7 13.9 13.4 1.41 1.56 1.5 7.6 22.1 12.2 0.83 2.41 1.36 6.8 21.2 15.31 0.75 2.4 1.7 12.8 19.3 11.1 1.37 2.18 1.31 8.8 16.2 16.7 0.9 1.8 1.82 10.3 14.3 18.1 1.1 1.5 2.01 11.2 20.3 9.2 1.22 2.3 1.31 14.1 14.1 16.9 1.23 1.53 1.7 13.2 16.4 12.9 1.47 1.5 1.36
方差分析表,参见表10:
由表7试验结果看出,最好的组合为A3B2C2D2E1,A2B2C3D4E2,黄原胶 产量分别为27.8g/L和27.1g/L。由表9可以看出最佳组合为A2B2D2E2 本组合并未在表7的27组实验中出现,而是通过方差分析所得,因此用 这一组合较好的15组,23组比较实验结果。
重复比较试验结果,参见表11:
结果 组合 黄原胶产量(g/L) 平均 转化率 A2B2C2D2E1 28.6 27.9 28.1 28.3 73.2 A2B2C3D1E2 27.2 28.8 27.4 27.8 72.6 A2B2C2D2E2 28.4 28.1 29.9 27.8 74.8
由上表说明糖蜜:约70g/L;酵母粉:约3g/L;K2HPO4:约1g/L; pH:约7.0;温度约30℃,是最佳的培养基。
实施例8:生产配方的研究:
根据石油行业使用特点,为满足采油中堵井、修井、压裂使用,大大 降低黄原胶生产成本。目前国内外都有将发酵液薄膜浓缩(5-12%)后直 接使用的报导。据此本发明进行了生产配方的研究选择,其中一个较好的 配方(配方一)是:糖蜜约80g/L,尿素约1g/L,K2HpO4约1g/L; 中试平均结果为黄原胶产量约22g/L,转化率约为62.8%,折算黄原胶原 料成本约为2160元/吨。
中试黄原胶配方(配方二):糖蜜约80g/L,酵母膏约3g/L,K2HPO4约1g/L,MgSO4·7H2O约0.2g/L;黄原胶产量约为25.6g/L,转化率68.3%, 折算黄原胶原料成本为5130元/吨黄原胶。
上述两个配方可以看出,配方一虽然原料转化率和黄原胶产量略低, 但生产原料成本明显降低;而配方二中原料转化率和黄原胶产量都较高, 但生产原料成本明显升高,在实际生产过程中应根据不同的黄原胶使用用 途,确定不同的培养基配方,以求得最大的经济效益。
实施例9:黄原胶评价试验
1.样品名称与材料:
XC1:采用本发明生产工艺,获得的黄原胶,发酵液约2.2%
XC2:采用本发明生产工艺,获得的黄原胶,发酵液约2.1%
XC3:Flocon4800,黄原胶浓缩发酵液约12.3%
XC4:科达、黄原胶发酵液约1.709%、1500PPM64.4C43CP
XC5:科达、黄原胶发酵液约1.700%、1500PPM64.12C
XC6:新河、黄原胶发酵液约2.2%
HPAM1:大连1020万聚丙烯酰胺
HPAM2:抚顺500-600万聚丙烯酰胺
HPAM3:美国FLOAAM233OS1000万聚丙烯酰胺
氯化钠:分析纯
氯化钙:分析纯
水:一次蒸馏水
2.仪器:
RV-100粘度计
Brookfieid粘度计UL转子
过滤因子测定装置(滤膜孔径:1.2μm)
筛网系数粘度计
3.试验结果
3.1聚合物的增粘性
聚丙烯酰胺和黄原胶在水溶液中均有良好的增粘性,这从试验结果图 2可以看出,图2为8种聚合物在水溶液中的增粘效果比较图,其中,HPAM1、 HPAM2和HPAM3为工业产品(粉末状);XC1、XC4、XC5为黄原胶粘稠发 酵液;XC3和XC6为黄原胶深缩液,从试验中看出:8种聚合物在水溶液 中的增粘性顺序如下:
HPAM1>XC1>HPAM3>XC3>HPAM2>XC6>XC5>XC4
6种黄原胶在水溶液中的增粘效果最好的是本发明的产品XC1,它在 水溶液中的增粘性和高分子量的聚丙烯胺相差无几,并且较其他产品有明 显的优势。
3.2聚合物的耐盐性
黄原胶具有良好的耐盐性,这是相对于部分水解聚丙烯酰胺的最突出 的优点,下面我们将分别讨论在NaCl溶液中、CaCl2溶液中、盐溶液中聚 合物的增粘性。
3.2.1聚合物在NaCl水溶液中的增粘效果如图3所示,其中,聚合 物溶液均为2000mg/L。从图3中看出,3种聚丙烯酰胺溶液随体系中NaCl浓 度的增加,基粘度值逐渐下降;而6种黄原胶在NaCl溶液中粘度值非常 稳定,它们的粘度值与体系中的NaCl浓度大小无关,它们在NaCl水溶 液中的增粘性顺序如下:XC1>XC2>XC3>XC5>XC4>XC6。6种黄原胶在NaCl水 溶液中增粘效果最好的是本发明的产品XC1、XC2。
3.2.2聚合物CaCl2溶液中的增粘效果如图4所示。其中,聚合物浓 度均为2000mg/L,从图中看出,3种聚丙烯酰胺溶液随体系中CaCl2浓度 的增加,其粘度值急剧下降;而种黄原胶在CaCl2溶液中粘度值比较稳定, 它们的粘度值与体系中的CaCl2浓度大小基本无关,比较特殊的是本发明 的产品XC1、XC2,它们在CaCl2浓度比较低时(≤100mg/L),其粘度值 受CaCl2浓度的影响比较大,当CaCl2浓度大于100mg/L时,它们的粘度 值与体系中的CaCl2浓度大小无关,它们在CaCl2水溶液中的增粘性顺序 如下:XC1>XC2>XC3>XC5>XC4>XC6。6种黄原胶在CaCl2水溶液中增粘性增 粘效果最好的是本发明产品XC1、XC2。
3.2.3聚合物在盐溶液中的增粘性
5种黄原胶在盐溶液中的增粘效果如图5所示,其中NaCl浓度1000 mg/L,CaCl2浓度为150mg/L。与图书馆结果相比较,5种黄原胶在盐溶中 的增粘性与它们在水溶液中的增粘性,以及粘度变化趋势基本一致,由此 试验说明,黄原胶具有非常好的抗盐性能(其中包括一价离子和二价离子)。
3.3生物聚合物对温度的敏感性
图6为3种黄原胶的粘——温关系曲线,XC11、XC21、XC31为黄原 胶在盐溶液(NaCl浓度为1000mg/L,CaCl2浓度为150mg/L)中的粘—— 温关系曲线,其中,黄原胶浓度均为2000mg/L,从图6中看出随着温度 的升高,本发明XC1、XC2对温度的变化不太敏感,并且深夜中的矿化度 在其中对它们也无明显的影响;Flocon4800对温度的变化比较敏感,随着 温度的升高,其粘度值呈线性下降,说明它对温度较为敏感。
3.4生物聚合物的流变性
黄原胶有较大的剪切变稀性能,但这与聚丙烯酰胺剪切变稀不一致, 聚丙烯酰胺是由于分子受剪切应力的作用产生降解,粘度的降低与回升是 不可逆的,黄原胶分子具有刚性,在剪切应力作用下产生螺旋结构的释放, 即从有序到无序的转变,当剪切应力停止作用时,它又从无序到有序的转 变,是一种可逆的现象,不会造成分子的降解。图7为3种黄原胶的流变 曲线图,其中XC1、XC2、XC3为黄原胶在水溶液中的流变曲线,XC11、XC21 为黄原胶在盐溶液(NaCl浓度为1000mg/L,CaCl2浓度为150mg/L)中的 流变曲线,其中,黄原胶浓度均为2000mg/L,我们从图7中看出随着剪 切速率的提高,其溶液的粘度逐渐降低,本发明XC1、XC2粘度下降幅度 大于Flocon4800粘度下降幅度,这种抗机械降解和剪切变稀性在实际应 用中有十分重要的意义。
3.5生物聚合物过滤因子及筛网系数的测定
由过滤因子测定装置测定生物聚合物的过滤因子。
黄原胶过滤因子测定结果
生物聚合物名称 XC5 XC4 XC3 XC2 XC1 T1(MIN) 14.75 28.38 6.01(SEC) 143.0 130.55 T2(MIN) 254.19 121.19 6.51(SEC) 346.9 237.37 过滤因子(FF) 1.72 4.27 1.08 2.43 1.66
从试验中看出,XC2、XC4过滤因子值较大,说明它们的分子量分布比 较广或者它们分子间容易粘结,还有,除XC3外,其它生物聚合物过滤因 子测定时间太长,而聚丙烯酰胺根据分子量不同,测定时间一般为0.5-1 小时,最长不超过2小时,过滤因子值最大也不超过2。由此说明,黄原 胶分子最分布比较广或者它们间容易粘结。
由筛网系数粘度计测定生物聚合物的筛网系数,结果如表:
黄原胶筛网系数测定结果
生物聚合物名称 XC1 XC2 XC3 XC4 XC5 T1(SEC) 10.59 10.59 10.59 10.59 10.59 T2(SEC) 138.16 123.63 155.74 103.63 112.16 筛网系数(SF) 13.05 11.69 14.71 9.79 10.59
从试验看出,本发明XC1、XC2筛网系数值小于Flocon4800,大于科达 公司XC4、XC5。XC1、XC2增粘性优于XC4、XC5。
4.结论
通过对黄原胶的性能测试及增粘效果评价得出,本发明XC1黄原胶产 品增粘性强,分子量分布比较小,综合性能明显高于其它黄原胶产品及聚 丙烯酰胺,可用于油田修井,堵水及压裂液。