CN102822311A - 用于分散生物质群体的机械装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了破碎生物质聚集体的生物质分散系统和方法。设计该系统以避免细胞损害和细胞活力丧失，同时分散生物质聚集体以应用于其中生物质聚集体可能引起运行问题的情况。使用所述公开系统获得的分散的生物质悬浮液在将生物质注入地下井期间不会堵塞所述油井。

Description

用于分散生物质群体的机械装置
发明领域
本公开涉及环境微生物学领域。具体地讲，它涉及用于产生细分散的基本上存活的生物质悬浮液的生物质分散装置。更具体地讲，本公开的价值在于制备基本上存活的分散生物质以接种油井用于微生物强化采油和生物整治。
发明背景
微生物强化采油(MEOR)是使用微生物强化采油的方法(Brown，L.R.，Vadie，A.A.，Stephen，O.J.SPE 59306，SPE/DOE Improved OilRecovery Symposium，Oklahoma，2000年4月3-5日)。MEOR研究和开发持续地致力于开发使用微生物改变原油特性以利于采油的技术(Sunde，E.，Beeder，J.，Nilsen，R.K.Torsvik，T.，SPE 24204，SPE/DOE8th Symposium on enhanced Oil Recovery，Tulsa，OK，USA，1992年4月22-24)。
在生产所需的生物质及其贮藏后MEOR应用中的其中一个挑战是产生高活性的生物质群体以提供MEOR活性。微生物生物质可以悬浮液形式在室温或冷藏条件下贮藏短时间或者以冷冻(WO2001/005941)或冻干形式贮藏更长的时间(美国专利公开3,261,761和Rudge，R.H.，Maintenance of Bacteria by freeze-drying，In：Maintenance ofMicroorganisms and Cultured Cells.A Manual of Laboratory Methods，第2版，第31-44页，编辑：Kirsop，B.E.和Doyle，A.，Academic Press，London)。可将生物质以浓缩(细胞浆料)或悬浮在含有或不含化学添加剂的多种类型缓冲液中的稀释形式长期或短期贮藏。贮藏的生物质常发生形态学或功能上的改变(Sharma，S.等人，Appl.Environ.Microbiol.，72：2148-2154，2006)。此类生物质通常较难以重悬，这部分地由于用于保持其在贮藏期间的活性的化学添加剂(WO2001/005941)，部分地由于发生在贮藏、冷冻和解冻后细胞中的变化。例如，细胞群可聚集成凝胶状的块状物，其难以重悬并且可能堵塞流体处理系统。一些细胞可能溶解并释放DNA，形成糊状的和粘稠的块状物(Sharma，S.，同上)。
最常见地，将重悬贮藏生物质用于其他应用并且重悬生物质通常必须是分散良好的。这一点是尤其重要的：生物质旨在用于MEOR用途以避免它在注入油井后堵塞油井。此外，重悬的生物质应保持其初始活力以用于最佳的MEOR方法。用于生物质重悬的最常见方法是在液体介质中轻柔混合或振荡所述生物质。虽然轻柔混合保持细胞活力，它不能够产生无多个聚集体的分散良好的生物质。在轻柔混合后施用附加的过滤以除去生物质聚集体通常导致生物质损失并且运行昂贵，因为需要频繁的清洁过滤器。
然而制备分散的生物质需要在悬浮流体中高速高剪切地混合生物质，这破坏所述生物质并导致细胞溶解和活力损失。例如，常用于液体中多种颗粒的均匀分散的高压均化技术对生物质来说过于激烈并导致细胞溶解。实际上这种方法常用于破坏细胞以释放细胞质内容物(Donsi，F.等人，Chem.Eng.Sci.，64：520-532，2009和Anand，H.等人，Biochem.Eng.J.，35：166-173，2007)。
利用膜过滤器的切向流(也称为错流)过滤常用于从生物质悬浮液中除去水和盐溶液。在这些方法中保留了完整细胞，而仅有亚微米颗粒和溶液通过所述过滤介质。因此，这个系统允许收集生物质但是对将生物质聚集体破碎成包含单个细胞的较细颗粒无用。施用多种类型的膜分离生物质聚集体常导致膜被这些聚集体迅速堵塞或污染(Aryal，R.等人，Sep.Pur.Technol.，67：86-94，2009)。
美国专利7,455,784和美国专利5,015,397描述了在设备中施用楔形丝网和切向流从大体积工业流体中和在制造过程期间分离固体和液体。
WO2007028149提出通过在主流反应器中混合废水与包含生物质的淤渣形成混合液以从低产量废水处理方法中移除惰性固体。包含楔形丝网过滤器元件的筛网装置移除10微米至6,000微米大小的惰性颗粒。然后将混合液分成清澈的流出物和活化的淤渣。
上述方法用于解决垃圾处理中的固体问题，但是解决不了产生的应用于环境的细分散的基本上存活的生物质悬浮液问题。
拟解决的问题是开发一种装置和方法以分散聚集的生物质颗粒并产生细分散的生物质悬浮液，同时保留生物质活性。在细分散的基本上存活的生物质悬浮液中缺少大的聚集体防止将生物质注入井后堵塞井所在位点并因此不破坏MEOR或生物整治应用。
发明概述
本公开提供了上述问题的解决方案。本文公开了将包括生物质分散装置的生物质分散系统应用于轻柔破坏生物质聚集体并产生细分散的存活的生物质悬浮液的装置和方法。
在一个实施方案中，使用穿过过滤器元件的切向流，使含有包含聚集体的生物质的溶液与包括过滤器元件的生物质分散装置接触。在进料流中的较大聚集体或者不受影响地越过所述过滤器元件或者在透过物流中被磨成较小的聚集体。包含较大颗粒的保留物流回用于再加工的罐中。因此，在保留物中的大聚集体内包含的有价值生物质被保留下来并循环通过所述系统用于附加轮的分散。因此保留了所有生物质直到成功地分散它们。包含细分散的存活单个细胞和/或小生物质聚集体的透过物通过实施过滤器元件。相对高的切向流量洗涤所述过滤器元件并防止它结合任何生物质聚集体，因此不需要频繁地清洁所述过滤器元件。
因此，本发明提供了用于将存活的生物质群体递送到目标位点的方法，其包括：
a)提供悬浮在介质中并包含在生物质分散系统中的生物质群体；
b)使(a)的生物质群体流过生物质分散装置，从而产生细分散的存活的生物质群体；以及
c)将(b)的细分散的存活的生物质群体施用到目标位点。
在另一个实施方案中，本发明提供了用于产生细分散的存活的生物质的生物质分散系统，其包括：
a)悬浮在介质中并包含在罐中的生物质群体；
b)生物质分散装置；和
c)注入装置；
其中所述生物质分散装置通过管道装置与所述注入装置相连。
在另一个实施方案中，本发明提供了制备基本上存活的生物质群体分散体的方法，其包括：使用切向流使生物质群体以进料流形式流过楔形丝网装置，以产生包含基本上存活的生物质群体分散体的透过物流。
在另一个实施方案中，本发明提供了用于从油井位点中强化采油的方法，其包括：
a)提供包括悬浮在介质中的生物质群体的生物质分散系统；
b)使(a)的生物质群体流过生物质分散装置，从而产生细分散的存活的生物质群体；以及
c)将(b)的细分散的基本上存活的生物质群体注入油井位点；其中所述细分散的基本上存活的生物质群体有效地从所述油井位点释放油；并且其中
1)所述生物质分散系统包括罐、管道、泵、生物质分散装置和节流阀；并且其中
2)所述生物质分散装置包括包含在壳体中的楔形丝网过滤器元件；并且其中
3)所述生物质群体包含选自下列的微生物：丛毛单胞菌属、梭形杆菌属、海细菌属、石袍菌属、假单胞菌属、弧菌属、石袍菌属、索氏菌属、希瓦氏菌属、肠杆菌属和微球茎菌属。
在另一个实施方案中，本发明提供了用于整治环境位点的方法，其包括：
a)提供包括悬浮在介质中的生物质群体的生物质分散系统；
b)使(a)的生物质群体流过生物质分散装置，从而产生细分散的基本上存活的生物质群体；以及
c)将(b)的细分散的基本上存活的生物质群体施用到环境位点；其中所述细分散的基本上存活的生物质群体有效地整治所述环境位点；并且其中
1)所述生物质分散系统包括罐、管道、泵、生物质分散装置和节流阀；并且其中
2)所述生物质分散装置包括包含在壳体中的楔形丝网过滤器元件；并且其中
3)所述生物质群体包含选自下列的微生物：丛毛单胞菌属、梭形杆菌属、海细菌属、石袍菌属、假单胞菌属、弧菌属、石袍菌属、索氏菌属、希瓦氏菌属、肠杆菌属和微球茎菌属。
附图概述
图1描绘了典型的油田注入井的立式部分。
图2示出了生物质分散装置内的设计和流体流路径的第一视图。
图3示出了生物质分散装置内的设计和流体流路径的第二视图。
图4示出了楔形丝网过滤器元件的部分。
图5是示出如下的生物质分散系统的多个元件的流程图。
图6是紧接着在重悬浮溶液中的冷冻生物质块解冻后的生物质粒度分布的示意图。
图7是在流过所述生物质分散装置后的透过物的粒度分布示意图。
发明详述
本公开涉及包括生物质分散装置的生物质分散系统，使用切向流使所述生物质分散装置经过过滤器元件以提供来自贮藏聚集生物质的细分散的基本上存活的生物质悬浮液，随后该悬浮液施用于目标位点，例如接种到油井位点用于MEOR和生物整治。
可使用下列定义阐释权利要求和说明书：
如本文所用，术语“包括”(comprises，comprising，includes，including)、“包含”(comprises，comprising)、“具有”(has，having)、“含有”(contains，containing)、或其任何其它变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包含一系列元素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些元素，而可以包括其他未明确列出的元素，或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备固有的元素。此外，除非另有相反的说明，“或”是指包含性的或而不是指排他性的或。例如，下列任何一种情况均满足条件A或B：A是真实的(或存在的)且B是虚假的(或不存在的)，A是虚假的(或不存在的)且B是真实的(或存在的)，以及A和B都是真实的(或存在的)。
同样，涉及元素或组分例证(即出现)次数的位于本发明元素或组分前的不定冠词“一个”或“一种”旨在是非限制性的。因此，应将“一个”或“一种”理解为包括一个或至少一个，并且元素或组分的词语单数形式也包括复数形式，除非有数字明显表示单数。
如本文所用，术语“发明”或“本发明”是非限制性术语，并且不旨在意指本发明的任何单独实施方案，而是涵盖如本说明书和权利要求所述的所有可能的实施方案。
如本文所用，用术语“约”修饰本发明的成分或反应物的数量时是指数值量的变化，它们可能发生在，例如，典型的测量和用于制备浓缩液或实际使用溶液的液体处理程序中；这些程序中的偶然误差中；制造、来源、或用于制备组合物或实施方法的成分的纯度的差异中；等。术语“约”还包括由于相对于由特定起始混合物所得组合物的不同平衡条件而不同的量。无论是否通过术语“约”来修饰，权利要求包括量的等同量。在一个实施方案中，术语“约”指在报告数值10％范围内，优选地在报告数值5％范围内。
术语“生物质”或“生物质群体”本文互换使用并且指一种或多种微生物群体。通常此类微生物用于MEOR方法或用于生物整治。在某些情况下所述生物质群体包含形成生物膜或生物质聚集体的微生物并且需要在接种到目标位点之前进行分散。
如本文所用，“切向流”或“错流”指与过滤器元件表面平行运动的流。
术语“进料”或“进料流”指包含介质、生物质和水的流，其通过进料流入口进入生物质分散装置。
如本文所用，术语“保留物”是越过过滤器元件的进料并且指尺寸大于过滤器元件开口的任何生物质悬浮液，其不能通过过滤器元件。
如本文所用，术语“透过物”或“透过物流”指已经通过生物质分散装置的细分散的基本上存活的生物质，其包含生物质的单个细胞和细生物质聚集体，但是不含任何大的生物质聚集体。
如本文所用，术语“壳体”指围绕过滤器元件的外层。
如本文所用，“过滤器元件”指包含开口的表面，所述开口将基于过滤器中的开口尺寸允许某些尺寸的颗粒通过并阻止较大尺寸颗粒通过。
术语“生物质分散装置”指分散液体中的生物质聚集体以产生细分散的生物质悬浮液的任何装置，其对生物质的完整性、质量和活力无负面影响。
“细分散的基本上存活的生物质悬浮液”或“细分散的基本上存活的生物质群体”互换使用并且指在液体介质中的生物质悬浮液，所述液体介质包含单个细胞或尺寸小于2微米的小细胞聚集体，并且不含不能通过过滤器元件开口的任何大生物质聚集体。在本文上下文中，基于每毫升菌落形成单位数(CFU/mL)测量活力。细分散的“基本上存活的”生物质悬浮液保留大于它约50％的初始CFU/m，其中大于约60％-70％是典型的并且其中大于它约80％至95％的初始CFU/m是优选的。
如本文所用，“聚集的生物质”或“生物质聚集体”指包含尺寸大于过滤器元件开口的聚集颗粒的生物质。
“目标位点”指任何适用于进行生物质群体处理的环境位点。目标位点可为油井位点，其中需要所述生物质用于微生物强化采油(MEOR)。作为另外一种选择，目标位点可为其中可能需要环境生物整治的任何其他地上或地下位点。
“环境位点”指已经被包括烃类的持续有机污染物污染的目标位点。
如本文所用，“接种油井位点”或“注入油井”涉及将一个或多个细分散的基本上存活的生物质群体注入油井位点或油藏，使得所述生物质被递送到所述油井或油藏以利用它们的MEOR或生物整治活性。如本文所用，“油井位点”指可从中采油的地下或海底地层。
“生物整治井位点”是其中已经将井钻入地面，到达包含拟整治或移除的污染物的地下位置的位点。
本发明涉及在施用生物质到目标位点之前使用包括生物质分散装置的生物质分散系统生产基本上存活的分散生物质群体。本发明的生物质群体通常是细菌、真菌或酵母的悬浮液，它们可用于油井的采油或环境位点的生物整治。生物质分散装置的功能是在它们应用于目标位点之前已经形成或可形成聚集体或生物膜的分散微生物细胞。未充分分散的生物质悬浮液可引起污染或堵塞分散系统组件或堵塞目标位点的地下构造。
典型的油田注入井在图1中示出。期望注入所述井(1)的流体从表面注入点向下流到井中，进入期望位置。所述井壳体或管道(7)将注入的流体从注入点送到期望位置。所述流体受到位于可渗透岩石或基质(3)上方和下方的不可渗透岩层(2)的限制。在可渗透层(4)中的孔和断层有利于流体流入可渗透基质。存在于所述井壳体中的孔(6)允许注入流体经由注入流体和可渗透基质间的接口从所述井壳体内流到可渗透的基质中。在这个系统中，生物质的大聚集体能够积聚并堵塞孔(6)，因此阻止流体流入可渗透基质(3)并妨碍采油过程-因此需要有效的系统以在施用于油井位点之前分散聚集的生物质。
生物质分散系统
本公开的生物质分散系统包括生物质分散装置和附加组件如阀门、泵、罐和管道。生物质分散装置是能够使生物质群体成为基本上存活细胞的细悬浮液(适用于目标位点)的元件，所述生物质群体通常包含聚集的、可能变为聚集的或形成生物膜的微生物细胞。
可使用多种方法在分散装置中进行有效的充分生物质分散，所述方法包括过滤、超声能量和高剪切混合，其实例是本领域已知的；例如在罐中包含的液体中使用旋转搅拌器(Chemical Engineer′s Handbook，编辑：Perry，第8版，第18章-Liquid-Solid Operations and Equipment，第18-5章)；或使用超声装置(US3,165,299)；或使用转子-定子装置(US6,869,212)和使用高压均化装置(US4,585,357)分散固体。这些装置依靠将能量导入固体和液体的混合物中以分散所述固体。在使用这些方法时需要小心地保持细胞活力并且必须在施加足够的能量以分散颗粒和不施加过多能量以免降解或破坏颗粒之间取得折衷。
作为另外一种选择，可使用超声能量进行分散。可将超声能量(通常20-50千赫兹)施用于悬浮在介质中的颗粒。然而，这个方法虽然非常有效，但它使用高能量并且生物质颗粒尤其易受在混合、泵送和超声能量处理期间产生的剪切效应的影响。因此必须小心地调节用于保持细胞活力的能量大小。
另一种分散聚集生物质的方法使用过滤。过滤是用于从流体(液体或气体)中分离固体的机械或物理操作，它通过使颗粒和液体的混合物通过特定尺寸的多孔介质进行。因此仅有小于过滤器中的开口的流体和颗粒能够通过它。流体中的过大固体被保留下来。
可在公开的方法中使用多种类型的过滤器，包括但不限于：编织筛(American Standards and Testing and Materials(ASTM)E2016-06Standard Specification for Industrial Woven Wire Cloth)、打孔片材(ASTME674-09 and E454.6165-1)和楔形丝网筛(US5,064,536)。在一个实施方案中，过滤器元件可包括编织丝网筛。在另一个实施方案中所述过滤器元件可包括打孔的金属片材。
本文优选楔形丝网筛或楔形丝网过滤器。术语“楔形丝网”指用形成梯形截面的丝网。如本文所用，术语“楔形丝网过滤器元件”指包括平行排列的多个楔形丝网的过滤器元件，这种排列使得平行楔形丝网截面的最宽部分邻近并形成流体可通过的狭缝开口，所述流体从狭缝的最窄部分流到狭缝的最宽部分。
将开口的形状(下文称为楔形丝网过滤器元件的“狭缝开口”)构建成使得包含颗粒的液体介质进入狭缝的最窄部分并通过狭缝开口至最宽部分。因此大小接近狭缝最窄部分的颗粒通过楔形丝网狭缝开口，不被保留在狭缝中和/或堵塞它。楔形丝网过滤器元件可用不锈钢、蒙乃尔合金、聚合物、塑料或一些在用于悬浮生物质的溶液中不被腐蚀的其他材料制成。具体地讲，楔形丝网过滤器元件可用316或316L不锈钢制成。在公开方法中优选楔形丝网筛，因为它们提供独特的附加优点，减少阻塞的趋势并且具有的锋利边缘狭缝有助于将较大的生物质聚集体破碎成较小的聚集体。
在一个实施方案中，楔形丝网过滤器元件中的狭缝开口的尺寸可为约5微米至约100微米。在另一个实施方案中，楔形丝网过滤器元件中的狭缝开口的尺寸可为约10微米至约50微米。在另一个实施方案中，楔形丝网过滤器元件中的狭缝开口的尺寸可为约20微米至约40微米。
在一个实施方案中，楔形丝网筛可用于构建圆柱形楔形丝网过滤器元件。在另一个实施方案中，可使用具有合适壳体设计的平面楔形丝网过滤器元件，所述壳体设计允许在一侧有切向流流经楔形丝网过滤器元件，并且在楔形丝网过滤器元件的另一侧收集透过物。在另一个实施方案中，为了提供足够的流以处理较大的流，可使用平行的多个装置。在另一个实施方案中，生物质分散装置可任选地包括附加的过滤器元件。可使用开口大约等于或略大于透过物中期望的最大容许尺寸的任何过滤器元件。
在一个优选的实施方案中，生物质分散装置是如图2所示的楔形丝网过滤器，并且包括一个壳体(9)和楔形丝网过滤器元件(10)。生物质分散装置的其他附加元件包括进料流入口(8)、透过物(11)的出口、和将保留物(12)送回装载生物质悬浮液的罐的出口。插图示出含水介质中的生物质悬浮液的切向流(13)经过过滤器元件，单个细胞和较细小的聚集体透过所述过滤器元件并产生透过物(14)。保留物(12)包含较大的生物质聚集体的悬浮液，它离开生物质分散装置并循环回到罐中。在过滤器元件外表面上流过的进料流和保留物清洁过滤器元件并防止它堵塞。
壳体(9)可由不被用于悬浮生物质的溶液腐蚀并且强度足以在再循环泵出口压力下包含流体的任何材料制成。在一个实施方案中，壳体可用材料如不锈钢、蒙乃尔合金、塑料或聚合物制成。在一个优选的实施方案中，使用不锈钢制成壳体，因为它能承受高压和腐蚀性的环境。可将本文所公开的生物质分散装置的壳体构建成圆柱体以使进料流进入由过滤器元件外层和壳体内壁形成的环形通道。
在壳体(9)和过滤器元件(10)之间的间隙在测定经过过滤器元件的生物质悬浮液的切向速度中起到重要作用。进料流体积与壳体环形横截面积的比率决定了经过过滤器元件的进料流或保留物流的速度。在一个实施方案中，在壳体和过滤器元件之间的间隔可为小于约26毫米并且通常为约25.4毫米。优选地在壳体和过滤器元件之间的间隔可为约10毫米或更小。在一个优选的实施方案中，在壳体和过滤器元件之间的间隔可为约2毫米至约5毫米。
生物质分散装置(图2)的几何形状形成在过滤器元件(10)外部和壳体(9)内部的环形体积(环形部分)，它允许进料流沿着过滤器元件的外部通过并且在壳体末端被收集为保留物。保留物返回到罐中以再循环通过生物质分散装置。在这个方法中包含细分散的生物质聚集体的透过物(14)流经楔形丝网过滤器元件的狭缝开口到透过物出口(11)。
本文所公开的生物质分散装置运行的一个显著设计因素是流经过滤器元件的切向流，所述过滤器元件移除可能堵塞过滤器元件的固体。此外，切向流清洁过滤器元件的外表面并防止生物质在过滤器元件表面上积聚。
在过滤器元件和壳体间的环形横截面以及总液体再循环或进料速率决定了流经过滤器元件的生物质悬浮液的切向速度。切向速度提供了对过滤器元件的清洁并且剪切和摩擦粘附到楔形丝网过滤器元件狭缝开口上的生物质颗粒。正常速度(即，通过狭缝开口进入楔形丝网过滤器元件的速度)通过楔形丝网过滤器元件中的狭缝开口的大小和数目以及总透过物流量进行测定。如果透过物流量相对于切向流量过高，可能导致过滤器堵塞和颗粒摩擦不足。透过物流首先进入楔形丝网过滤器元件的中央，其中它聚集起来，然后由于透过物出口的压力较低，它移动到透过物出口以流出生物质分散装置。
可使用多种几何形状和流的装置达到楔形丝网过滤器元件表面上期望的切向流对透过物流的比率并用于收集保留物和透过物。例如如图3所示，进料流入口(8)可向下导向圆柱形楔形丝网过滤器元件(30)的中央，楔形丝网过滤器元件设计用于透过物(14)从楔形丝网过滤器元件(30)中央通过至拟收集的外部环形部分。可从圆柱形楔形丝网过滤器元件的反向内端收集保留物(12)，进料(8)从其中进入并且透过物(11)在较低的透过物出口流出。
图4描绘了通过(13)楔形丝网过滤器元件狭缝开口(16)的切向流。这种几何形状是优选的，因为它使生物质聚集体受到最大的摩擦。如果楔形丝网过滤器元件发生特定生物质的污染或堵塞或者流经楔形丝网狭缝开口(16)的切向流(13)使摩擦过于剧烈，那么设计产生沿楔形丝网狭缝开口的流(17)可提供较好的清洁效果和较低、较不剧烈的生物质摩擦。
如本文所用，楔形丝网过滤器元件设计(图4)具有高速度的切向流(13)流经由楔形丝网(15)形成的楔形丝网过滤器元件(10)中的狭缝开口。此类高速度切向流最大化对粘附到楔形丝网过滤器元件上的任何大生物质聚集体的剪切效应。为了防止堵塞楔形丝网过滤器元件，可通过外部流环形部分的几何形状和/或增加通过装置的进料体积来提高切向速度。可设计楔形丝网过滤器元件以允许切向流沿着楔形丝网(17)之间的开口流过。这种设计改善清洁效率，但是减少了生物质聚集体的摩擦。
为了最小化楔形丝网过滤器元件狭缝开口的堵塞，希望将透过物流的流量限制为切向流的流量的一小部分。对于本发明方法，可使用透过物流的流量对进料流的流量为1％至90％的值。具体地讲，可使用透过物流的流量对进料流的流量为1％至50％的值。更具体地讲，可使用透过物流的流量对进料流的流量为1％至5％的值。如果使透过物流的流量相对于切向流的流量过大，那么可能导致楔形丝网过滤器元件狭缝开口的堵塞。如果透过物流的流量相对于进料流的流量过低，那么可能导致过多的生物质摩擦和可能的生物质活力损失。
其它组分
本发明的生物质分散系统的其他适用组件包括：罐、泵、流量调节阀或节流阀、用于将生物质转移到生物质分散装置的多个管道或软管、以及用于将保留物中的较大生物质聚集体转移回罐中以通过生物质分散装置再利用的多个管道或软管。使用附加的管道或软管将分散的生物质透过物传送到泵以促进它注入油井位点。
罐
装载用于分散的生物质的罐也可包含水溶液，其包含适用于维持和/或培养生物质的矿物盐、微量元素和营养物质。取决于罐的环境和罐中生物质的特性，可能需要加热或冷却能力以达到和保持适用于生物质的温度。用于构建罐的材料可由微生物所需环境的特性确定。可使用常用于油田用途的不锈钢或聚丙烯容器。“totes”或“LiquiTote”罐(HooverMaterial Handling Group Inc.，Houston，TX)有多种材料和500升至1,500升的容量可供利用，它们很好的适用于本方法。安装在卡车上的罐常用于运输化学溶液，它们也是在这种情况下适用的罐。可将附加元件如加热器或冷却器控制、含量监控器、搅拌器和可能的透气设备加到罐上以维持加工期间的生物质活力。在一个实施方案中，罐车或罐拖车可使用安装到罐车或罐拖车上的传送泵。
泵
在本发明的生物质分散系统中，优先使用离心泵用于从罐中泵送生物质通过生物质分散装置。离心泵在泵送期间提供对生物质悬浮液的附加剪切并且可提高生物质聚集体的摩擦速率并减小其尺寸。然而，在其中生物质对离心泵的高剪切速率敏感并导致细胞死亡的情况下，可使用具有较低剪切速率的不同类型的泵。可按需使用多种其他类型的泵，它们具有足够的体积流量和出口压力并且在泵中具有适度的液体剪切以用于悬浮的特定生物质。可用于公开的生物质分散系统的泵实例包括但不限于叶轮泵、蠕动泵、齿轮泵和隔膜泵。
在一个实施方案中，使用正位移泵以将包含细分散的生物质的透过物转移到油井的注入位点。可用于这一目的的附加泵包括但不限于三缸泵和多级离心泵。
阀门
位于泵出口的流量调节阀或节流阀可用泵上的变速控制装置取代以调控泵速和再循环流量。在一个实施方案中，可使用节流阀调控透过物流。在另一个实施方案中，可将变速正位移泵用于此目的。
入口和出口
进料入口和透过物出口提供了生物质分散系统的流入和流出。出口和入口可由与系统使用的环境要求相容的任何常用的机械管道或管材连接制成。在一个实施方案中，管道或软管可由高压柔性软管制成。在另一个实施方案中，管道或软管可由具有合适的压力等级的刚性管道制成。
生物质
用于本专利申请的生物质可包含多类兼性需氧微生物、硝化细菌、专性厌氧菌、反硝化菌和兼性厌氧微生物。重悬的生物质可仅包含一种特定的菌种或可包含两种或更多种相同属的菌种或不同微生物属的组合。用于本专利申请的不同菌种的微生物实例包括但不限于：丛毛单胞菌属、梭形杆菌属、海细菌属、石袍菌属、假单胞菌属、弧菌属、石袍菌属、索氏菌属、希瓦氏菌属、微球茎菌属和肠杆菌属。
所述生物质可取决于使用的特定微生物在有氧或厌氧条件下产生。用于培养和维持需氧和厌氧培养的技术和多种适用的培养基是本领域为人们所熟知的，并且已经在“Manual of Industrial Microbiology andBiotechnology”(A.L.Demain和N.A.Solomon，ASM Press，Washington，DC，1986)以及“Isolation of Biotechnological Organisms from Nature”(Labeda，D.P.编辑，第117-140页，McGraw-Hill Publishers，1990)中进行了描述。
用于本专利申请的生物质可在生物质分散装置的表面上形成生物膜。术语“生物膜”指由微生物形成的细胞外聚合体制成的膜或涂层，微生物位于其中并且其粘附到表面上。本文所公开的生物质分散设计为使得任何粘附的或软的生物质聚集体颗粒或粘附到过滤筛网上的生物膜受到如下所述的剪切去除。
在一个实施方案中，本文使用的微生物群体包括在共有的和未决的专利申请12/105769中描述的施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)(ATCC NO：PTA-8823)和在共有的和未决的专利申请12/105690中描述的腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)(ATCC NO：PTA-8822)。这些专利申请的内容均全文以引用方式并入本文。
如本发明方法所述，在接种油井位点之前，如下所述使用公开的生物质分散系统将贮藏的生物质分散成存活的生物质群体。
生物质分散系统的运行
图5描绘了本文所公开的生物质分散系统的不同组件的几何形状，所述组件包括：分别递送介质、生物质和水到罐(21)以产生生物质悬浮液的入口(18、19、和20)。离心泵(23)经由管材或管道(22)将生物质悬浮液转移到生物质分散装置(25)。节流阀(24)控制流到生物质分散装置的生物质悬浮液的流量。经由管道(26和28)将细分散的存活的生物质(透过物)从生物质分散装置中移除，而透过物的流量由正位移泵(27)控制。未通过楔形丝网过滤器元件的生物质聚集体经由管道和背压阀(29)返回到罐中。
在生物质分散系统运行期间，在加入矿物盐介质和水到罐(21)后，如果需要确保矿物盐介质的溶解，可将内容物通过生物质分散系统循环多次。介质温度可使用浸入加热器、环境冷却或加入热或冷的液体进行调节。可将生物质以冷冻块、浓缩悬浮液或干燥固体形式加到罐中，并且循环持续进行直至生物质已经解冻和/或与介质混合。在完成解冻和混合后，开启正位移泵(27)并且调节泵速以获得期望的透过物流。为了提高聚集体的分散度，可使用较慢的透过物流使生物质悬浮液通过所述系统循环。可使用较快的透过物流以有利于细分散的存活的生物质递送到透过物出口(28)。未通过楔形丝网过滤器元件狭缝开口的存活的生物质聚集体经由管道和背压阀(29)返回到罐中。“管道装置”指具有合适等级和构建材料的任何管材或管道，所述材料能够经受在本发明装置运行期间使用的压力和加工溶液的化学组成。包含分散生物质群体的透过物经由管材或管道被转移到拟在油井处理中使用的或拟应用于任何其他目标位点的注入装置。如本文所用，术语“注入装置”指任何机械装置如离心泵、活塞泵、齿轮泵或本领域普遍已知的任何其他装置，它们用于将流体从低压环境加压并运输到高压环境，这用于将细分散的存活的生物质导入油井。
楔形丝网过滤器元件壳体的设计保持通过受压降限制的楔形丝网过滤器元件的流体速度尽可能的高。这通过最小化环形部分的流量可用的横截面积来完成，所述环形部分由圆柱形壳体的内表面和圆柱形楔形丝网过滤器元件的外表面限定。流的较小横截面积导致给定体积进料速率下较高的液体速度。做到这一点以最大化高切向速度的清洁效应并最大化生物质聚集体的摩擦。已经通过楔形丝网过滤器元件并包含细分散的存活的生物质的透过物经由管道(26和28)离开系统以按需使用。包含生物质聚集体的溶液通过楔形丝网过滤器元件并返回到罐中用于再循环。
实施例
在下列实施例中进一步定义了本发明的生物质分散系统。应当理解，尽管这个实施例说明了本发明的优选实施方案，但仅是以例证的方式给出的。通过上述论述和这个实施例，本领域的技术人员可确定本发明的必要特征，并且在不脱离本发明的实质和范围内的前提下，可对本发明进行各种变化和修改以适应各种用途和条件。
在实施例1中使用的缩写的含义如下：“min”指分钟；“g”指克；“ppm”指份每一百万份；“LPM”指升每分钟；“CFU/mL”指每毫升菌落形成单位数；“MPN”指最大可能数；“kg”指千克；“℃”指摄氏度；“％”指百分比；“SS”指不锈钢；“OD”指外径；“g/L”指克每升；“wt％”指重量百分比；“GPM”指加仑每分钟；“μm”指微米；“wt％”指重量百分比；“gal”指加仑。
实施例1
使用生物质分散系统的生物质分散
使用不锈钢壳体构建生物质分散装置(图2)，所述不锈钢壳体中有大约1.32英寸ODx8英寸长度(3.35×20.32cm)的楔形丝网过滤器元件。制造者如下构建楔形丝网过滤器元件：通过将不锈钢楔形丝网围绕支撑结构包裹起来以形成在具有1.07平方英寸(6.903cm)开口面积(3.23％的透过物流开口面积)的楔形丝网过滤器元件中的002″+.002英寸/-.001英寸(0.0508+0.00508/-0.00254cm)的狭缝开口。然后将楔形丝网焊接到内部支撑件上以保持一致的狭缝开口尺寸。如图2所示，用在楔形丝网过滤器元件外部的狭缝开口的狭窄开口构建楔形丝网过滤器元件以允许透过的液流从楔形丝网过滤器元件外部进入内部。常使用这一几何形状以避免颗粒楔入狭缝开口，因此堵塞过滤器元件。
使用如共有的和未决的专利申请12/105769所述的施氏假单胞菌(Pseudomonus stutzeri)(ATCC NO：PTA-8823)与如共有的和未决的专利申请12/105690所述的腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)(ATCC NO：PTA-8822)制备冷冻生物质，所述文献均全文以引用方式并入本文。在完成发酵时，通过将发酵液微量过滤至大约50g/L的干细胞重量来浓缩生物质，并且将甘油(大约10重量％)加到所述浓缩的生物质中。将发酵液转移到包含介质的无菌袋中，通过将它们包装在干冰中进行冷冻并贮藏在-80℃备用。
生物质分散系统的示意图如图5所示。入口(图5，1、2和3)用于人工添加介质组分、冷冻生物质块(大约600g)和水到罐(4)中。35加仑(132升)聚丙烯平底罐与～7GPM离心泵(图5，6)经由1/2英寸(1.27cm)的不锈钢管道(图5，5)相连。所述泵经由1/2″的不锈钢管道连接到节流阀(图5，7)(Swagelok SS-A3ES8，29500Solon Road，Solon，OH)，然后通过相同管道连接到分散装置的入口(图5，8)。1/2″英寸的不锈钢管道与节流阀(图5，12)相连，其用于使保留物流从分散装置返回到罐中用于再循环。连接生物质分散装置的透过物端口的柔性管道(图5，9)允许透过物从所述装置流到正位移泵(图5，10)(Welch型3200蠕动泵，Welch Rietschle Thomas，7301 North CentralAvenue，Skokie，IL)。通过正位移泵速度调节透过物的流量。经由塑料管道(图5，11)收集透过物。
为了进行该实验，所述罐填充有13.5加仑(51升)稀释矿物盐溶液以在加工期间维持生物质(参见表1)。使用离心泵(图5，6)和阀门(图5，7)以及(图5，12)使罐的内容物在罐和生物质分散装置之间循环，以允许解冻所述冷冻生物质时混合生物质和矿物盐溶液。
表1
用于生物质分散的矿物盐溶液
  成分   ppm
  NaNO3
  乳酸   201.0
  乳酸钠(NaC3H5O3)   250.0
  碳酸氢钠   1377.0
  NaCl   11560
  CaCl*6H2O   394
  MgCl2*6H2O   217
  乙酸钠   500
  油   50
  碳酸氢钠   1377
  CaCl2*^H2O   394
  MgCl2*6H2O   217
  BaCl2*2H2O   32
  KCl   90
  SrCl2*6H2O   15
  LiCl   6
  NaCl   11560
在再循环矿物盐溶液期间将电浸入加热器置于罐中以提高水温至27℃。按需使用氢氧化钠或硝酸溶液将循环水的pH保持在7.5±0.2。将总重量为2.9kg(大约60g干细胞重量/L)的五块冷冻生物质加到罐中。通过生物质分散系统在大约6.0GPM(27.2升每分钟)下再循环矿物盐溶液大约36分钟以解冻罐中的冷冻块。当冷冻生物质块解冻时，在矿物盐溶液中开始形成生物质悬浮液。当生物质完成解冻时，已经通过楔形丝网过滤器元件的狭缝开口的透过的细胞悬浮液以大约1.9LPM的体积流量被移除。在这一阶段，从罐和透过物中取出100mL样品并测定它们中的存活的细胞数(CFL/mL)。随后，将透过物流提高到19LPM并取样再次进行CFL/mL计数。当罐中的生物质悬浮液含量已经过低而不能继续泵送时，停止离心泵和蠕动泵并检查生物质分散装置是否堵塞。
在罐内容物循环和过滤期间未观察到通过楔形丝网过滤器元件的压降提高的迹象。在实验末期对楔形丝网过滤器元件和罐的检查显示在罐中和楔形丝网过滤器元件上无可见的生物质积聚。对罐中悬浮液和透过物的样品中的存活细胞计数分析的结果在表2中示出。
表2
来自罐和透过物的样品的CFU/mL
  95％CI＝±0.57   罐   透过物
  透过物流量和时间   Log10 MPN   Log10 MPN
  Log10(CFU/mL)   Log10(CFU/mL)
  在加入生物质之前的罐中微生物   2.8
  1.9LPM t＝1分钟   8.8   8.8
  1.9LPM t＝10分钟   9.1   9.4
  19LPM t＝2分钟   8.8   9.1
CI＝置信区间；MPN＝最大可能数CFU/mL；t＝时间，CFU＝菌落形成单位数
如表2所示，在罐中生物质悬浮液和透过物的CFU/mL中未观察到统计上可测量的差异这说明在透过物中的细胞已经保留了它们的初始活力。使用Malvern MastersizerTM 2000(Malvern Instruments Inc.，Westborough，MA)测量两个样品的生物质悬浮液的粒度。一个样品在重悬浮溶液(图6)中的生物质冷冻块解冻后立即取样，并且另一个样品是来自生物质分散装置的透过物(图7)。观察到在这两种生物质悬浮液之间的显著差异。在分散之前，在解冻的冷冻块生物质中大体积的未分散生物质以尺寸大于2微米的聚集体形式存在。另一方面，透过物样品的粒度与无尺寸大于2μM的显著聚集体的单一微生物悬浮液的粒度一致(图7和表3)。
表3
在通过生物质分散装置后的特定粒度
 透过物粒度(μm)
  d10  0.530
  d50  0.816
  d90  1.283
D10-颗粒直径(μm)，其中10重量％的颗粒更小并且90重量％的颗粒更大。
D50-粒度分布的中值，颗粒直径，其中样品中50重量％的颗粒更小并且50重量％的颗粒更大。
D90-颗粒直径，其中10重量％的颗粒更小并且90重量％的颗粒更大。因此，本文提供的数据证实使用本文所公开的生物质分散装置产生的分散的生物质群体包含尺寸低于2微米的颗粒并且不含任何聚集体。

Claims (23)

1.用于将基本上存活的生物质群体递送到目标位点的方法，包括：
a)提供悬浮在介质中并包含在生物质分散系统中的生物质群体；
b)使(a)的生物质群体流过生物质分散装置，从而产生细分散的基本上存活的生物质群体；以及
c)将(b)的细分散的基本上存活的生物质群体施用到目标位点。
2.权利要求1的方法，其中所述目标位点选自油井位点、生物整治井位点和环境位点。
3.权利要求1的方法，其中所述生物质分散系统包括罐、管道、泵、生物质分散装置和节流阀。
4.权利要求1的方法，其中(b)的生物质分散装置通过选自下列的方法分散所述生物质群体：过滤、超声能量和高剪切混合。
5.权利要求4的方法，其中所述生物质分散装置包括包含在壳体中的过滤器元件。
6.权利要求5的方法，其中在所述壳体和所述过滤器元件之间存在小于约26毫米的间隙。
7.权利要求5的方法，其中所述过滤器元件选自：编织筛元件、打孔的片材元件和楔形丝网过滤器元件。
8.权利要求7的方法，其中所述楔形丝网过滤器元件包括约5微米至约100微米的狭缝开口。
9.权利要求7的方法，其中：
a)所述过滤器元件是楔形丝网过滤器元件，并且
b)使用切向流使所述悬浮在介质中的生物质群体以进料流形式通过所述楔形丝网过滤器元件，并且以透过物流形式离开所述过滤器元件。
10.权利要求9的方法，其中所述透过物流的流速在所述进料流的流速的约1％至约90％的范围内。
11.权利要求1的方法，其中所述生物质群体包含形成生物膜或生物质聚集体的微生物。
12.权利要求11的方法，其中所述生物质群体包含选自下列的微生物：丛毛单胞菌属(Comamonas)、梭形杆菌属(Fusibacter)、海细菌属(Marinobacterium)、石袍菌属(Petrotoga)、假单胞菌属(Pseudomonas)、弧菌属(Vibrio)、石袍菌属(Petrotoga)、索氏菌属(Thauera)、希瓦氏菌属(Shewanella)、肠杆菌属(Enterobactor)和微球茎菌属(Microbulbifer)。
13.权利要求12的方法，其中所述微生物选自：施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)和腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)。
14.用于产生细分散的基本上存活的生物质的生物质分散系统，包括：
a)悬浮在介质中并包含在罐中的生物质群体；
b)生物质分散装置；和
c)注入装置；
其中所述生物质分散装置通过管道装置与所述注入装置相连。
15.权利要求14的生物质分散系统，其中所述生物质分散装置包括包含在壳体中的过滤器元件。
16.权利要求15的生物质分散系统，其中所述过滤器是楔形丝网过滤器元件。
17.权利要求14的生物质分散系统，其中所述生物质群体包含选自下列的微生物：丛毛单胞菌属、梭形杆菌属、海细菌属、石袍菌属、假单胞菌属、弧菌属、索氏菌属、石袍菌属、希瓦氏菌属、肠杆菌属和微球茎菌属。
18.制备基本上存活的生物质群体分散体的方法，包括：使用切向流使生物质群体以进料流形式流过楔形丝网装置，以产生包含基本上存活的生物质群体分散体的透过物流。
19.权利要求18的方法，其中所述透过物流的流速在所述进料流的流速的约1％至约90％的范围内。
20.权利要求1的方法，其中所述楔形丝网包括约5微米至约100微米的狭缝开口。
21.权利要求18的方法，其中所述生物质群体选自丛毛单胞菌属、梭形杆菌属、海细菌属、石袍菌属、假单胞菌属、弧菌属、索氏菌属、石袍菌属、索氏菌属、希瓦氏菌属和微球茎菌属。
22.用于从油井位点中强化采油的方法，包括：
a)提供包括悬浮在介质中的生物质群体的生物质分散系统；
b)使(a)的生物质群体流过生物质分散装置，从而产生细分散的存活的生物质群体；以及
c)将(b)的细分散的基本上存活的生物质群体注入油井位点；其中所述细分散的基本上存活的生物质群体有效地从所述油井位点释放油；并且其中
1)所述生物质分散系统包括罐、管道、泵、生物质分散装置和节流阀；并且其中
2)所述生物质分散装置包括包含在壳体中的楔形丝网过滤器元件；并且其中
3)所述生物质群体包含选自下列的微生物：丛毛单胞菌属、梭形杆菌属、海细菌属、石袍菌属、假单胞菌属、弧菌属、石袍菌属、索氏菌属、希瓦氏菌属、肠杆菌属和微球茎菌属。
23.用于整治环境位点的方法，包括：
a)提供包括悬浮在介质中的生物质群体的生物质分散系统；
b)使(a)的生物质群体流过生物质分散装置，从而产生细分散的基本上存活的生物质群体；以及
c)将(b)的细分散的基本上存活的生物质群体施用到环境位点；其中所述细分散的基本上存活的生物质群体有效地整治所述环境位点；并且其中
1)所述生物质分散系统包括罐、管道、泵、生物质分散装置和节流阀；并且其中
2)所述生物质分散装置包括包含在壳体中的楔形丝网过滤器元件；并且其中
3)所述生物质群体包含选自下列的微生物：丛毛单胞菌属、梭形杆菌属、海细菌属、石袍菌属、假单胞菌属、弧菌属、石袍菌属、索氏菌属、希瓦氏菌属、肠杆菌属和微球茎菌属。
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