纤维素酶降解影响因素研究
2021-05-23
来源:易榕旅网
钻 ・采 工 艺 2010年9月 Sep.2010 104・ DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 纤维素磕降解影响因素研究 张敬辉 ,蓝 强 ,李公让 ,李海斌 ,薛玉志 (1中国石油大学化学与化工学院・华东2胜利石油管理局钻井工艺研究院) 张敬辉等.纤维素酶降解影响因素研究.钻采工艺,2010,33(5):104—107 摘要:针对当前对生物酶降解纤维素作用机理研究不足,文章通过DNS比色法,考察不同纤维素酶对纤维 素的降解过程,并考察了温度、pH值和表面活性剂等外界条件对生物酶降解性能的影响。研究发现,温度对纤维 素酶的活性的影响规律是先升高后降低的趋势,5O。C是纤维素酶活性最高的温度;pH升高对纤维素酶活性起着抑 制作用,pH:4的偏酸性环境最适合纤维素酶解。表面活性剂十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和Triton X一 100对纤维素酶的水解活性均有抑制作用。文章的结论将有助于指导纤维素酶的现场应用。 关键词:纤维素酶;温度;pH;表面活性剂;降解能力 中图分类号:TE 254 文献标识码:A DOI:10 3969/j.issn 1006—768X.2010.05.031 目前,基于天然高分子(如纤维素、淀粉、黄原 胶等)和合成高分子聚合物(如聚丙烯酰胺及其衍 生物)的新型钻井/完井液体系由于无毒,町生物降 解,且具有良好的润滑性能和低的滤失量,抑制性能 与油基钻井液接近,是目前国内外水平井钻井中普 遍采用的钻井液体系之一。但我国大多数油井的增 产效果并不明显,其中,地层损伤为水平井产能低的 一(DNS)在碱性条件下被还原糖还原为棕红色的3一 氨基一5一硝基水杨酸。在一定范围之内,还原糖的 量与棕红色物质颜色的深浅成正比关系,利用分光 光度计测定试样在520 nm下吸光度就可以计算出 溶液中还原糖的含量 。通过测定溶液中葡萄糖 浓度就可用检测出纤维素的降解程度,进而深入研 究生物酶降解纤维素的作用机理。 个主要原因,而高分子量的聚合物及其裂解产物 ,为消除 和滤饼是聚合物污染地层的主要形式 二、影响因素研究 纤维素酶是指能水解纤维素B一1,4葡萄糖苷 上述高分子钻井液对地层的伤害,需要把滤饼(富 集高分子)和高分子不完全裂解产物清除掉。常规 的方法是采用强酸或氧化剂,但这些方法都存在一 些不足。针对上述高分子的结构特点,人们已经开 始研究采用生物酶对高分子深度降解,从而达到消 键,使纤维素变成葡萄糖的一组酶的总称,它不是单 一酶,而是起协同作用的多组分酶系,包括葡聚糖内 (也称CB酶或纤维二糖酶)。根据协同理论学 切酶(EG)、葡聚糖外切酶(CBH)和B一葡萄糖苷酶 除钻井液对地层伤害,该技术已经显示出巨大的应 用前景 。但目前缺乏对生物酶的基础研究,笔 说 ,首先由葡聚糖内切酶(EG)在纤维素聚合物的 内部起作用,在纤维素的非结晶部位进行切割,产生 新的末端。然后再由葡聚糖外切酶(CBH)从非还 者通过DNS比色法研究了不同环境条件对纤维素 降解性能的影响,以期探讨纤维素酶的作用机理,进 而指导现场应用。 一原末端进行水解,生成纤维二糖,最后由B一葡萄糖 苷酶将纤维二糖水解为葡萄糖。对于内切一外切纤 维素酶协同效应的机制有人认为,所谓的协同效应, 其实酶的动力学参数并未发生改变,只是几个催化 顺序反应的酶组分混合后,后一个酶把前一个酶的 、实验方法 本研究选用DNS比色法来测定溶液中还原糖 的含量,从而确定纤维素在生物酶作用下的降解效 果,DNS比色法的基本原理是:3,5一二硝基水杨酸 收稿日期:2009—10—09;修回日期:2010—07—29 产物转化掉,去除了产物抑制或空间的阻碍效应,使 总反应速度提高的缘故。本文主要研究不同因素对 基金项目:国家重大项目“低渗油气田高效开发钻井技术”课题四“低渗油气田储层保护技术”(2008ZX05022一O04)部分成果。 作者简介:张敬辉(1976一),工程师,在读博士研究生,现在胜利石油管理局钻井工艺研究院油田化学研究所主要从事油田化学研究工 作。地址:(266555)山东省东营市北一路827号钻井工艺研究院化学所,电话:0546—8501l15,E—mail:slyhs@vIp_sina.corn 第33卷V0I.33 第5期 No.5 钻 采 工 艺 ・105・ DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 纤维素酶降解作用的影响。 1.pH值的影响 随后,考察了90%条件下的纤维素酶的温度效 应,结果如图2所示。从图2可以看出,各pH值下 纤维素酶具有一定的生物活性,在不同的pH 与温度下活性不同,对纤维素的水解具有相当大的 影响,笔者考察不同温度(50%、75℃、90%)、不同 pH(4、6、8)下纤维素酶对纤维素的降解效果。纤维 素酶采用中国石油大学生物研究中心提供的试剂级 纤维素酶A、纤维素酶B和工业级纤维素酶C。 在50℃下,纤维素A和纤维素B在pH:4和 纤维素酶解效果都有降低,其中pH=4的纤维素样 品还原糖浓度为2.0 mg/ml,pH=6纤维素样品还 原糖浓度为1.7 mg/ml,pH=8的纤维素样品降解 效果则为0.7 mg/ml。可以看出较高的pH值对纤 维素酶B降解效果有着明显的不利影响,pH=8的 纤维素体系达到平衡后,还原糖浓度仅为0.6 mg/ ml左右。与75cC下水解情况相比,pH=4和pH:6 的纤维素样品降解效果明显较差。 pH=6的纤维素样品降解效果相似,较高的pH值 对纤维素酶B降解效果有着明显的不利影响,还原 糖浓度在1.0~1.5 mg/ml之问。随后考察了纤维 素C的pH响应,实验温度50℃,酶浓度0.2%,离 子强度0.2 1TI,水浴反应。 ’- _阜 \ ※ 姆 一一 阜 \ 蛏 隧 时间/min 图2 90"C纤维素酶B的作用曲线 根据以上实验结果可以看出,纤维素酶在pH: 4的偏酸性条件下水解效果最好,在pH=8偏碱性 时间/min 环境中纤维素的酶活性受到一定的抑制作用,究其 原因可能有以下几点:①pH过高影响酶分子结构的 稳定性:纤维素酶化学本质是蛋白质,碱性过大会引 起蛋白质空间结构的改变,导致蛋白变性、酶活性丧 失等现象;②pH过高影响酶分子的解离状态:纤维 素酶酶分子中含有许多可解离的极性基团,其解离 程度受pH的影响。pH最终影响到整个酶分子的 图1 50 ̄C纤维素酶c的作用曲线 由图1结果可以看出,pH=4的体系最大还原 糖浓度达到了3.2 rag/ml左右,pH值为6和8的体 系还原糖浓度也分别达到2.5 me,/ml和0.7 mg/ml 左右,降解效果与试剂级纤维素酶A、纤维素酶B的 降解效果相差不大,pH=4的体系甚至较其稍高,由 此可以看出工业级的纤维素酶c对纤维素具有良 好的降解效果。 2.温度的影响 存在形式、带电数量、空问构象等。纤维素酶在一定 的解离状态时,才具有催化能力或表现最大的催化 能力;③影响纤维素酶活性基团的解离,使纤维素酶 不能与底物结合;④pH影响底物的解离状态:由于 固定纤维素浓度为2%,纤维素酶浓度为 0.2%,研究在75%纤维素的生物酶降解行为温度 对纤维素A和纤维素B的影响相似。在75%下,可 纤维素有离子特性,pH可能影响底物的解离状态, 或使底物不能和酶结合,或结合后不能生成产物,降 低其有效的酶解作用。 3.酶浓度的影响 固定纤维素浓度2%,于50cc测定分别含有 以明显看出pH值越高对纤维素酶降解不利的影响 越明显,pH=4和pH=6的纤维素样品在400 min 后达到平衡。此时,pH=8的纤维素样品还原糖浓 1%纤维素酶A和纤维素酶B的体系的水解情况, 其结果如图3和图4所示,对于pH=4的体系,纤 维素酶B和纤维素酶A的降解还原糖浓度都达到 了4.0 mr,/ml左右,相对于0.2%浓度的纤维素酶 的3.0 mg/ml降解效果来看有所提高。对于pH值 为6和8的纤维素体系,其还原糖浓度分别达到了 度仅为0.5 mg/ml,降解效果明显偏低,可以看出, 在温度为75℃的条件下,pH值对纤维素酶的影响 效果较明显。与50℃的酶解过程相比,在每个对应 的pH值下,还原糖浓度略有降低,说明温度升高 时,纤维素酶A和B的活性受到一定程度的抑制。 钻 ・采 工 艺 2010年9月 Sep.2010 106・ DRII LING&PR0DUCT10N TECHNOLOGY 3.5 mg/ml、3.2 mg/ml和1.5 mg/ml、1.2 mg/ml左 fⅢ 口I/巡蒜鞋CMC、2 CMC、5 CMC,并与空白试样对比,实验结果 2 2 6 2 4 2 2 0 右,相对于0.2%的纤维素体系增加效果并不明显, 考虑到成本的问题,高酶浓度显然是不可取的。 如图5所示。从图5结果可知,不加十二烷基硫酸 钠的空白样品酶解效果最好,表面活性剂浓度最大 的5 CMC体系酶解效果最差,0.5 CMC、1 CMC、2 CMC体系纤维素的酶解效果相差不大。由此可知, SDS对纤维素酶有着较强的抑制作用,且抑制作用 刍 、、 与SDS的浓度成正比关系。LAS、Triton X一100对 纤维素酶的影响规律与十二烷基硫酸钠相似,对纤 维素的酶解有抑制作用,且随着表面活性剂浓度的 搬 隧 时间/min 图3 50"C1%纤维素酶A的作用曲线 越 鞭 时间/min 图4 50"C1%纤维素酶B的作用曲线 5O l0o 150 200 250 300 350 400 450 时间/min 图5不同浓度十二烷基硫酸钠对纤维素酶 A水解纤维素的影响 4.表面活性剂的影响 为考察表面活性剂对纤维素酶解过程的影响, 根据以上实验结果,固定其它反应条件不变,确定纤 维素浓度为2%,纤维素酶C浓度为0.2%,在50℃ 下,pH=4,离子强度为0.2 m,考察不同浓度的表面 活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠 (LAS)、Triton X一100对纤维素酶A降解纤维素的 影响。以SDS为例,使用浓度分别为0.5 CMC、1 增加,抑制作用增强。 纤维素水解为葡萄糖的反应由一系列的酶来催 化。伴随着水解反应,纤维素酶也进行着不可逆的 转化过程,其原因就是纤维素对纤维素酶的部分不 可逆吸附。同时,根据酶促反应机理,纤维素酶催化 水解纤维素B—l,4糖苷键的先决条件需要酶与纤 维素底物相互接触形成复合物,才能进一步发生酶 解反应,即酶与纤维素底物生成酶与纤维素的复合 物,离子型表面活性剂或一定浓度下的非离子型表 面活性剂可能因其本身带有电荷或其他原因易于与 纤维素酶吸附结合,与底物形成竞争效应,导致纤维 素的降解效果降低。 三、结论与建议 (1)温度对纤维素酶的活性的影响规律是先升 高后降低的趋势,温度低于30c【=,酶的蛋白伸展受 到抑制;温度高于80cjC,蛋白开始发生变异。50℃ 是纤维素酶活性最高的温度。 (2)pH升高对纤维素酶活性起着抑制作用,pH =4的偏酸性环境最适合纤维素酶解,但pH低于2 后,由于酸性太强,反而抑制纤维素酶的伸展。 (3)活度不同的纤维素酶在pH=4、温度为 50℃的条件下差别不大,其他条件下稍有差别,工业 级纤维素酶与试剂级酶的活性相差不大。 (4)表面活性剂十二烷基硫酸钠、十二烷基苯 磺酸钠Triton X一100对纤维素酶的水解活性均有 抑制作用。 建议:进一步加强生物酶降解机理的研究,特别是针对 抗高温纤维素酶的研究 参考文献 [1]Siddiqui M A,Nasr—El—Din H A.Evaluation of Special Enzymes as a Means To Remove Formation Damage In— duced by Drill—in Fluids in Horizontal Gas Wells in Tight Reservoirs R】.2005,SPE 81455. 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(编辑:包丽屏) 盒 盒 客 盒盒盒盒 盒 客 盒 盒盒 套盒 客客 会客 客 (上接第103页) 三、结论 表3聚合醇对天然植物胶钻井液完井液体系性能的影响 (1)SMP—I比SMC更能提高体系的抗温能力。 序 温度 试验 AV PV YP FLAP1 (2)聚合醇比SMP—I和SMC更能提高天然 号 /℃ 条件 /mPa・S /mPa・S ,Pa /ml pH 植物胶钻井液完井液体系抗温能力,且SMP—I为 1 105 老化前 40.00 17.00 24.00 7.O0 褐黄色,SMC为黑色,而天然植物胶钻井液完井液 老化后 22.00 19.0O 3.10 — 体系是白色环保色,与体系颜色不配伍,所以这两种 2 110 老化前 49.00 17.00 33.00 6.0HD 处理剂不适合于本体系。 老化后 5.5O 5.00 5.50 一 (3)聚合醇无色、毒性低,可生物降解、环保等 115 老化前 62.5O 26.00 37.3O 6.2O 9 特点符合天然植物胶钻井液完井液体系特点。 3 老化后 64.50 40.O0 25.04 5.20 9 (4)聚合醇对天然植物胶钻井液完井液体系具 120 老化后 32.50 31.00 1.53 5.60 9 4 110 老化前 52.5O 33.00 19.92 6.00 9 有一定的降滤失作用且能提高天然植物胶钻井液完 老化后 46.50 27.00 19.92 5.60 9 井液体系得抗温能力,但是效果最好的是聚乙二醇。 老化前 65.00 35.00 30.66 5.60 9 (5)加入聚乙二醇,体系pH值等于9,有利于 120 5 老化后 42.oo 3O.0() l2.26 5.20 9 控制高温分散,防止高温凝胶和高温固化现象的 125 老化后 40.00 27.00 12.78 4.50 9 发生。 110 老化前 59.00 28.00 31.68 7.60 9 6 老化后 51.0o 31.00 19.93 4.80 9 参考文献 115 老化后 60.oo 37.00 23.51 4.80 9 孙达旺.植物单宁化学[M].中国林业出版社,2000: 12O 老化后 25.00 20.00 5.11 4.80 9 1—4. 120 老化前 49.00 29.00 20.40 7.20 9 Physical chemistry of colloids and interfaces in oil produc— 7 老化后 38.50 28.00 10.70 5.60 9 tion.Paris(1991):197—202. 125 老化后 44.50 34.O0 10.70 4.60 9 许和允,田瑞亭,陈艳丽.磺甲基酚醛树脂的合成研究 130 老化后 30.50 2O.00 1O.7O 4.50 9 [J].山东化工,2002,31(2),7—9. 注:1 :天然植物胶钻井液完井液体系+1%聚合醇(JHX);2 : 鄢捷年.钻井液工艺学[M].石油大学出版社,2001,5 天然植物胶钻井液完井液体系+1%JLX一“一B;3 :天然植物胶钻 (1):228—229. 井液完井液体系+1%聚合醇(FJ一03);4 :低固相天然植物胶钻井 杨凯旋,陈志光,黄伟琴.钻井液用磺化褐煤标准浅析, 液完井液体系+2%聚合醇(FJ一03);5 :天然植物胶钻井液完井液 石油工业技术监督[J].2003,19(5):29. 体系2+3%聚合醇(FJ一03);6 :天然植物胶钻井液完井液体系 Raza Khan M S,Shama K C,Anilkumuar B S and Gupta +2%聚乙二醇;7 :天然植物胶钻井液完井液体系+4%聚乙 A K.Polyol Drilling Fluid:A Novel Solution To Curb Re— 二醇 curring Drilling and Completion Problems in Mature Sob- hasan Field『J]. 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