CC BY
75
УДК 502.65
Д. Л. Рахманкулов, С. Ю. Шавшукова, И. Н. Вихарева
Микроволновое обеззараживание нефти и нефтепродуктов
НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов Уфимского государственного нефтяного технического университета 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 75; тел. (347)2431712
Рассмотрена возможность использования микроволнового излучения для борьбы с микробиологическим поражением углеводородных топ-лив.
Ключевые слова: микроволновое излучение, микробное заражение, углеводородные топлива, биоциды, тепловое воздействие, обеззараживание.
В продолжение исследований по изучению биологического действия волн микроволнового диапазона (300 МГц — 300 ГГц) рассмотрены особенности воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного поля на микроорганизмы, поражающие нефтяные топлива 1.
Проблема микробиологического поражения дизтоплива, керосина, авиационного топлива и других нефтепродуктов является не новой и достаточно актуальной. Микробное поражение нефтяного топлива оказывает негативное воздействие на его качество на стадиях производства, хранения, транспортировки и потребления. Микробное поражение происходит, прежде всего, при контакте топлива с водой, некоторое количество которой всегда присутствует в емкостях для хранения нефтепродуктов, особенно транспортируемых на морских судах. Поверхность раздела фаз вода— топливо и доступ воздуха создают условия для прорастания спор и активного размножения микроорганизмов. Одни виды микроорганизмов разрушают углеводороды с появлением коррозионно-активных карбоновых кислот, сероводорода и углекислого газа, другие разрушают топливные присадки, ведут к образованию эмульсий и отделению воды. Многие микроорганизмы вырабатывают полимеры, которые обеспечивают повышение растворимости воды в нефтепродуктах 2.
В нефтепродуктах выявлено несколько сотен различных микроорганизмов. В основном это бактерии Pseudomonas, дрожжи Candida, плесневые грибки Hormoconis Resinae (табл. 1) 2.
Происходящие под воздействием микроорганизмов процессы значительно ухудшают качество топлив, повышают токсичность вых-Дата поступления 20.06.08
лопных газов. Растущая биомасса засоряет фильтры, трубки систем подачи и водные сепараторы, приводит к износу оборудования, увеличивая затраты производства, хранения, транспортировки и потребления.
Таблица 1
Наиболее часто поражающие топливо виды микроорганизмов
Бактерии Дрожжи Плесень
Pseudomonas sp Candida sp Hormoconis Resinae
Acinetobacter sp Rhodotorula sp ex: Cladosporium
Flavobacterium sp Resinae
Desulfovibrio sp Fusarium
Desulfotomaculum sp
Klebsiella
На западноевропейском рынке значительное микробное поражение нефтепродуктов — явление довольно редкое. Однако известен случай микробного заражения газойля в 1980-х гг. в Западной Европе, когда пришлось сжечь весь пораженный микроорганизмами газойль в одном из резервуаров 3 4.
Как правило, борьба с микробным заражением топлива ведется путем обработки химическими составами — биоцидами. К биоцидам предъявляется ряд требований, главные из которых — это совместимость с топливом и присадками и экологическая безопасность. Однако, если первое требование выполнимо, то выполнение второго берется под сомнение. Как отмечает автор 3, в Германии, например, считается недопустимым не только обработка топлива биоцидами, но и сброс загрязненной ими воды.
Методы фильтрации и центрифугирования более предпочтительны для уничтожения загрязняющих микроорганизмов, но также не лишены недостатков.
В связи с вышесказанным возникла необходимость разработки новых способов обеззараживания топлива, из которых весьма эффективным оказался способ обработки воздействием микроволнового излучения.
Изучению бактерицидного действия микроволнового излучения посвящен ряд работ отечественных и зарубежных исследовате-
лей 5-26. В этих работах показано, что результат воздействия микроволн на микроорганизмы зависит, главным образом, от частоты и мощности излучения, продолжительности воздействия, режима излучения (непрерывный, импульсный). Большинство исследователей также отмечают два эффекта воздействия микроволн на исследуемую среду: тепловой, действующий при интенсивности поля более 10 мВт/см2 и нетепловой (при интенсивности поля менее 10 мВт/см2) 27' 28. Тепловой эффект воздействия микроволн на различные объекты или диэлектрический нагрев наиболее хорошо изучен и нашел применение во многих отраслях науки и промышленности 29. Гибель микроорганизмов в СВЧ поле обусловлена гипертермией, приводящей к необратимой денатурации белка микроорганизмов 30' 31. На этом эффекте основана обработка пищевых продуктов, стерилизация, пастеризация, дезинсек-
ность использования микроволн для бактерицидной обработки топлив.
Предпочтительность микроволнового обеззараживания топлива заключается в его избирательном воздействии. Углеводородная среда является прозрачной для микроволн, а микробные, содержащие большое количество воды клетки являются активными приемниками излучения и разрушаются под его воздействием.
Наиболее приемлемыми для стерилизации выделены промышленные частоты 2375 и 2450 МГц 55 6
При исследовании гибели микроорганизмов в непрерывном и импульсном режимах излучения при температурах, исключающих термическое воздействие, наиболее перспективным ока-
зался импульсный режим
6, 30, 35
. Обработка про-
ция ' 32, обработка древесины 33.
В работах 6' 8' 12' 13,30, 31 показано, что стерилизующее действие на микроорганизмы возникает и при облучении микроволновым полем малой интенсивности, когда имеет место лишь незначительное повышение температуры. Нетепловые эффекты воздействия микроволн являются менее изученными 30. Автором рабо-34
ты показано, что связи в клетках микроорганизмов могут быть разорваны микроволновым излучением и без нагрева, что дает возмож-
изводилась при частоте 2375 МГц. Объектами исследования были кишечная и сенная бактерии, стафилококк. Температурный интервал составлял 25—42 оС. Для контроля проводились исследования с использованием термического нагрева на водяной бане (табл. 2).
При увеличении количества подводимой энергии более заметен эффект импульсного воздействия, особенно в сравнении с традиционным нагревом (табл. 3)'30.
Подобные результаты получены и при облучении других видов бактерий 30.
Таблица 2
Выживаемость бактерий кишечной палочки, %
Режим облучения Частота импульсов, кГц Время, мин
5 10 20 30
Импульсный 10 28.2±10.9 38.1±9.3 44.7±4.8 55.0±9.0
Непрерывный — 29.0±9.2 42.3±7.6 42.0±6.9 54.0±9.0
Импульсный 20 36.21±0.4 57.7±5.5 50.4±10.6 75.6±8.3
Непрерывный — 21.4±7.0 41.2±4.0 40.1±10.4 72.7±5.9
Импульсный 30 36.6±7.4 44.4±6.0 62.6±6.4 57.2±7.8
Непрерывный — 19.7±4.5 20.9±3.6 47.3±3.0 38.6±4.4
Импульсный 40 20.4±8.0 51.6±11.4 51.2±10.1 59.4±10
Непрерывный — 13.7±6.0 32.2±11.4 42.1±13.6 50.7±8.6
Импульсный 50 58.0±8.3 46.2±7.3 59.0±5.0 57.3±9.46
Непрерывный - 38.5±5.3 39.2±7.3 45.6±6.0 43.3±9.3
Таблица 3
Выживаемость бактерий при микроволновом нагреве, %
Продолжительность СВЧ, СВЧ, Традиционный
облучения, мин импульсныи непрерывный нагрев
Кишечная палочка
5 62.5 74 100
10 0 12 79.3
15 0 0 53.8
60 0 0 11.5
Стафилококки
20 4 16,5 19.2
30 0 0 3.6
60 0 0 0
Следует отметить, что у исследователей нет единого мнения о механизме воздействия микроволн на микрофлору. Изучение культу-ральных и морфологических изменений в бактериальной клетке позволяют сделать вывод о избирательности воздействии микроволн на биологические мембраны 36-38.
Следует также отметить, что международных стандартов на степень микробного поражения топлив не существует. Одни зарубежные инспекционные фирмы в качестве предельной нормы заявляют содержание 1000 микроорганизмов в 1 л, другие — 5000 микроорганизмов в 1 л при недлительном хранении. Заметим, что срок, по истечении которого возможно обнаружить присутствие в нефтепродуктах колоний живых микроорганизмов, составляет не менее 5 сут. 3' 4.
Учитывая угнетающее действие микроволнового излучения на микроорганизмы, целесообразно проводить обработку нефти на пунктах перекачки, что позволит предотвратить биокоррозию нефтепроводов и существенно продлить срок их службы 39.
Авторы работы 40 сообщают о результатах исследований по обработке сырой нефти импульсным полем частотой 2450 МГц, проведенных Институтом биохимии и физиологии растений и микроорганизмов (ИБФРМ РАН) совместно с ОАО «Тантал» (г. Саратов). Полученные результаты показали эффективность стерилизующего действия микроволнового поля на неидентифицированные виды микроорганизмов (табл. 4).
Условия экспериментов: начальная температура нефти 22 оС, Римп — импульсная мощ-
ность, О — скважность — параметр для определения средней мощности Римп/ О, объем пробы нефти 10 мл. На основании проведенных исследований, авторы работ 40' 41 делают вывод о достаточно высокой эффективности применения энергии микроволнового поля для обеззараживания топлива. Кроме того, использование микроволн позволяет одновременно с обеззараживанием решать и вторую задачу — с высокой эффективностью (до содержания воды 0.03%) разрушить водонефтяную эмульсию 41.
Таблица 4
Выживаемость бактерий под действием СВЧ излучения
№ Параметры (время импульса СВЧ поля равно 10 мкс) Выживаемость бактерий, %
1 Римп. = 40 кВт 0 = 200 Р = 200 Вт Т = 35 оС Ь = 60 с 2
2 Римп. = 30 кВт 0 = 200 Р = 150 Вт Т = 30 оС Ь = 60 с 4
3 Римп. = 40 кВт 0 = 200 Р = 200 Вт Т = 38 оС Ь = 90 с 0
4 Римп. = 40 кВт 0 = 800 Р = 50 Вт Т = 26 оС Ь = 60 с 37
Литература
1. Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю., Вихаре-ва И. Н. История изучения воздействия микроволн на живые организмы и окружающую среду // История науки и техники.— 2008.— № 5, спец. вып. №2.— С. 3.
2. Лакатош Г., Беликов О. Е. // Нефтяное хозяйство.- 2000.- № 5.- С. 80.
3. Старков М. В.// Защита от коррозии и охрана окружающей среды.- 1994.- № 11-12.- С. 21.
4. Petroleum Review.- 1992.- V. 46.- № 550.-Р. 522.
5. Игнатов В. В., Панасенко В. И., Пиденко А. П. и др. Влияние электромагнитных полей на сверхвысокочастотного диапазона на бактериальную клетку.- Саратов: Саратовский ун-т, 1978.- С. 80.
6. Потанченко Н. Г., Савлук О. С. // Химия и технология воды.- 1990.- Т. 12, № 10.- С. 939.
7. Педенко А. И., Белицкий Б. И., Лерина И. В. и др. // Известия вузов СССР. Пищевая технология.- 1982.- № 5.- С. 54.
8. Белицкий Б. И., Педенко А. И., Лерина И. В. и др. Изучение действия СВЧ поля на микроорганизмы в импульсном и непрерывном режиме // Редкол. журнала «Биофизика» АН СССР.-М., 1982.- 11.с.- Деп. в ВИНИТИ 06.05.82, № 2268-82.
9. Остапенков А. М., Матисон В. А., Белово-лов А. В. // Известия вузов. Пищевая технология.- 1975.- Вып. 5.- С. 123.
10. Jeng D. K. N., Kaczmarek K. A., Woodworth A. G. et al. // Appl. аnd Environ. Microbiology.-1987.- V. 53.- № 9.- Р. 2133.
11. ^reHi J. C., Gutman R. I., Kahazi S. et al. // J. Microwave Power.- 1977.- V. 12.- № 1.-Р. 141.
12. Rosenberg U., Sinell H. J. Reduction von / /
Archiv fur lebensmittelhygiene.— 1984.— V. 35, № 1.- Р. 7.
13. Панасенко В. И., Садчикова О.А., Игнатов В. В. и др. Действие мощного ЭМП с частотой 2373 МГц на микроорганизмы / / Биологическое действие электромагнитных полей.- Пущи-но, 1982.- С. 26.
14. Остапенков Н. М. // Электронная обработка материалов.- 1981.- № 2.- С. 62.
15. Даниленко И. И., Мирутенко В. И., Коваль-чук В. К. и др. // Электронная обработка материалов.- 1985.- № 5.- С. 81.
16. Даниленко И. И., Мирутенко В. И., Сопиль А. В. и др.// Электронная обработка материалов.-1985.- № 6.- С. 55.
17. Даниленко И. И., Мирутенко В. И., Сопиль А. В. и др. // Электронная обработка материалов.-1987.- № 1.- С. 59.
18. Исмаилов Э. Ш. Физико-химические механизмы биологического действия неионизирующих излучений / Современные вопросы радиологии. — М.: Наука, 1980.- С. 78.
19. Кудряшов Ю. Б., Исмаилов Э. Ш., Зубко-ва С. М. Биофизические основы действия микроволн.- М.: МГУ, 1980.- 160 с.
20. Hamrich P. E., Bulter B. T. // J. Microwave Power.- 1973.- V. 8.- № 1.- Р. 227.
21. Кучма Т. Н., Самойленко И. И., Остапен-ков А. М. // Электронная обработка материалов.- 1989.- № 3.- С. 65.
22. Арбер С. Л. // Электронная обработка материалов.- 1978.- № 3.- С. 59.
23. Смолянская А. З., Гельвич Э.А., Голант М. Б. и др. // Успехи современной биологии.-1979.- Т. 87.- Вып. 3.- С. 381.
24. Голант М. Б. // Биофизика.- 1989.- Т. 34.-Вып. 2.- С. 339.
25. Голант М. Б. // Биофизика.- 1989.- Т. 34.-Вып. 6.- С. 1004.
26. Остапенков А. М., Матисон В. А., Белово-лов А. В. и др. // Известия вузов. Пищевая технология.- 1976.- № 1 (110).- С. 77.
27. Гордон З. В. Вопросы гигиены труда и биологического действия электромагнитных полей сверхвысоких частот.— Л.: Медицина.— 1966.— 165 с.
28. СВЧ-энергетика / Под ред. Э. Окресса. Т. 3. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике.— М.: Мир, 1971.— С. 21.
29. Рахманкулов Д. Л., Бикбулатов И. Х., Шула-ев Н. С., Шавшукова С. Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов.- М.: Химия, 2003.- 220 с.
30. Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов.- М.: Агропромиз-дат, 1988.- 272 с.
31. Рогов И. А., Некрутман С. В. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов.- М.: Агро-промиздат, 1986.- 351 с.
32. Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю., Вихаре-ва И. Н. // Баш. хим. ж.- 2008.- Т. 15, № 1.-С.73.
33. Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю., Вихаре-ва И. Н. // Баш. хим. ж.- 2008.- Т. 15, № 1.-С. 46.
34. Минин Б. А. СВЧ и безопасность человека.-М.: Советское радио, 1974.- 274 с.
35. Белицкий Б. И., Педенко А. И., Лерина И. В. и др. // Известия вузов СССР. Пищевая технология.- 1984.- № 6.- С. 44
36. Боровягин В. Л. // Биофизика.- 1971.- Т. 16.- С. 746.
37. Исмаилов Э. Ш. // Биофизические аспекты загрязнения биосферы.- М.: Наука, 1973.- С. 67.
38. Исмаилов Э. Ш. Биофизическое действие СВЧ излучений.- М.: Энергоатомиздат, 1987.- 142 с.
39. Ларин В. С. // Экология и промышленность России.- 2005.- № 9.- С. 28.
40. Ляшенко А. В., Перовский Э. В., Сироткин О. Л. // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.- 2004.- № 11.- С. 16.
41. Ляшенко А. В. // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.- 2002.- № 2.- С. 23.
