石油微生物催化.docx

1、石油微生物催化网上申报受理编号湖北省科技攻关计划课题申请书项目名称： 石油微生物新技术 课题名称： 石油微生物催化剂及制品 申请单位： 长江大学 （盖章）主管部门（单位）：湖北省教育厅 课题负责人： 向廷生 联系电话： 8475095 湖北省科技厅制 2003 年 11 月 25 日计算机信息简表项目名称石油微生物新技术课题名称石油微生物催化剂及制品课题领域1、工业；2、农业；3、社会发展；4、软科学课题内容摘要（150字以内）本课题研制开发石油微生物催化剂，由微生物细胞、多种生物酶和高效激活剂等组成，在石油油藏岩石孔隙中含油土壤和含油污水及其他含油固体废弃物介质中。其中的高效激活剂和生物酶类

2、可显著提高细菌的生物活性和繁殖速度，明显加快石油烃类的降解速度，该新型催化剂技术可用于油水井微生物增产措施，微生物处理含油污水和含油固体废弃物，微生物清洗装油容器和管道、油轮等是一种新型绿色环保产品。承担单位名称长江大学行政主管部门湖北省教育厅详细地址湖北省荆州市南环路1号邮政编码434023法人代表华北庄承担单位机构代码承担单位法人代码42016911-X单位类别 AA、事业型研究单位（即没有改制的研究单位）；AB、大专院校；AC、政府机关；AD、群众团体；AE、其它事业单位；BA、科研型企业（即转制为企业后的科研院所）；BB、全民所有制企业（即国有企业）；BC、集体所有制企业；BD、个人独

3、资企业；BE、合伙制企业；BF、股份有限公司；BG、有限责任公司；GH、股份合作制企业；GI、中外合资企业；GJ、中外合作经营企业；GK、外商独资企业；GL、港、澳、台投资企业；GM、其它企业单位所在地区武汉市B01 黄石市 B02 十堰市 B03 宜昌市B05 襄樊市 B06 鄂州市 B07 荆门市B08 孝感市 B09 荆州市 B10 黄冈市 B11 咸宁市 B12 随州市 B13 恩施州B28 仙桃市 B94 潜江市 B95天门市B96 神农架 B97课题联系人向廷生联系电话 一、课题的意义和必要性油田在钻井、完井、修井、压井、洗井、冲砂、酸化、压裂和采油等生产过程中，常常造成各种各样的

4、油层伤害，如乳化堵塞、水锁、悬浮颗粒堵塞、石蜡胶质沥青质等沉积、水垢等，特别是无机垢等与有机质如原油、蜡等包裹在一起的复合堵塞以及油层岩石润湿性反转，给油田生产造成严重影响。此外，石油生产采出污水和固体废弃物的处理也是一大难题。因此，研究开发了各种各样物理化学方法和微生物方法进行油水井、三次采油，和污水污泥处理，取得了一定效果。但是物理方法解堵设备和操作工艺复杂，盲目性大，成本高，化学方法易造成二次污染及地面环保问题，微生物方法由于细菌代谢速度慢，缺乏高效微生物激活剂和生物催化剂，作用周期长，因此宜研究开发绿色环保，快速见效的多功能微生物催化剂及相关产品和工艺技术。生物酶是一种以蛋白质为基质的

5、非活性催化剂，系采用现代基因工程、细胞工程和酶工程等现代生化技术研制成的，具有快速、高效、环保等优点。近年来国外如美国、墨西哥、委内瑞拉、印尼和欧洲国家等地油田应用环保酶取得极好效果。国内大庆、胜利等大油田应用国外产品开展了先导性试验，见到良好效果。国内中科院所、南开大学、长江大学等地相关学者正在开展此项研究工作。 长江大学（江汉石油学院）MEOR项目组自2000年以来一直与俄罗斯科学院微生物研究所、大港油田合作开展本源微生物采油技术研究，其主要目的是研究开发高效激活剂快速激活油层中本源微生物。江汉石油学院MEOR项目组研制了固体微生物及生物催化剂经初步试验取得一定效果。因而，在此基础上，进一

6、步研究开发高效微生物催化剂及相关产品和技术，开发具有我国自主知识产权的专利技术，用于微生物采油、微生物污水处理和含油固体废弃物处理及石油容器、管道清洗等，将创造显著的经济效益和环境效益，对我国的石油石化工业的发展具有重大意义。二、相关领域国内外技术现状和发展趋势生物酶是一种绿色环保的生物催化剂，具有优异的生物催化功能，近年来在石油开采领域解堵驱油和石油污水、含油污染物降解、装油容器管道清洗中应用越来越广泛。早在1976年美国环保酶国际公司总裁Jay Silverstein 研究开发的微生物培养基酶克服了传统产品的二次污染问题，成功提高污水处理效率，成为美国污水处理授权产品。此后，欧美微生物学家

7、不断进行深入研究，并且拓展新的用途，生物酶现已应用于石油工业油水井增产处理，油污土壤、含油污水处理和油罐清洗等过程。目前已研究开发22种微生物环保酶。这些生物酶无毒性、无腐蚀性、无挥发性，并且可全部生物降解。具体如下：BR有效的生物性污染补救产品，分解油类、脂肪类和芬香类等化学污染物。应用在土壤和水污染，美国环保总署和国家紧急事故处理指定产品。 C处理高密度的有机纤维物质。 COMP为好氧微生物、真菌、增效厌氧微生物，吞吃为加工的原料，将废物变成稳定、无臭、无味腐殖物质的 D/N 包含氨硝化细菌、亚硝酸盐硝化细菌和自然产生的特效微生物促进氨硝化/氮化硝酸盐的分解过程 DOC有机废物除臭剂，代替

8、有毒的化学清洁剂清洁物体表面污染和除臭 E-Z O为浓缩的分解剂，改善沉淀、减少生化氧需求、减少悬浮物、油脂、臭味和污泥等 GT LGD有效分解管道中的杂物，例如淋浴和水漕排水系统、汽水、啤酒排管系统、制冷空调管道等，特别为清洁油脂收集器本身和油脂收集器之前/之后的管道而研制。为美国农业部认可产品。 L 用在大流量的动物脂肪和固体油类的处理，大大增加在屠宰场、肉类加工厂和肉铺和公共污水处理系统中的前期有机废物处理的分解能力 M 专门处理和分解各种棘手的污染物，例如多氯化联二苯和多核芳香烃的化学污染物 N减少细丝状菌和相关泡沫，增强氨硝化作用 P吸收磷酸盐、用氧作为营养成分保持磷的一种处理剂，经

9、处理的磷会在正常的污水（废物）处理过程中移走 THE POUCH减少泵房、污水收集和注出池油脂及气味的分解剂 R SEP分解下水道的各种废物，改善腐化系统的处理能力，减少优质、浮垢覆盖和臭味，是特别为地下污水系统而研制的粉剂 T加快和增强自然发生的硫磺循环，将硫磺化合物转换变成基本的硫磺和水，减少硫化氢造成的臭味，特别为硫磺化合物而研制的分解剂。在液体油污的处理上，由于碳氢化合物污染物存在于水和固体沉淀物中，微生物酶加入到液体油污里，经过混合及搅拌后，生物酶可以将固体表面的油直接释放出来。生物酶与绝大多数的碳氢化合物以及油不会形成化学乳化作用。这就使得油漂浮在生物酶的上面，而其中的固体物质会挣

10、脱油的束缚自由的沉淀到环保酶层的底部。这样可回收生物酶和石油。 对于处理被碳氢化合物污染的轻质风化固体废弃物而言，只需将环保酶稀释，直接加入到固体废弃物中然后经过搅拌过程即可，不需要其它的化学添加剂。这类反应是典型的生化反应过程，油从固体表面的释放过程仅仅需要几秒钟的时间。现代工业产生的污染物主要有三种形式：气-媒介污染物；水-媒介污染物；固体-基质污染物。水-媒介污染物主要是由于液体碳氢化合物与水接触产生的副产品，有时其中也含有少量的固体粒子。 固体-基质的污染物主要是由于土壤和其它的固体沉淀物中混有有毒的油类以及重金属离子。生物酶可以用于解决与水-媒介污染物、固体-基质污染物两种有关的污染

11、物的问题。生物酶主要应用领域如下： 油田生产井解堵（修井）。 油田输油管道内壁油泥清理（输油管解堵）。 油田集输站和炼油厂大罐沉积物及油泥清理（清洗油罐并回收原油）。 卡车油罐及铁路运输油罐的清洗工作。 河运驳船，海运驳船，远样运输船的油箱底层污物的清洗。 地上储油罐及地下储油罐的清理。 金属表面防锈保护油的清理。 金属组件及电子元件表面油污的清除及清理。 其它各种情况洒落地面的油污（泥）的清理。 洒落地面的农药（苯、甲苯类）的清理。此外，生物酶可用作压裂液瓜胶的破胶剂，这方面研究每年都有许多专利发表，并且已成功应用到油田生产中，取得良好的增产效果。利用生物酶在油气井的井眼或地层中产生某些特殊

12、的化学剂（酸、冻胶、树脂矿物），进行酸化、增产、增注、控水或防砂。利用酶控制化学剂的形成，可使化学剂在地层内就地产生并均衡分布。关于这方面的研究也有报道。生物酶在油气田开采中应用属于现代生化高新技术，在国外已有成功先例，国内正在研究并有少量应用报道。它具有环保无毒高效的优点，还可进行化学剂的有效传递并减少其用量，因此具有广阔的应用前景。由微生物合成的生物表面活性剂具有许多化学合成表面活性剂所缺乏的优异性能，如无毒、可生物降解、对环境无污染，适合于恶劣环境如高温高盐等，因而引起人们的极大兴趣。自20世纪80 年代以来，国外已开始采用生物表面活性剂乳化清洗技术，如美国、前苏联、德国、日本、以色列、

13、中国等地的学者对生物表面活性剂产生菌的筛选、产物的结构和性能、产率的提高以及产品的分离纯化等做了大量的研究工作。并开发了许多用途，如提高石油采收率，油污染土壤和水的生物修复，装油容器、管道、机械设备的清洗，生物制药，化妆品、保健品等。生物表面活性剂具有两亲结构，可牢固吸附在油水界面，低分子生物表面活性剂对降低界面张力和表面张力极为有效，高分子生物表面活性剂可牢固粘合在界面，利于油水乳状液的稳定，可作为一种优良的生物乳化剂。它们具有三种显著的特点：(1)增加亲油的水不溶培养基质的表面积：(2)通过增加亲油培养基的溶解性或从表面吸附它们而增加其生物利用率；(3)调整微生物与表面的附着和分离。因而对

14、石油污染的土壤、水、金属器皿的生物修复和分离清洗十分有效。目前，微生物学家们正在利用分子生物学技术研究微生物对石油烃降解的机理，关键基因的提取分离和控制技术，优化育种提高微生物产生物表面活性剂的收率，开发发酵产物的就地利用技术，从而加快开发生物表面活性剂的商业用途。低粘度乳状液易于用泵抽出，破乳后可轻易分离回收大部分油。生物表面活性剂主要由石油烃降解菌产生并可增加细菌与石油烃培养介质的接触(见Prince&Morton，Robert等报道)，也可由可溶性的碳源如碳水化合物产生(见Cooper等，PersonMolin等报道)，IMBanat等培育了一种高产生物表活剂(BS)优势菌株Petl00

15、6，并通过清洗1500L的油罐中间试验证实了这种清洗工艺的可行性。在此基础上，对科威特850m3油泥进行了清洗处理(油罐直径44m，油污高度1-1.5m)，回收了774m3原油，占91%，经济效益显著。与传统的人工清洗工艺相比，大大减轻了对人体的危害程度。生物表面活性剂在环境工程中得到了应用。生物补救是目前研究非常热门的一种现场处理各种环境污染的技术，具有处理费用低和效率高的优点。世界各国都投入大量资金进行研究和开发，据报道美国每年用于生物修复的费用就达20亿美元。生物表面活性剂能增强憎水性化合物的亲水性和生物可利用性，并且无毒、可生物降解，因此在石油工业和石油污染物环境生物修复中将扮演越来越

16、重要的角色。生物补救技术所处理的污染物包括工业废物、多环芳烃、精炼油产物（如航空燃料、汽油、柴油机燃料、苯、甲苯、乙苯及二甲苯类）、酸性矿废弃物、杀虫剂、军用化合物、重金属和石油等。其中石油烃污染清除是生物修复中最紧迫的任务。高分子生物表面活性剂含具有表面活性的生物酶蛋白，可促进微生物与烃类相容性并可显著提高石油烃的生物降解速度。以色列科学家David Gutnick等人在高分子生物表活剂生物乳胶Emulsan等方面做了深入细致的工作，发表了几十项专利，开发了基因工程菌RAG1，其代谢石油烃产物为阴离子杂多糖和蛋白质的组合物，其表面活性源自占干重15的脂肪酸，连接在多糖骨架的邻位酯键和N-ac

17、yl连接处，可牢固吸附在油水界面，是一种优良的生物乳化剂和石油烃降解催化剂。David博士于2001年和2003年两度来访江汉石油学院（JPU），与JPU石油微生物项目组进行了深入交流，拟进行进一步的深入合作。 总之，在石油开采领域和石油污染物降解和污水污油处理方面，微生物处理技术是今后的发展方向，因而研究开发微生物催化剂技术如生物酶，生物表活剂和微生物高效激活剂，提高微生物活性及代谢石油烃速度，对于推进生物技术在石油石化工业领域的应用和发展具有重大意义及广阔的前景。三、课题的市场需求分析我国有二十余个油田，每个油田有2至11个采油厂。每个采油厂每年措施井（清防蜡、解堵、MEOR、酸化、压裂等

18、增产作业）约80井次。因此，全国每年有作业井400020000井次。如果有10的油水井采用生物催化剂及相关产品进行增产处理，则约有400-2000井次，平均以1000井次计算。单井作业材料费用为10万元，作业费用为5万元，每口井平均增油280吨，则累计增油28万吨，油价按平均价格1500元/吨计算，则创效益4.2亿元，消耗材料费用约1亿元，投入产出比1：4.2。另外，我国有20多个炼油厂，每个炼厂至少有2万吨/年的含油污泥要处理，我国约有20个油田，每个油田集油站有3万吨/年。若有30污泥用微生物催化剂处理，含油污泥用生物法处理后可回收80以上的油，即共有30万吨污泥需生物处理，可回收共计24

19、万吨油，创效益达3.6亿元。此外，油田和炼油厂有大量污水需处理回用或外排，含油固体废弃物及石油污染土壤要进行生物处理和补救，装油容器和管道油轮等用生物清洗创造效益10亿元以上，因此每年微生物催化剂及相关技术应用产生的效益达20亿元。所以市场潜力极大。并且随着人们对环保要求的逐步提高，微生物产品将逐步取代化学化工产品应用于工农业生产，所以应用前景相当广阔。四、课题攻关预期目标，具体的考核指标（含主要技术经济指标）针对目前物理化学方法和生物方法存在问题，研究开发高效生物催化剂及相关技术和产品。1、 预期目标特殊产生物酶蛋白微生物的筛选和培养；高分子生物表活剂产生菌的优选和优育；高效微生物激活体系的

20、设计及筛选；微生物酶体系的制备技术；应用于三个油田中增产措施中及污泥污水处理。2、 具体考核指标筛选23株高效产生物酶细菌和产高分子量生物表活剂优秀菌株，优化其分离培养条件；高效催化剂微生物酶体系的制备及优选技术；选择三个油田进行应用试验，有效率达85%以上；投入产出比1：4以上。五、课题主要研究内容工艺路线关键技术（一）研究内容1、从油田环境和其他油污土壤、污水中分离培养特定微生物；2、研究特定微生物酶和高分子表活剂（BS）的功能及应用特点；3、研究微生物酶和微生物高效激活体系的制备；4、系统评价新型微生物酶催化剂体系的性能指标；5、微生物酶复合体系对油水井解堵增油机理及适用范围；6、微生物

21、酶体系解堵模拟试验研究；7、研究开发新型微生物酶体系在油水井解堵和污染物生物降解中的应用及工艺方法；8、矿场先导性试验；9、矿场试验效果监测与评价。（二）工艺路线1、从油藏地层水、含油污水、油污土壤、油罐底部沉积物中取样筛选特殊微生物菌株；2、运用现代微生物技术进行高效菌种筛选和优育；3、针对具体的应用环境条件构建微生物酶催化体系和高效激活剂体系；4、通过应用模拟试验优选微生物酶催化剂体系。5、选择应用试验基地开展矿场试验，进一步考察高效微生物酶催化体系的实际应用效果，反过来调整其配方。（三）关键技术1、 特定功能微生物选育和最佳培养条件确定；2、 微生物酶体系配方设计和应用功能开发；3、 新

22、型微生物酶和微生物激活体系的制备技术；4、微生物酶体系的解堵驱油机理及石油污染物降解机制。六、课题的主要技术特点和创新点，可能取得专利（尤其是发明专利和取得国外专利）及知识产权分析。微生物技术是化学化工技术的潜在替代者，而高效微生物催化剂技术又是微生物技术发展的关键和瓶颈。因此本课题研究开发的高效多功能生物酶催化剂体系是今后微生物技术的发展方向之一。其主要技术特点是高效、多功能，可通过调整配方体系适用于不同环境条件，因而应用前景十分广阔；其次，这种技术及产品制备不复杂，应用条件和工艺简单，安全可靠；此外，这种新型高效微生物催化剂体系对环境和人体无害，不会造成二次污染。其主要创新点如下：高效产微

23、生物酶蛋白优秀菌株分离和筛选；高效产高分子量生物表活剂菌株分离和筛选；微生物高效激活体系研制；微生物酶催化体系的配方设计和应用功能；特定应用环境条件与微生物催化体系的匹配规律及特点；高效微生物酶催化体系的制备技术。本课题主要依托项目组成员掌握的文献资料和现有技术，研究开发具有自主知识产权的专利技术，筛选的优秀菌株均为本项目组所有。在高产生物酶蛋白菌株，高产高分子生物表活剂优秀菌株，高效激活剂体系，生物酶催化体系和不同应用功能及产品研究开发方面均可申请国内外专利并得到有效保护。此外，这种新型高效微生物催化剂体系对环境和人体无害，不会造成二次污染。七、课题实施年限及年度计划安排实施年限：2003年

24、11月2005年11月（两年）年度安排： 2003年11月2004年3月资料调研、室内研究准备；2004年5月2004年12月室内菌株分离筛选、优育及微生物催化体系配方设计与性能评价；2004年12月2005年8月微生物催化剂及相关产品的生产和应用试验；2005年9月2005年11月研究工作总结、项目验收及推广应用；八总投资预算、资金筹措及来源渠道（一） 课题经费预算项目经费（万元）1、文献资料调研2.52、室内菌株筛选及有关药品费用15.53、分析测试和应用性能评价及模拟试验费13.54、中试设备和材料费用855、差旅费3.56、中试鉴定、验收费6合计126万元（二） 资金筹措及来源自筹：1

25、00万元（20042005年度）科技拨款：26万元（2004年度）总经费：126万元。九、课题预期成果的经济、社会、环境效益分析，与国内外同类技术的竞争力分析、成果应用和产业化前景分析 本课题预期成果和产品为高效微生物催化剂和相关产品等，可广泛应用于石油工业油水井解堵增产措施中，石油开采产出污水处理和污泥处理，炼油厂污水污泥处理，含油土壤和含油固体废弃物处理、装油容器、管道和油轮清洗等，保守估计每年可创造效益20亿元，创造岗位5000个，其经济社会效益十分显著。并且，研究开发的产品和技术对人体健康无害，不污染环境，是今后发展的主流方向，对人类和地球环境的可持续性发展意义重大。 国内外同类技术大

26、多存在有严重的二次污染或效益低下和效益差等特点，将逐步被高效微生物技术所取代。国外近年来研究开发了一些微生物环保酶产品，但存在成本高、价格昂贵、适用性不强等限制因素，在中国市场上很难立足和推广。因此，研究开发具有我国特点和自主知识产权的新型高效微生物催化体系必将能迅速占领市场，其产业化前景和优势十分明显。十、课题的风险分析（含技术、市场的风险分析等） 本课题得到长江大学（江汉石油学院）的重视和支持，拥有两个微生物实验室，实验条件具备，项目组曾承担CNPC、油气微生物勘探和本源微生物采油机理研究与矿场试验两个重大项目，研究开发了本源微生物激活剂技术和固体微生物及高效烃降解菌等产品，在油田应用已取

27、得一定效果。高效微生物催化剂方面国外已有一些相关研究，国内一些公司已开发了一些生物环保酶和生物表面活性剂鼠李糖酯、生物乳胶Emulsan，并应用到石油与环保产业上。因此，针对我国石油石化工业现状和应用环境条件研究开发相适用的高效微生物催化剂及相关产品在技术上可行、风险很小。另外，这种新型微生物催化剂可广泛应用于石油石化工业中油水井增产处理、含油污水、污泥及含油固体废弃物处理、装油容器、管道和油轮清洗等方面，应用前景十分广阔，产值可达上亿元。并且人们环保意识日益增强，高效微生物技术将逐步取代部分现有化学化工技术。因此，本课题研究在技术和市场方面基本上无风险。十一、课题的基础条件（与课题相关的现有

28、技术、设备基础和工作基础） 人员配备方面，研究参加人员有石油微生物和生物化工二个学科组成。长江大学（江汉石油学院）1995年由化工系微生物实验室、地球化学研究中心、石油工程系采油室等联合成立地质微生物实验室。近年来在原油的喜氧降解作用和厌氧降解作用、MEOR机理及矿场试验(辽河、青海、江汉、渤海、新疆、大港油田)分离出了用于微生物吞吐采油、微生物清防蜡，进行了上百次矿场试验，取得了良好的效果。从渤海油田和油污土壤等分离出了一些烃氧化菌，用于海面浮油处理，含油钻屑处理，销售了100多吨生物除油剂。与俄罗斯等合作，开展本源微生物采油技术研究。此项工作已经开展4年，取得了明显的效果，从大港油田、大庆

29、油田地层水中分离出了十几株产生物表面活性剂的优势菌株。积极开展国际合作，现已与国际上MEOR研究和微生物技术研究的主要国家及专家建立了合作关系，定期邀请来华访问讲学与学术交流。俄罗斯科学院微生物研究所IVONOV伊瓦诺夫院士、贝利耶夫教授、那金娜博士等；德国GOLMEN微生物勘探与生产公司WAGNER博士等；美国GMT地质微生物公司HITZMAN等专家；美国南加洲晏德福教授等；美国布鲁克海文能源部国家重点实验室林懋夏教授； 罗马尼亚科学院微生物研究所LAZAR教授等；以色列特拉维夫大学分子微生物学家Gutnick教授等；法国埃尔夫ELF石油公司康乃博士（厌氧微生物降解石油烃）等；以微生物学、油

30、藏工程、地球化学和化学化工等多学科的专家组成的联合实验室，具有研究和开发微生物催化剂生物表面活性剂的能力，不仅在微生物分离筛选定性定量分析和代谢活性评价方面，而且在模拟试验及矿场试验中喜氧和厌氧微生物代谢引起的地层流体地球化学变化的动态监测方面做了许多前期工作。此外，还有两名同志赴俄罗斯科学院微生物所进行了一个月的技术培训。与中科院微生物所教授王修垣就高分子生物表面活性剂有关微生物合成、结构、性能及应用等方面进行了深入讨论，收集了一些最新资料。并己有两名博士赴华中农业大学微生物国家重点实验室和浙江大学生命科学院微生物国家重点实验室进行学习和开展有关试验工作。主要仪器设备有：微生物操作无菌室、超

31、净工作台、显微镜、摇床、培养箱、蒸汽消毒锅等，气相色谱、液相色谱、红外、色质谱、紫外分光光度计、扫描电镜等。 此外，与以色列特拉维夫大学David博士，就高分子生物乳胶Emulsan的分子生物学研究，结构和活性研究及其在重油乳化降粘、油罐油轮清洗等方面应用进行了详细探讨，David博士提供了十五份相关专利文献资料。 十二、课题的关联行动、相关的基本建设、技术改造、技术引进、国际合作等落实情况，与其他相关湖北省科技计划（工作）项目的衔接和分工。本课题研究以长江大学（江汉石油学院）和石油企业为依托，与国内外相关研究单位和学者，如中科院微生物所，石油大学生物化工博士后流动站、华中农大微生物重点实验室、上海交大生科院、大港油田、大庆油田、青海油田、齐鲁石化、渤海油田、新疆油田、俄罗斯科学院微生物所，以色列特拉维夫大学David博士、英国Ulster大学（北爱尔兰）科学系生