《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Prospects and challenges regarding biosurfactants in advancing the petroleum industry
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这篇综述系统阐述了生物表面活性剂（Biosurfactants）在应对石油工业面临的生产、可持续性及环境挑战方面的巨大潜力。文章详细分析了其分类、特性（如低临界胶束浓度/CMC、乳化/破乳能力、耐极端温度/pH、生物降解性）以及在微生物提高原油采收率（MEOR）、防腐、重油输送和环境修复（如治理硫酸盐还原菌/SRB）等领域的应用，同时指出了当前商业化进程中的高成本、低产率等瓶颈，并展望了通过利用可再生基质、优化发酵工艺、结合人工智能（AI）和纳米技术等策略推动其未来发展的前景。
生物表面活性剂在石油工业中的关键特性与应用
引言
随着全球人口增长，石油工业正经历能源需求的指数级增长，同时也面临着生产、运营、可持续性、气候变化和广泛环境影响的诸多问题。传统上，工业依赖合成表面活性剂来应对这些挑战。然而，由于合成表面活性剂的毒性、不可生物降解性及潜在的生态渗透问题，工业界正日益转向天然表面活性剂——生物表面活性剂。这类由微生物产生的两亲性生物分子，被证明是能够现代化石油工业并缓解其挑战的多功能、稳定且有价值的生化工具，同时促进可持续性。
生物表面活性剂概述
生物表面活性剂主要由好氧微生物在含有碳水化合物、烃类或脂肪作为碳源的水介质中合成。其独特的结构使其能够调节界面张力（IFT）。生产生物表面活性剂的微生物种类繁多，包括假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、念珠菌属（Candida）等。
影响产量的关键因素包括碳源（如烃类、糖蜜、废油）、氮源以及碳氮比（C/N）。优化这些因素，特别是利用低价值的农工业废物流作为主要碳氮源，可以实现高产量，同时解决废物增值问题，显著降低原材料成本。
生物表面活性剂可根据其分子量分为低分子量（如糖脂、脂肽）和高分子量（如聚合物和颗粒表面活性剂）两大类。其关键特性使其在石油化工行业中极具价值：
临界胶束浓度（CMC）：生物表面活性剂通常比化学表面活性剂具有更低的CMC值，意味着在更低浓度下即可有效形成胶束，降低表面张力和界面张力。
乳化与破乳：它们能创建油水稳定混合物（乳化），也能高效破坏油水乳液（破乳）。例如，假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和球拟酵母菌（Candida sphaerica）产生的生物表面活性剂能有效破乳。现场试验表明，二鼠李糖脂发酵液在50°C下可实现99%的破乳率。
耐极端温度和pH：得益于稳定的分子结构，生物表面活性剂在-20°C至200°C的温度范围和pH 2至12的范围内能保持稳定性和活性。
生物降解性：其天然的分子结构可被微生物代谢，例如乳化聚台酶能通过切割多糖骨架使乳液失活，从而减少环境影响。
分散性：作为天然分散剂，它们能抑制颗粒聚集，解吸岩石表面的疏水性有机原油化合物，有助于提高原油采收率（EOR）。
石油工业中的核心应用
微生物提高原油采收率（MEOR）
初级和二次采油后，仍有超过65%的原油因毛细管力和界面张力而滞留油藏。提高原油采收率（EOR）技术通过降低IFT、改变储层润湿性来动员碳氢化合物。生物表面活性剂介导的MEOR作为一种经济高效且环保的替代方案，主要通过三种策略实现：体外生产的生物表面活性剂注入油藏；将特定选育的产表面活性剂微生物注入油藏；或施用营养物刺激其体内生产。机理包括降低油岩界面张力、改善多孔介质润湿性以及诱导原油乳化。研究表明，鼠李糖脂与控制盐度盐水共同注入，在70°C下可实现93.10%的原油采收率。现场试验中，营养液注入使日产量从1.2立方米/天提升至4.1立方米/天，增幅超过200%。
防腐活性
腐蚀是石油工业的一个主要问题，每年全球成本超过600亿美元。生物表面活性剂通过降低表面张力、在金属表面形成保护膜、螯合金属离子以及展现抗菌和抗生物膜活性来防止腐蚀。例如，芽孢杆菌属（Bacillus sp.）产生的生物表面活性剂能将碳钢ST 37的腐蚀速率从5.18 × 10?5mm/年降低至2.7 × 10?5mm/年。假单胞菌属（Pseudomonas spp.）的生物表面活性剂对腐蚀的抑制率高达87%。氨基酸基表面活性剂对铜的腐蚀抑制效率可达88%。
增强原油管道输送
随着轻质和中质原油资源的减少，重质原油和沥青的开采日益重要，但其高粘度（粘度可达≤106mPa·s）给管道输送带来挑战。生物表面活性剂能有效降低粘度，辅助乳化，改善管输性。例如，乙酸钙不动杆菌（Acinetobacter calcoaceticus）PTCC1318产生的乳化素生物表面活性剂在25°C下实现了98%的管道原油清除率。哈莫尼菌属（Halomonas xianhensis）菌株B2产生的生物表面活性剂显著降低了原油的倾点。
环境修复
石油工业每年产生约26万吨废物，包括采出水、污泥和受污染设备。生物表面活性剂在环境修复中应用广泛：
海洋环境修复：像假单胞菌CCT6659产生的生物表面活性剂能分散海水中96%的油污，并将石油生物降解率提高70%，同时对植物和水生物种毒性低。
污染土壤修复：生物表面活性剂通过增溶污染物、形成胶束和增强酶活性来促进微生物降解。例如，芽孢杆菌 consortium 在15天内将碳氢化合物减少43%，而假单胞菌CCT6659在35-60天内实现了95%的降解率。土壤洗涤技术结合生物表面活性剂和水，可去除高达87%的石油产品。
抗硫酸盐还原菌（SRB）的杀菌活性
SRB是导致油田酸化和微生物诱导腐蚀的主要因素，产生H2S。生物表面活性剂，特别是脂肽，能破坏SRB的细胞膜和细胞壁，抑制生物膜形成。地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）产生的生物表面活性剂在1%浓度下能显著抑制SRB生长，并刺激16.6%的原油采收率。
市场趋势、挑战与优化策略
市场与商业化挑战
全球生物表面活性剂市场在2023年价值44.1亿美元，预计到2032年将增长至约67.1亿美元，年复合增长率（CAGR）为5.4%。欧洲是最大的市场。然而，高昂的生产成本（生物表面活性剂成本约为5-20美元/公斤，而合成表面活性剂约为2美元/公斤）、复杂的下游处理以及在某些条件下有效性有限是主要商业化障碍。
优化与未来发展策略
可持续和可再生基质：利用农工业废弃物（如糖蜜、废油）作为低成本碳氮源，可以显著降低生产成本，同时促进循环生物经济。
发酵工艺的作用： submerged fermentation (SmF) 和 solid-state fermentation (SSF) 是主要生产方式。SSF在克服SmF的泡沫问题、降低能耗和利用廉价基质方面更具优势，研究表明SSF下的生物表面活性剂产量可达SmF的3.5倍。
先进的下游处理：膜基分离技术，如超滤（Ultrafiltration）和纳滤（Nanofiltration），相比传统的酸沉淀、溶剂萃取等方法，在生物表面活性剂的回收和纯化方面更高效、可持续。超滤使用聚醚砜（PES）膜或陶瓷膜，可实现高达95%的回收率。
遗传与代谢工程策略：通过基因工程（如异源表达）可以绕过病原体风险（如将鼠李糖脂合成基因转入大肠杆菌E. coli），优化碳利用，并提高产量。例如，过表达关键基因可使鼠李糖脂产量提高4.5倍。
纳米颗粒辅助配方：将生物表面活性剂与纳米颗粒（如铁氧化物纳米颗粒）结合，可形成混合系统，在生物修复和EOR中表现出更高的稳定性、效率和可回收性。例如，生物表面活性剂-纳米颗粒组合可使烃类生物降解率达到90%以上，并将油水IFT降低90%，从而显著提高原油采收率。
人工智能（AI）的整合：人工智能（AI）、人工神经网络（ANN）、深度学习（DL）和数字孪生（Digital Twins）等技术可用于优化培养基组成、发酵参数和预测规模化生产条件，从而有效提高生物表面活性剂的产量。例如，ANN和遗传算法建模已将生物表面活性剂产量提高了70%。
未来展望与结论
生物表面活性剂在石油工业中展示出巨大的应用前景，但其全面商业化仍需克服成本、产量和规模化等挑战。未来需要通过持续研发、工业合作和技术创新，特别是利用废弃物、优化发酵与下游工艺、应用基因工程和人工智能等策略，来释放其全部潜力，为石油工业的可持续发展提供强大支持。政府的财政激励、税收优惠和简化监管流程也将加速其市场应用。
