Recuperação aprimorada do óleo usando uma combinação de biosurfactantes

Summary

Ilustramos os métodos envolvidos na triagem e identificação dos micróbios produtores biosurfactantes. Também são apresentados métodos de caracterização cromatografia e identificação química dos biosurfactantes, determinando a aplicabilidade industrial do biosurfactante no aprimoramento da recuperação residual do óleo.

Abstract

Biosurfactantes são compostos ativos na superfície capazes de reduzir a tensão superficial entre duas fases de diferentes polaridades. Os biosurfactantes vêm surgindo como alternativas promissoras aos surfactantes químicos devido à menor toxicidade, alta biodegradabilidade, compatibilidade ambiental e tolerância a condições ambientais extremas. Aqui, ilustramos os métodos utilizados para a triagem de micróbios capazes de produzir biosurfactantes. Os micróbios produtores de biosurfactantes foram identificados usando o colapso da queda, a propagação do óleo e os ensaios do índice de emulsão. A produção biosufactante foi validada determinando a redução da tensão superficial da mídia devido ao crescimento dos membros microbianos. Descrevemos também os métodos envolvidos na caracterização e identificação de biosurfactantes. A cromatografia de camada fina do biosurfactante extraído seguido de coloração diferencial das placas foi realizada para determinar a natureza do biosurfactante. LCMS, ¹H NMR e FT-IR foram utilizados para identificar quimicamente o biosurfactante. Ilustramos ainda os métodos para avaliar a aplicação da combinação de biosurfactantes produzidos para melhorar a recuperação residual do óleo em uma coluna simulada de embalagem de areia.

Introduction

Biosurfactantes são as moléculas anfípáticas de superfície ativa produzidas por microrganismos que têm a capacidade de reduzir a superfície e a tensão interfacial entre duas fases¹. Um biosurfactante típico contém uma parte hidrofílica que é geralmente composta de uma moiety de açúcar ou uma cadeia de peptídeos ou aminoácidos hidrofílicos e uma parte hidrofóbica que é composta de uma cadeia de ácidos graxos saturados ou insaturados². Devido à sua natureza anfípppica, os biosurfactantes se reúnem na interface entre as duas fases e reduzem a tensão interfacial no limite, o que facilita a dispersão de uma fase para a outra ^1,3. Vários tipos de biosurfactantes que foram relatados até agora incluem glicolipídios nos quais os carboidratos estão ligados a ácidos alifáticos de cadeia longa ou hidroxia-alifáticos através de ligações éster (por exemplo, rhamnolipids, trehalolipids e sophorolipids), lipopeptides nos quais lipoides são ligados a cadeias de polipeptídeos (por exemplo, surfactina e lichenysina), e biosurfactantes poliméricas que são geralmente compostos de complexos de proteínas polissacarídeos (por exemplo, emulsano, liposano, alasan e lipomannan)⁴. Outros tipos de biosurfactantes produzidos pelos microrganismos incluem ácidos graxos, fosfolipídios, lipídios neutros e biosurfactantes^{de partículas 5}. A classe mais estudada de biosurfactídeos é a glicoslipids e entre eles a maioria dos estudos foram relatados sobre rhamnolipids⁶. Os rhamnolipids contêm uma ou duas moléculas de rhamnose (que formam a parte hidrofílica) ligadas a uma ou duas moléculas de ácido graxo de cadeia longa (geralmente ácido hidroxi-decanoico). Rhamnolipids são glicolipídios primários relatados primeiro de Pseudomonas aeruginosa⁷.

Os biosurfactantes têm ganhado cada vez mais foco em comparação com suas contrapartes químicas devido a várias propriedades únicas e distintas que oferecem⁸. Estes incluem maior especificidade, menor toxicidade, maior diversidade, facilidade de preparação, maior biodegradabilidade, melhor espuma, compatibilidade ambiental e atividade em condições extremas⁹. A diversidade estrutural dos biosurfactantes (Figura S1) é outra vantagem que lhes dá uma vantagem sobre as contrapartes químicas¹⁰. Eles são geralmente mais eficazes e eficientes em concentrações mais baixas, pois sua concentração crítica de micelas (CMC) é geralmente várias vezes menor do que os surfactantes químicos¹¹. Eles têm sido relatados como altamente termostáveis (até 100 °C) e podem tolerar maior pH (até 9) e altas concentrações de sal (até 50 g/L)¹² , assim, oferecem várias vantagens em processos industriais, que requerem exposição a condições extremas¹³. A biodegradabilidade e a menor toxicidade as tornam adequadas para aplicações ambientais, como a bioremediação. Devido às vantagens que oferecem, eles têm recebido maior atenção em várias indústrias como alimentos, agrícolas, detergentes, cosméticos e indústria petrolífera¹¹. Os biosurfactantes também ganharam muita atenção na remediação do óleo para a remoção de contaminantes de petróleo e poluentes tóxicos¹⁴.

Aqui relatamos a produção, caracterização e aplicação de biosurfactantes produzidos por Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 e Paenibacillus sp. IITD108. As etapas envolvidas na triagem, caracterização e aplicação de uma combinação de biosurfactantes para maior recuperação do óleo estão descritas na Figura 1.

Figura 1: Um método para maior recuperação do óleo usando uma combinação de Biosurfactantes. O fluxo de trabalho stepwise é mostrado. O trabalho foi realizado em quatro etapas. Primeiro, as cepas microbianas foram cultivadas e rastreadas para a produção de biosurfactantes por vários ensaios, que incluíram ensaio de colapso de queda, ensaio de espalhamento de óleo, ensaio de índice de emulsão e medição de tensão superficial. Em seguida, os biosurfactantes foram extraídos do caldo livre de células e sua natureza foi identificada por meio de cromatografia de camada fina e foram ainda identificadas usando LCMS, NMR e FT-IR. Na etapa seguinte, os biosurfactantes extraídos foram misturados e o potencial da mistura resultante para maior recuperação do óleo foi determinado utilizando-se a técnica da coluna de blocos de areia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A triagem dessas cepas microbianas para produzir biosurfactantes foi feita pelo colapso da queda, propagação do óleo, ensaio do índice de emulsão e determinação de redução da tensão superficial do meio livre de células devido ao crescimento dos micróbios. Os biosurfactantes foram extraídos, caracterizados e quimicamente identificados por LCMS, ¹H NMR e FT-IR. Finalmente, foi preparada uma mistura de biosurfactantes produzidos por esses micróbios e utilizada para recuperar o óleo residual em uma coluna simulada de embalagem de areia.

O presente estudo ilustra apenas os métodos envolvidos na triagem, identificação, caracterização estrutural e aplicação da combinação biosurfactante no aprimoramento da recuperação residual do óleo. Não fornece uma caracterização funcional detalhada dos biosurfactantes produzidos pelas cepas microbianas^15,16. Vários experimentos como determinação crítica de micela, análise termogravimétrica, capacidade de wettability superficial e biodegradabilidade são realizados para caracterização funcional detalhada de qualquer biosurfactante. Mas como este artigo é um artigo de métodos, o foco é a triagem, identificação, caracterização estrutural e aplicação da combinação biosurfactante no aprimoramento da recuperação residual do óleo; esses experimentos não foram incluídos neste estudo.

Protocol

1. Crescimento de cepas microbianas Pese 2 g de pó de Caldo de Luria e adicione a 50 mL de água destilada em um frasco cônico de 250 mL. Misture o conteúdo até que o pó se dissolva completamente e coma o volume de 100 mL usando água destilada. Da mesma forma, prepare mais dois frascos de 100 mL de Caldo de Luria e coloque tampões de algodão no pescoço dos frascos. Cubra os plugues de algodão com papel alumínio e autoclave os frascos por 15 min a 121 °C e 15 psi …

Representative Results

Três cepas bacterianas (Rhodococcus sp. IITD102, Lysinibacillus sp. IITD104 e Paenibacillus sp. IITD108) foram rastreadas para a produção de biosurfactantes por vários ensaios, que incluíram ensaio de colapso de queda, ensaio de deslocamento de óleo, ensaio do índice de emulsão e redução da tensão superficial. Supernantes livres de células de todas as três cepas bacterianas e uma solução de surfactante químico resultaram em um colapso de queda e, portanto, foram pontuados positi…

Discussion

Os biosurfactantes são um dos mais versáteis grupos de componentes biologicamente ativos que estão se tornando alternativas atraentes para surfactantes químicos. Eles têm uma ampla gama de aplicações em inúmeras indústrias, como detergentes, tintas, cosméticos, alimentos, produtos farmacêuticos, agricultura, petróleo e tratamento de água devido à sua melhor capacidade de lintibilidade, menor CMC, estrutura diversificada e simpatia ambiental¹⁸. Isso levou a um maior interesse em desco…

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