Полная версия

Главная arrow География arrow Биотехнология нефтедобычи: принципы и применение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Некоторые закономерности роста и развития микроорганизмов в жидкой и пористой средах

Процессы превращения органических веществ и образование агентов вытеснения нефти в нефтяном пласте в первую очередь связаны с ростом и размножением микробных клеток. Микробные клетки репродуцируются и размножаются благодаря автокаталитическому процессу роста. Накопление биомассы микроорганизмов отождествляется с ростом микроорганизмов. Рост - необратимое увеличение живой клеточной массы. Рост и размножение связаны друг с другом: при росте происходит увеличение числа клеток.

Рост микроорганизмов в условиях нефтяного пласта происходит как в жидкой фазе - пластовой воде и нефти или на границе раздела этих фаз, - так и на твердой поверхности слагающих пласт пород, на которых они находятся в адсорбированном состоянии.

Рост и развитие микроорганизмов в жидкой и пористой средах имеет ряд особенностей. Рост микроорганизмов в жидкой среде происходит во взвешенном состоянии. При культивировании микроорганизмов в жидких средах различают периодическую и (стационарную) и непрерывную культуру. Соответственно, осуществляют периодическое и непрерывное культивирование. Микробиологические процессы как при периодическом, так и при непрерывном культивировании характеризуются основными кинетическими параметрами: ростом микроорганизмов, утилизацией субстратов питания, образованием продуктов - и описываются системами общих уравнений.

Принцип периодического культивирования заключается в следующем. В аппарат загружается определенное количество питательной среды, например, раствор углевода, создаются оптимальные условия для роста микробных клеток. Если в процессе культивирования не вносить в аппарат дополнительных питательных компонентов и не выводить из нее избыточную биомассу и продукты метаболизма вместе со средой, то рост микроорганизмов будет протекать по типичной S-образной кривой (рис. 10, а). Фаза I - это лаг-фаза. Это фаза приспособления, адаптации микробных клеток к новому источнику питания. Это означает, что микроорганизм, попав в новую для него среду, начинает размножаться не сразу. Только после определенного периода времени, например, через несколько часов, микробные клетки приспосабливаются к новой среде. В этот период активизируются ферменты, участвующие в разложении данного субстрата, а также, если необходимо, для этих же целей в клетке синтезируются новые ферментные системы, клетки увеличиваются

в размере, но число их не возрастает. Затем следует лаг-фаза, или фаза экспоненциального роста, когда микробные клетки делятся с максимальной скоростью.

а

Время

б

?

Рис. 10. Рост культуры (X) в присутствии одного (а) или двух (б) источников углерода и энергии

В этой фазе клетки интенсивно потребляют субстраты, продуцируют и выделяют в среду метаболиты. Фаза III - фаза замедления роста, в ней наблюдается постепенное истощение питательных веществ. Фаза IV -фаза стационарного роста, когда численность микробных клеток остается неизменной. Фаза V - это фаза отмирания микробных клеток.

При росте периодических культур на двухкомпонентном субстрате наблюдаются и другие явления. Субстраты - 81 и Бг могут использоваться независимо, так что потребление одного не сказывается на потреблении другого (рис. 10, б). В таком случае они могут использоваться одновременно, при этом может наблюдаться даже стимуляция роста. В случае двух и более компонентных смесей последовательно используемых субстратов тот субстрат, который используется быстрее, обычно расходуется первым. Однако в каждой конкретной многокомпонентной смеси субстратов быстрее может потребляться то один, то другой субстрат в зависимости от того, какой вид микроорганизма растет на этой смеси.

Рост микробных клеток в жидкой среде можно охарактеризовать временем удвоения количества клеток или биомассы. Эти величины могут различаться, так как биомасса может увеличиваться и без деления клеток. Если в данных условиях время удвоения биомассы и числа клеток не различаются, рост микроорганизмов происходит согласно экспоненциальной зависимости

рХ;

с/х с/ /

где N - количество клеток в 1 л среды; х - концентрация биомассы; I -время; р - удельная скорость роста.

В росте микробных клеток различных видов имеются различия, которые определяются рядом факторов, в том числе типом размножения. Время, необходимое для удвоения биомассы,

Удельную скорость роста р можно определить по формуле

Х1 • х0

- •

XI - ?0)

Удельную скорость потребления субстрата микробной клеткой с/§, г/(г/ч) можно определить по формуле

Х1 (^1 - ^2 )

_ ф _ Ц-Р0

Удельная скорость образования продукта qp, г/(г/ч) определяется по формуле

Ъ-Ро

Х1 (^1 _ ^0)

Существует определенная зависимость между кинетикой роста микроорганизмов и их стратегией жизни. Под стратегий жизни понимают совокупность приспособлений, обеспечивающих возможность виду микроорганизма обитать совместно с другими организмами и занимать определенное положение в соответствующих биоценозах. Чаще всего выделяют два вида стратегий, формирующихся соответственно под влиянием К- и Г-отбора. Различия между К- и Г-отборами сводятся к тому, что первый из них протекает в условиях полной занятости среды организмами, а второй - в условиях «экологического вакуума». К-стратеги (равновесные популяции) приурочены к зрелым сообществам, скорость их роста и отмирания регулируются популяционной плотностью, они приспособлены к условиям острой конкуренции с другими организмами за счет предельной дифференциации экологических ниш. К этой группе организмов, формирующих пластовый биофильтр, относятся, например, коринебактерии, а также олиготрофные и автохтонная (т.е. собственная) микрофлора. 11-стратеги («оппортунистические» популяции) характеризуются взрывным типом роста, активно заселяют неосвоенные местообитания, например, нефтяные пласты, свежезагрязненные нефтью почвы, т.е. связаны с первичными стадиями, вытесняясь из равновесных популяций более конкурентными К-стратегами. К этой группе относятся известные группы микроорганизмов нефтяных пластов - представители псевдомонад, флавобактерий, другие виды углеводородокисляющих микроорганизмов. К-стратеги имеют наибольшие значения удельной скорости роста, поэтому при высоких концентрациях субстрата они обладают самой высокой скоростью роста. Даже при нехватке субстрата их клетки содержат значительно больше функционально активных компонентов, чем другие организмы. Это позволяет им мгновенно переходить к интенсивному росту после переноса на богатую питательную среду.

К-стратеги обладают высоким сродством к субстрату (большие по сравнению с другими организмами величины р при экстремально низких Б) за счет эффективной транспортной системы, минимальным различием между потенциальной и актуальной метаболической активно-

стью, нестабильностью роста при высоких концентрациях субстрата, резко выраженным субстратным ингибированием роста, что обусловливает то, что они проигрывают другим организмам в богатых средах (соответствуют неосвоенным нефтяным пластам), но приобретают очевидные преимущества в условиях лимитированного роста.

Если вычленить основные этапы деятельности микроорганизмов в нефтяном пласте, а именно:

  • • микробное заражение пласта при его вскрытии и заводнении;
  • • адаптацию микроорганизмов, размножение, расселение по экологическим нишам в системе фаз вода-нефть-пористая среда, формирование биофильтра по микрозонам и зонам;
  • • осуществление активной геобиохимической деятельности;
  • • падение активности, численности в случае прекращения или изменения режима эксплуатации - и изобразить эти этапы графически, то получим гипотетическую кривую, схожую с 8-образной кривой периодического культивирования микроорганизмов (рис. 10-11).
Гипотетическая кривая жизнедеятельности микроорганизмов в пласте

Рис. 11. Гипотетическая кривая жизнедеятельности микроорганизмов в пласте:

Т - этапы развития пластового биоценоза (биофильтра); 0 - начало эксплуатации нефтяного пласта заводнением; 1 - формирование биоценоза пластового биофильтра; 2 - активная биогеохимическая деятельность биофильтра; 3 -стационарная фаза деятельности биофильтра; 4 - снижение численности, видового разнообразия, активности биоценоза по мере снижения интенсивности

заводнения

Разумно предположить, что продолжительность фаз будет зависеть от режима эксплуатации коллектора. Она может длиться годы и десятилетия. При регулярном режиме питательного заводнения (внесения в пласт извне питательных субстратов и т.д.) экспоненциальную или стационарную фазу развития пластового биофильтра можно поддерживать и регулировать достаточно длительный период времени аналогично проточному, непрерывному культивированию микроорганизмов.

Рост и развитие микроорганизмов, адсорбированных на твердой поверхности пород пласта происходит на границе раздела двух фаз: твердой и жидкой (нефть - вода), а преобразуемый субстрат к микробной клетке может поступать только путем диффузии. Кинетика роста популяции микроорганизмов на твердой поверхности сильно отличается от таковой в жидкой фазе. Только в начале роста колонии соблюдается экспоненциальный закон. Одним из первых исследователей, наиболее полно описавших кинетику роста клеток на поверхности, стал Д. Перт (1978). Он предположил, что в начале роста, когда в среде отсутствует градиент концентрации субстрата, все клетки в колонии могут расти с максимальной для данной среды удельной скоростью роста, т.е. по экспоненциальному закону. Диаметр многих колоний микроорганизмов возрастает с постоянной скоростью, по линейному закону. Д. Перт предположил, что в этом случае в центральной области колонии рост микробных клеток ограничен диффузией субстрата и с максимальной удельной скоростью биомасса клеток растет только в периферийной части постоянной толщины ]/> и высоты Ь. В данном случае размер колонии

Я = + Я0,

где Яо - начальный диаметр колонии.

Линейная скорость роста Ко = рил

Перт, исходя из предположения, что ширину периферийной зоны роста определяет диффузия, вывел

где $о - начальная концентрация субстрата в среде.

В экспериментальных условиях, особенно для бактерий, некоторое время рост площади колоний идет с постоянной скоростью, т.е. соблюдается закон площадей

Я2 - 2Ьр1 + Яо2,

где Ь - эмпирическая постоянная.

Приведенные три основные закономерности кинетики роста колоний микроорганизмов характеризуют отдельные периоды их развития на твердых поверхностях.

Для механизмов, согласно которым микроорганизмы сорбируются на твердой поверхности и десорбируются с нее, характерно направленное перемещение клеток через несущий его поток жидкости к сорбирующей поверхности и от нее, включая диффузионный, гравитационный и конвекционный транспорт. Последующее прикрепление или освобождение клеток микроорганизмов от поверхности твердой породы связано с равновесием между силами Ван-дер-Ваальса и электростатическими силами двойного электрического слоя. Микробные клетки представляются как микроскопический ион со многими электростатически заряженными поверхностями или как неионогенная поверхность с гидрофобными участками.

Кинетику диффузионных процессов микробной сорбции можно успешно использовать при изучении скорости адсорбции и десорбции. С помощью специфических изотерм адсорбции (Ленгмюра, Фрейнлиха и др.), используемых для растворимых материалов, можно описать и адсорбцию микробных клеток в условиях равновесия.

Режим сорбции проявляется в ограниченном перемещении микробных клеток при взаимодействии с разными поверхностями других микробных клеток и коллоидных частиц, почвы, глины, песка, составляющих коллектор пласта. Селективность и степень обратимости механизмов сорбции зависит от вида микроорганизмов, типа адсорбента и характера среды. Так, pH и ионная сила среды влияют на скорость адсорбции. На глинистых породах микробные клетки адсорбируются сильнее, чем на песчаных. Объемная поверхность адсорбции глинистых пород больше, чем песчаных.

В биофильтре, формирующемся в призабойной зоне пласта, пластовые флюиды, содержащие органические соединения различной растворимости (в коллоидном или растворенном состоянии), фильтруются через поры, покрытые биомассой микроорганизмов, поставляя им продукты питания. Микробный ценоз биопленки окисляет органические вещества, используя их как источник углеродного питания и энергии. Таким образом, из пластовой жидкости, омывающей биофильтр, удаляются и перерабатываются органические вещества, а масса активной микробной пленки увеличивается (естественно, до определенных пределов). Прирост биомассы зависит от химической природы органического вещества, вида микроорганизма, концентрации биогенных элементов (азота, фосфора и др.), температуры пласта, скорости размножения микробных клеток, физико-химических свойств твердой фазы и др. и имеет сложную зависимость от времени.

Мерой степени конверсии субстрата служит выход биомассы X или продукта р от субстрата §

Степень конверсии зависит не от абсолютной концентрации субстрата, а от роста и развития микроорганизмов и качества субстрата. Коэффициент конверсии в биомассу, например, для метанола и глюкозы равен 0,5, для этанола 0,70-0,75, для н-гексадекана 1,1-1,3, для жидких парафинов 1,2-1,3. Это означает, что при переработке 1 г глюкозы образуется 0,5 г микробной биомассы и 0,5 г СОг.

Для биофильтра нефтяного пласта прирост специфических групп микроорганизмов, окисляющих органические соединения, приблизительно пропорционален их концентрации. Чем выше численность и концентрация биомассы микроорганизмов в биофильтре, тем выше интенсивность окисления органического субстрата.

По законам непрерывной ферментации прирост микробных клеток, окисляющих определенное органическое вещество в системе биофильтра, можно выразить следующим уравнением:

= 8 -X - А!,

где вг - концентрация поступающего субстрата; - концентрация выходящего субстрата; ? - скорость окисления, г/г час; х - концентрация микроорганизмов в период t.

В этой связи для призабойной зоны нефтяного пласта потребление субстрата, вносимого в пласт при питательном заводнении, должно быть прямо пропорционально концентрации микроорганизмов в биофильтре.

Прирост биомассы для приближенных расчетов можно определить по формуле

ПБ = К(ХПК - БПКполн ),

где ПБ - прирост биомассы, ХПК - химическая потребность в кислороде, БПКполн - биологическая потребность в кислороде.

Коэффициент К, характеризующий качественный состав микроорганизмов в биофильтре, определяется экспериментально и изменяется в пределах 0,1-0,9.

Прирост биомассы для монокультуры всегда меньше, чем для культур сложного биоценоза, составляющего пластовый биофильтр.

Отработанная (омертвевшая) биопленка может смываться протекающей пластовой жидкостью, и на ее место могут адсорбироваться новые клеточные структуры. Таким образом, происходит непрерывная смена популяций микроорганизмов, что обеспечивает стабильность биохимических процессов превращения органических веществ в нефтяном пласте и продуцирование агентов, вытесняющих нефть.

В нефтяном коллекторе, эксплуатирующегося вторичными методами, имеет место непрерывный поток пластовых флюидов от зон нагнетания к зонам отбора продукции (рис. 12). В связи с этим процесс культивирования микроорганизмов в условиях нефтяного пласта можно считать многоступенчатым, гетерогенным, при котором батареи ферментеров соединены вместе, составляя единую биологическую систему (рис. 13). Питательная среда поступает в первый аппарат (аэробная зона биофильтра - зона активного поглощения кислорода), преобразуется и постепенно поступает потоком в систему последовательно расположенных батарей ферментеров (микроаэрофильная и анаэробная зона бактериального фильтра) и вытекает из последней (призабойная зона добывающих скважин). Следовательно, рост и развитие микроорганизмов при питательном заводнении поверхностными водами идет в открытых проточных системах, для которых применимы основные кинетические параметры проточного культивирования микроорганизмов.

Нагнетательная

скважина

Биофильтр

^Добывающая < скважина

Нефтяной пласт

О

О

О

о

Биофильтр

с

о

Проточное культивирование микроорганизмов в условиях нефтяного

Рис. 12. Проточное культивирование микроорганизмов в условиях нефтяного

пласта при питательном заводнении

Система открытого многоступенчатого гетерогенного непрерывного культивирования микроорганизмов в условиях нефтяного пласта

Рис. 13. Система открытого многоступенчатого гетерогенного непрерывного культивирования микроорганизмов в условиях нефтяного пласта

Рассмотрим некоторые основные принципы такого культивирования применительно к реальным условиям нефтяного пласта.

В отличие от культивирования микроорганизмов в закрытой системе, непрерывный проточный метод обеспечивает сохранение микробных клеток в физиологически активном состоянии длительное время. Скорость роста биомассы в протоке характеризуется уравнением

^ = <Ц-В)х сН

где х - концентрация биомассы, г/л (мг/л или кл/мл); р - удельная скорость роста, ч , П - скорость разбавления культуры потоком среды, ч'1.

П = Р/У,

где Р- скорость протока пластовых флюидов, л/ч (м3/ч); У- площадь пласта (м3).

Если р = П, то с/х / = 0. Это означает, что концентрация микробных

клеток в биофильтре пласта постоянна. Чаще всего это может быть при

В = 0 < 05-0,20.

При разработке биотехнологических методов воздействия на пласт необходимо установить оптимальный состав среды при длительном питательном заводнении, скорость протока (заводнения), которая определяется интенсивностью закачки и отбора жидкости, температуры, pH, аэрации и другими параметрами.

В зависимости от метода, благодаря которому биоценоз пласта поддерживается в состоянии динамического равновесия (когда р = В), можно использовать турбидистатный и хемостатный принцип культивирования. При турбидистате скорость закачки в нефтяной пласт питательных растворов должна быть такова, чтобы концентрация биомассы в системе биофильтра пласта оставалась бы постоянной. При хемостате в системе поддерживается постоянная концентрация одного из компонентов питания, например, углеводных субстратов (мелассы или др.).

Если система находится в равновесии, то В = р. Его можно нарушить, изменяя скорость закачки > р или В < р) или концентрации, закачиваемой в пласт питательной среды.

Имеется определенная зависимость накопления биомассы х в пластовом биофильтре и ее выхода от коэффициента разбавления В при хемостатном культивировании микроорганизмов в условиях лимитирования роста по углероду (рис. 14).

При значениях В выше критического наблюдается вымывание культуры из среды и снижение выхода. Даже при В, соответствующей 25% критической величины, также наблюдается уменьшение как х, так и Ух/§. Это объясняется тем, что при небольших В заметно сокращается поступление углеродного источника энергии к клеткам, хотя его количество, расходуемое клеткой на поддержание жизнедеятельности, постоянно. Таким образом, затраты энергии на поддержание метаболизма составляет все большую часть от общих ресурсов энергии клетки и при определенном значении ?) начинает ущемлять энергетические нужды на биосинтез клеточного материала, что приводит к снижению х и Уда.

I

ч

Коэффициент разбавления, D

Рис. 14. Зависимость концентрации биомассы х и выхода Ух/s от коэффициента

разбавления D (Wang et al., 1979)

Таким образом

X=YH/s(S0-S) и у х .

XIS S0-S

Основная цель формирования биофильтра в нефтяном пласте при разработке биотехнологий повышения нефтеотдачи состоит в регулируемом превращении органических соединений (экзогенных или эндогенных) и производстве in situ продуктов превращений - агентов вытеснения нефти. В связи с этим удельную биосинтетическую активность биофильтра можно определить по формуле

dP 1

4Р = -тг-> dt х

а скорость биосинтеза по формуле dP /dt = qpx.

Следовательно, скорость биосинтеза агентов вытеснения нефти в пласте прямо пропорциональна количеству биомассы и удельной биосинтетической активности биофильтра.

Удельная биосинтетическая активность биофильтра зависит от физиологических и генетических свойств микроорганизмов биоценоза,

а также от скорости ферментативных реакций, лежащих в основе биосинтеза соответствующих продуктов. Если количество продукта Р образуется из субстрата 8 после п ферментативных реакций, которые катализируют ферменты Ф1, Ф2, Ф3...ФП, скорость образования этого продукта зависит от скорости каждой отдельной реакции (Ф1 - Фп):

? г

п

?р.

Если одна из реакций, например, катализируемая ферментом Ф3, замедляется, количество продукта уменьшается и, в свою очередь, снижается скорость его образования.

Чтобы ускорить процесс получения продукта, важно установить лимитирующий участок микробиологического процесса и исключить факторы, ограничивающие скорость на этом участке.

В гомогенном непрерывном процессе

/

где D = ц.

Следовательно, количество образующегося агента вытеснения нефти в пласте зависит не только от активности биоценоза и количества биомассы, но и от скорости разбавления. Необходимо так отрегулировать скорость протока питательной среды к биофильтру и отбора продукции, чтобы предотвратить вымывание микробных клеток из пласта, т.е. обеспечить постоянную и динамически стабильно высокую концентрацию клеток в биофильтре. Варьировать его в широких пределах трудно, поэтому продуктивность биофильтра можно повысить, изменив количество биомассы (например, закачав извне в пласт определенный объем микробных популяций) или биосинтетическую активность отдельных физиологических групп биоценоза (например, закачав в пласт определенный объем культуры микроорганизмов с высокой удельной активностью роста). Если накопление биомассы микроорганизмов и образование ими агентов вытеснения нефти зависит от какого-либо лимитирующего фактора, например, кислорода или биогенных элементов, можно изменить концентрацию этих элементов в пластовой жидкости или в жидкости, отбираемой в добывающих скважинах.

При стабильном воздействии на нефтяной пласт биоценоз пластового биофильтра характеризуется устойчивостью и сбалансированностью, а для математического анализа закономерностей формирования устойчивых культур на сложных ресурсах питания используются уравнениями, описывающие динамику численности видов и концентрацию питательных ресурсов. Из анализа динамики следует обобщение принципа Гауза для «1М» видов и «М» субстратов: каждый вид должен иметь свой лимитирующий фактор, а число соответствующих видов не может превышать числа лимитирующих субстратов и зависит от скорости поступления в систему элементов питания.

Нефтяной пласт, подвергающийся системному заводнению, в том числе питательному, - это биофильтр, представляющий собой трехфазный (жидкость - газ - твердое тело) биореактор, в котором твердая фаза увеличивает удельную поверхность контакта основных, вступающих в реакцию фаз. Частицы породы, покрытые колониями живых микроорганизмов, выполняют также роль микротурбулизаторов и дополнительных диспергаторов, что в свою очередь интенсифицирует перенос газовой фазы - кислорода, СО2 и др. Для каждого нефтяного коллектора в зависимости от размеров и массы твердых частиц, величин поверхности и проницаемости существуют оптимальные скорости потока жидкости, соответствующие максимальному коэффициенту массопереноса.

При малых скоростях потока жидкость только просачивается через промежутки между стационарными частицами в породе. Эффект торможения на поверхности твердых частиц в слое увеличивается с повышением скорости потока.

Разложение органических веществ в трехфазной системе биофильтра нефтяного пласта имеет преимущества по сравнению с разложением этих же соединений в общепринятых двухфазных системах выращивания микроорганизмов, например, в аэротенках, которые включают:

  • • высокие скорости тепло- и массопереноса;
  • • равномерное распределение твердых частиц;
  • • высокие концентрации биомассы на единицу объема биофильтра;
  • • высокую удельную поверхность контакта фаз.

При условии непрерывного регулируемого поступления свежего субстрата в пласт и продвижения продуктов разложения потоком пластовой жидкости вдоль по длине пласта в направлении забоя добывающих скважин можно поддерживать высокую скорость размножения нужных групп микроорганизмов в пластовом биофильтре и осуществлять непрерывный процесс биогенеза агентов вытеснения нефти - СО2, СН4, Н2, ПАВ, биологических загустителей, кислот, растворителей и др. Для этого необходимо, чтобы концентрация питательных веществ и продуктов разложения поддерживалась в зонах (аэробных, микроаэро-фильных, анаэробных) пластового биофильтра на определенном и постоянном уровне.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>