Verbesserte Ölgewinnung mit einer Kombination von Biotensiden

Summary

Wir veranschaulichen die Methoden des Screenings und der Identifizierung der biotensidproduzierenden Mikroben. Methoden zur chromatographischen Charakterisierung und chemischen Identifizierung der Biotenside, zur Bestimmung der industriellen Anwendbarkeit des Biotensids zur Verbesserung der Restölgewinnung werden ebenfalls vorgestellt.

Abstract

Biotenside sind oberflächenaktive Verbindungen, die in der Lage sind, die Oberflächenspannung zwischen zwei Phasen unterschiedlicher Polaritäten zu reduzieren. Biotenside haben sich aufgrund der geringeren Toxizität, der hohen biologischen Abbaubarkeit, der Umweltverträglichkeit und der Toleranz gegenüber extremen Umweltbedingungen zu vielversprechenden Alternativen zu chemischen Tensiden entwickelt. Hier veranschaulichen wir die Methoden zum Screening von Mikroben, die Biotenside produzieren können. Die biotensidproduzierenden Mikroben wurden mittels Tropfenkollaps, Ölausbreitung und Emulsionsindex-Assays identifiziert. Die Produktion von Biotensiden wurde validiert, indem die Verringerung der Oberflächenspannung der Medien aufgrund des Wachstums der mikrobiellen Mitglieder bestimmt wurde. Wir beschreiben auch die Methoden zur Charakterisierung und Identifizierung von Biotensiden. Eine Dünnschichtchromatographie des extrahierten Biotensids mit anschließender differentieller Färbung der Platten wurde durchgeführt, um die Art des Biotensids zu bestimmen. LCMS, ¹H NMR und FT-IR wurden verwendet, um das Biotensid chemisch zu identifizieren. Wir veranschaulichen ferner die Methoden zur Bewertung der Anwendung der Kombination von produzierten Biotensiden zur Verbesserung der Restölgewinnung in einer simulierten Sandpackungssäule.

Introduction

Biotenside sind die amphipathischen oberflächenaktiven Moleküle, die von Mikroorganismen produziert werden und die Fähigkeit haben, die Oberfläche und die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen¹ zu reduzieren. Ein typisches Biotensid enthält einen hydrophilen Teil, der normalerweise aus einem Zuckeranteil oder einer Peptidkette oder einer hydrophilen Aminosäure besteht, und einen hydrophoben Teil, der aus einer gesättigten oder ungesättigten Fettsäurekette^{besteht 2}. Aufgrund ihrer amphipathischen Natur sammeln sich Biotenside an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen und reduzieren die Grenzflächenspannung an der Grenze, was die Dispersion einer Phase in die andere erleichtert ^1,3. Verschiedene Arten von Biotensiden, die bisher berichtet wurden, umfassen Glykolipide, in denen Kohlenhydrate über Esterbindungen (z. B. Rhamnolipide, Trehalolipide und Sophorolipide) an langkettige aliphatische oder hydroxy-aliphatische Säuren gebunden sind, Lipopeptide, bei denen Lipide an Polypeptidketten gebunden sind (z. B. Surfactin und Lichenysin), und polymere Biotenside, die normalerweise aus Polysaccharid-Proteinkomplexen bestehen (z. Emulsan, Liposan, Alasan und Lipomannan)⁴. Andere Arten von Biotensiden, die von den Mikroorganismen produziert werden, umfassen Fettsäuren, Phospholipide, neutrale Lipide und partikuläre Biotenside⁵. Die am meisten untersuchte Klasse von Biotensiden sind Glykolipide und unter ihnen wurden die meisten Studien über Rhamnolipide^{berichtet 6}. Rhamnolipide enthalten ein oder zwei Moleküle Rhamnose (die den hydrophilen Teil bilden), die mit einem oder zwei Molekülen langkettiger Fettsäure (normalerweise Hydroxy-Decansäure) verbunden sind. Rhamnolipide sind primäre Glykolipide, die zuerst aus Pseudomonas aeruginosa⁷ berichtet wurden.

Biotenside haben im Vergleich zu ihren chemischen Gegenstücken aufgrund verschiedener einzigartiger und unverwechselbarer Eigenschaften, die sie bieten, zunehmend an Bedeutung gewonnen⁸. Dazu gehören eine höhere Spezifität, geringere Toxizität, größere Vielfalt, einfache Zubereitung, höhere biologische Abbaubarkeit, bessere Schaumbildung, Umweltverträglichkeit und Aktivität unter extremen Bedingungen⁹. Die strukturelle Vielfalt der Biotenside (Abbildung S1) ist ein weiterer Vorteil, der ihnen einen Vorteil gegenüber den chemischen Gegenstücken^{verschafft 10}. Sie sind im Allgemeinen wirksamer und effizienter bei niedrigeren Konzentrationen, da ihre kritische Mizellenkonzentration (CMC) in der Regel um ein Vielfaches niedriger ist als bei chemischen Tensiden¹¹. Es wurde berichtet, dass sie sehr thermostabil (bis zu 100 °C) sind und einen höheren pH-Wert (bis zu 9) und hohe Salzkonzentrationen (bis zu 50 g/l)¹² tolerieren können, was mehrere Vorteile in industriellen Prozessen bietet, die eine Exposition gegenüber extremen Bedingungen erfordern^13. Biologische Abbaubarkeit und geringere Toxizität machen sie für Umweltanwendungen wie die Bioremediation geeignet. Aufgrund der Vorteile, die sie bieten, haben sie in verschiedenen Branchen wie der Lebensmittel-, Landwirtschafts-, Waschmittel-, Kosmetik- und Erdölindustrie mehr Aufmerksamkeit erhalten¹¹. Biotenside haben auch in der Ölsanierung viel Aufmerksamkeit erregt, um Erdölverunreinigungen und toxische Schadstoffe zu entfernen¹⁴.

Hier berichten wir über die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von Biotensiden, die von Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 und Paenibacillus sp. IITD108 hergestellt werden. Die Schritte beim Screening, der Charakterisierung und der Anwendung einer Kombination von Biotensiden für eine verbesserte Ölgewinnung sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Eine Methode zur verbesserten Ölgewinnung unter Verwendung einer Kombination von Biotensiden. Der schrittweise Arbeitsablauf wird angezeigt. Die Arbeiten wurden in vier Schritten durchgeführt. Zuerst wurden die mikrobiellen Stämme kultiviert und für die Produktion von Biotensid durch verschiedene Assays untersucht, darunter Tropfenkollaps-Assay, Ölausbreitungsassay, Emulsionsindex-Assay und Oberflächenspannungsmessung. Dann wurden die Biotenside aus der zellfreien Brühe extrahiert und ihre Natur mittels Dünnschichtchromatographie identifiziert und sie wurden weiter mit LCMS, NMR und FT-IR identifiziert. Im nächsten Schritt wurden die extrahierten Biotenside miteinander vermischt und das Potenzial der resultierenden Mischung für eine verbesserte Ölgewinnung mittels der Sandpacksäulentechnik bestimmt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Das Screening dieser mikrobiellen Stämme zur Herstellung von Biotensiden erfolgte durch Tropfenkollaps, Ölausbreitung, Emulsionsindexmessung und Bestimmung der Verringerung der Oberflächenspannung des zellfreien Mediums aufgrund des Wachstums der Mikroben. Die Biotenside wurden durch LCMS, ¹H NMR und FT-IR extrahiert, charakterisiert und chemisch identifiziert. Schließlich wurde eine Mischung aus Biotensiden hergestellt, die von diesen Mikroben produziert wurde und zur Rückgewinnung des Restöls in einer simulierten Sandpackungssäule verwendet wurde.

Die vorliegende Studie veranschaulicht nur die Methoden, die mit dem Screening, der Identifizierung, der strukturellen Charakterisierung und der Anwendung der Biotensidkombination zur Verbesserung der Restölgewinnung verbunden sind. Es bietet keine detaillierte funktionelle Charakterisierung der Biotenside, die von den mikrobiellen Stämmen^15,16 produziert werden. Verschiedene Experimente wie die Bestimmung kritischer Mizellen, die thermogravimetrische Analyse, die Oberflächenbenetzbarkeit und die biologische Abbaubarkeit werden zur detaillierten funktionellen Charakterisierung jedes Biotensids durchgeführt. Da es sich bei diesem Papier jedoch um ein Methodenpapier handelt, liegt der Schwerpunkt auf dem Screening, der Identifizierung, der strukturellen Charakterisierung und der Anwendung der Biotensidkombination zur Verbesserung der Restölgewinnung. Diese Experimente wurden nicht in diese Studie einbezogen.

Protocol

1. Wachstum mikrobieller Stämme Wiegen Sie 2 g Luria Brühe Pulver und fügen Sie zu 50 ml destilliertes Wasser in einem 250 ml konischen Kolben hinzu. Mischen Sie den Inhalt, bis sich das Pulver vollständig auflöst und machen Sie das Volumen mit destilliertem Wasser auf 100 ml. Bereiten Sie in ähnlicher Weise zwei weitere Flaschen mit 100 ml Luria-Brühe vor und legen Sie Wattestopfen auf den Hals der Kolben. Decken Sie die Baumwollstopfen mit Aluminiumfolie ab und auto…

Representative Results

Drei Bakterienstämme (Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 und Paenibacillus sp. IITD108) wurden für die Produktion von Biotensiden durch verschiedene Assays untersucht, darunter Tropfenkollaps-Assay, Ölverdrängungsassay, Emulsionsindex-Assay und Oberflächenspannungsreduktion. Zellfreie Überstände aller drei Bakterienstämme und eine Lösung aus chemischem Tensid führten zu einem Tropfenkollaps und wurden daher positiv auf das Vorhandensein der Biotenside bewertet (<stro…

Discussion

Biotenside sind eine der vielseitigsten Gruppen biologisch aktiver Komponenten, die zu attraktiven Alternativen zu chemischen Tensiden werden. Sie haben eine breite Palette von Anwendungen in zahlreichen Branchen wie Waschmittel, Farben, Kosmetika, Lebensmittel, Pharmazeutika, Landwirtschaft, Erdöl und Wasseraufbereitung aufgrund ihrer besseren Benetzbarkeit, niedrigeren CMC, diversifizierte Struktur und Umweltfreundlichkeit¹⁸. Dies hat zu einem erhöhten Interesse an der Entdeckung von mehr mikr…

Materials

1 ml pipette	Eppendorf, Germany	G54412G
1H NMR	Bruker Avance AV-III type spectrometer,USA
20 ul pipette	Thermo scientific, USA	H69820
Autoclave	JAISBO, India	Ser no 5923	Jain Scientific
Blue flame burner	Rocker scientific, Taiwan	dragon 200
Butanol	GLR inovations, India	GLR09.022930
C18 column	Agilent Technologies, USA	770995-902
Centrifuge	Eppendorf, Germany	5810R
Chloroform	Merck, India	1.94506.2521
Chloroform-d	SRL, India	57034
Falcon tubes	Tarsons, India	546041	Radiation sterilized polypropylene
FT-IR	Thermo Fisher Scientific, USA	Nicolet iS50
Fume hood	Khera, India	47408	Customied
glacial acetic acid	Merck, India	1.93002
Glass beads	Merck, India	104014
Glass slides	Polar industrial Corporation, USA	Blue Star	75 mm * 25 mm
Glass wool	Merk, India	104086
Hydrochloric acid	Merck, India	1003170510
Incubator	Thermo Scientific, USA	MaxQ600	Shaking incubator
Incubator	Khera, India	Sunbim
Iodine resublimed	Merck, India	231-442-4	resublimed Granules
K12 –Kruss tensiometer	Kruss Scientific, Germany	K100
Laminar air flow cabnet	Thermo Scientific, China	1300 Series A2
LCMS	Agilent Technologies, USA	1260 Infinity II
Luria Broth	HIMEDIA, India	M575-500G	Powder
Methanol	Merck, India	107018
Ninhydrin	Titan Biotech Limited, India	1608
p- anisaldehyde	Sigma, USA	204-602-6
Petri plate	Tarsons, India	460090-90 MM	Radiation sterilized polypropylene
Saponin	Merck, India	232-462-6
Sodium chloride	Merck, India	231-598-3
Test tubes	Borosil, India	9800U06	Glass tubes
TLC plates	Merck, India	1055540007
Vortex	GeNei, India	2006114318
Water Bath	Julabo, India	SW21C