生物表面活性剂分子动力学模拟与现场验证：低温水包重油乳状液破乳新策略

为解决重油乳状液(W/O)破乳能耗高、环境负担大的问题，研究人员系统筛选了27株生物表面活性剂产生菌，发现假单胞菌(Pseudomonas)产鼠李糖脂(RLs)中二鼠李糖脂(di-Rha)破乳效率最优。通过分子动力学(MD)模拟揭示其与树脂强相互作用机制，现场试验证实其50°C低温下破乳率达99%，降低能耗15.14%并实现15万吨废水回收。该研究为生物破乳剂结构-功能设计提供新范式，推动重油绿色加工。

　　

随着常规油气资源枯竭，全球对API^o
<22的重油依赖加剧。中国重油储量达3.714×10¹⁰
吨，但其高粘度特性导致开采过程中形成顽固的水包油(W/O)乳状液。这类乳状液因沥青质(asphaltenes)和树脂(resins)形成的刚性界面膜而异常稳定，传统破乳需依赖高温(>80°C)和化学药剂，不仅能耗巨大，还存在环境污染风险。现有聚醚类破乳剂在复杂流体中效率低下，而生物破乳剂虽环保却面临作用机制不明、工业适用性差等瓶颈。

中国石油勘探开发研究院团队在《Fuel》发表的研究，通过整合微生物筛选、分子模拟与现场验证，开发出低温高效生物破乳方案。研究首先从27株表面张力<40 mN/m的菌株中优选假单胞菌产鼠李糖脂(rhamnolipids)，利用HPLC-MS鉴定出单鼠李糖脂(Rha-C_10:1
-C_10:2
)和双鼠李糖脂(Rha-Rha-C₁₀
-C₁₀
)两类同系物。通过分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟结合现场试验，揭示了二鼠李糖脂(di-rhamnolipid)通过增强氢键作用破坏树脂-沥青质网络的分子机制。

关键技术方法
研究采用四组分分析法(SARA)测定重油组成(饱和烃38.74%、芳香烃20.44%、树脂33.96%、沥青质6.85%)，构建人工W/O乳状液模型。通过界面张力仪和光学显微镜评估破乳效率，结合MM-PBSA方法计算结合自由能。现场试验在50°C条件下测试发酵液破乳性能，对比传统聚醚剂进行全生命周期成本分析。

W/O emulsion preparation
SARA分析显示该重油树脂含量(33.96%)远超中国典型原油(<20%)，导致粘度达13,357 mPa·s。二鼠李糖脂通过Rha-Rha极性头与树脂形成稳定氢键(结合自由能-28.6 kcal/mol)，比单鼠李糖脂作用强1.8倍，有效瓦解界面膜。

Molecular dynamics insights
模拟显示二鼠李糖脂的雙糖结构可同时结合树脂的羧基和沥青质π-π堆叠体系，产生12.7%更低的界面屈服应力，促使水滴聚并。

Field validation
现场应用证实二鼠李糖脂发酵液在50°C实现99%破乳率，较传统工艺节能15.14%，年成本降低31.31%，并回收15万吨采出水。

讨论与结论
该研究首次建立生物破乳剂"结构-功能-应用"全链条设计框架：①发现二鼠李糖脂双糖结构对树脂的特异性识别；②阐明氢键介导的界面膜破坏机制；③实现工业化应用的经济环境双收益。相比传统聚醚剂，生物破乳剂在全生命周期可减少CO₂
排放23.7吨/千吨原油。研究突破生物破乳剂实验室研发与产业应用的鸿沟，为重油绿色开发提供关键技术支撑，相关成果已应用于中国渤海湾油田。