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Separación de emulsiones agua en crudo pesado: Estudio de un nuevo método para la
recuperación de nanopartículas con OmpA inmovilizada.
Daniel Armando Martínez Zabaraín
Proyecto de grado para optar título de Ingeniero Químico
Asesor
DIEGO PRADILLA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ, D.C.
2
Resumen
Debido a la creciente demanda mundial de energía y la disponibilidad cada vez más limitada de los
crudos convencionales, se está prestando una gran atención a la explotación de los crudos pesados
y extrapesados [1]. Esto dado que, al momento de extraer el crudo en los pozos, el agua se mezcla
con el crudo generando emulsiones. La acción del agua en este sistema crea serios desafíos
tecnológicos a causa de las fallas en la producción, la alta viscosidad de la emulsión, la reducción del
rendimiento de las refinerías y el aumento inaceptable del costo de las unidades de proceso
posteriores [2]; razón por la cual el agua debe ser removida del crudo. Además, este problema ha
causado el sistemático aumento en las exigencias ambientales por parte de las naciones con
respecto al uso de sus recursos naturales.
Por ende, una nueva alternativa que involucra el uso de la proteína OmpA (proteína transmenbranal
A) será evaluada bajo diferentes condiciones en una emulsión “Agua en Petróleo” o W/O usando
crudo pesado (API 12°). Estas condiciones son el efecto del ultrasonido con una frecuencia de 40Hz,
el efecto magnético al hacer uso de un imán de neodimio con remanencia de 1T, la concentración
de la proteína y la inmovilización de la proteína en nanopartículas de magnetita. Como resultado de
la experimentación con pruebas de botella se obtuvo que la concentración de proteína tiene que
aumentar significativamente para poder modelar la recuperación de agua del sistema en función de
la concentración de proteína OmpA. Por otro lado, las pruebas de botella no convencionales bajo el
efecto de ultrasonido arrojaron una recuperación de 48% de agua sin la necesidad de proteína. Sin
embargo, el uso de la proteína aumenta sustancialmente la calidad de las fases. Por último, las
pruebas de botella bajo efectos magnéticos pueden alcanzar altas recuperaciones de agua a
6000ppm, tomando en cuenta la baja concentración de proteína en las nanopartículas.
Introducción
Las emulsiones se definen como un tipo de sistemas coloidales dispersos que consisten en dos
líquidos inmiscibles [3]: las gotas líquidas (Fase dispersa) se dispersan en un medio líquido (Fase
continua). Se pueden distinguir varias clases: aceite en agua (O/W), agua en aceite (W/O) y aceite
en aceite (O/O). La última clase puede ser ejemplificada por una emulsión que consiste en un aceite
polar (por ejemplo, propilenglicol) dispersado en un aceite no polar (aceite parafínico) y viceversa.
Para dispersar dos líquidos inmiscibles, es necesario un tercer componente: el emulsificante. Este
último debe ser activo en la interfase para reducir la tensión interfacial y, por tanto, reducir la
energía requerida para la emulsificación. Esta clase de sustancias generan un valor agregado
importante a diferentes industrias de alimentos, cosméticos, productos farmacéuticos y productos
agrícolas [4]. Por otro lado, las emulsiones se pueden categorizar en macroemulsiones O/W y W/O,
las cuales usualmente tienen un rango de tamaño de 0.1 a 5 μm con un promedio de 1 a 2 μm [3],
nanoemulsiones que usualmente tienen un rango de tamaño de 20 a 100 nm, muy similar a las
macroemulsiones, siendo cinéticamente estables, microemulsiones que usualmente tienen el
rango de tamaño de 5–50 nm y son termodinámicamente estables, emulsiones múltiples que son
emulsiones de emulsiones, W/O/W y sistemas O/W/O, y emulsiones mixtas que son sistemas que
consisten en dos dispersantes diferentes con gotas que no se mezclan en un medio continuo [3].
En lo que respecta al crudo, se sabe que sus características físicas y químicas varían con la ubicación,
la edad y la profundidad del pozo, dado que el crudo contiene en pseudo-componentes con un rango
de propiedades particulares. Sin embargo, colectivamente todos estos componentes representan
3
las propiedades de todo el crudo, por lo que se puede clasificar entre parafinas (𝐶𝑛𝐻2𝑛+2),
naftas (𝐶𝑛𝐻2𝑛) y grupos aromáticos (𝐶𝑛𝐻2𝑛−6). Además de su contenido de carbono e hidrógeno,
la porción orgánica del petróleo contiene compuestos combinados con azufre, oxígeno y nitrógeno,
así como y metales como el níquel, el vanadio, el hierro y el cobre. Por este motivo, y debido a la
amplia gama de hidrocarbonos, los crudos pueden exhibir un amplio rango de pesos moleculares,
puntos de ebullición, viscosidades y densidades; tanto así, que se usan estas propiedades para
distinguir el crudo ligero del pesado o el extra pesado[6]. Esta clasificación se conoce como “Grados
API” y reúne dichas propiedades de forma cualitativa y cuantitativa, permitiendo clasificar el crudo
en tres categorías: ligero, mediano o pesado. Es importante resaltar que entre más “ligero” sea el
crudo, será mucho más fácil su tratamiento y tendrá un mayor valor agregado industrial. Entonces,
si la gravedad API es menor a 10 se considera betún natural, entre 10° y 22.3° se define petróleo
pesado, de 22.3° a 31.1° se considera como aceite medio y superiores a 31.1° son aceites livianos
[7]. Para el caso de bitumen y crudo pesado, los estándares establecidos por el API no ofrecen
diferencias relevantes en este grupo de sustancias.
Por otro lado, el método SARA (saturados, aromáticos, resinas y asfáltenos) permite clasificar y
analizar los pseudo-componentes que se encuentran en el crudo pesado y bitumen, pues provee
información replicable y además puede sugerir información sobre las propiedades macroscópicas
del crudo. En este método, la fracción de saturados se refiere a todo el material no-polar del crudo
(hidrocarbonos lineales, ramificados y cíclicos), la fracción de aromáticos es polarizable debido a sus
anillos aromáticos, las resinas son miscibles en heptano y los alfaltenos son inmiscibles cuando hay
un exceso de heptano [8].
Ahora bien, las emulsiones agua/crudo son una mezcla compleja que generalmente se producen
junto con agua subyacente para formar emulsiones estables. Es importante pretratar el petróleo
crudo antes de refinarlo buscando eliminar agentes que comprometan la integridad de operaciones
posteriores, como la aparición de agua. La presencia de agua durante la producción de crudo es
indeseable debido a la corrosión de la tubería y el costo adicional de transporte. En este sentido, el
crudo que está prácticamente libre de agua es imperativo para el flujo en tuberías y especialmente
para operaciones de refinación [2]. Sin embargo, el agua que puede ser extraída se emulsiona
cuando se presenta flujo a través del yacimiento o las tuberías y sus accesorios de tuberías como
medios porosos, y podría ser estabilizado por compuestos presentes de forma natural en petróleo
crudo (asfáltenos, resinas, cera y sólidos). La cantidad de agua remanente emulsionada varía del 1%
al 60 % en volumen dependiendo del tipo de crudo, donde para el caso de los crudos medianos y
livianos (> 20°API) las emulsiones contienen típicamente de 5% a 20 % volumen de agua, mientras
que en los crudos pesados y extrapesados (< 20°API) tienen a menudo de 10% a 35 % de agua [9].
Por otra parte, el proceso de demulsificación no es espontáneo y se requiere energía para producir
las pequeñas gotas. Esto puede entenderse a partir de una consideración de la energía requerida
para expandir la interfase, ∆𝐴𝛾, donde ∆𝐴 es el aumento en el área interfacial cuando la fase
aceitosa con área A1 produce una gran cantidad de gotas con área A2 con A2>> A1, 𝛾 es La tensión
interfacial. Como 𝛾 es positivo, la energía para expandir la interfase es grande y positiva; este
término de energía no puede ser compensado por la pequeña entropía de la dispersión T∆S,
también positiva, y la energía libre total de formación de una emulsión, ∆G, es positiva [10].
4
Adicionalmente, las emulsiones en reposo pueden sufrir una serie de procesos de descomposición
que finalmente la rompe a sus dos fases iniciales; procesos determinados principalmente por las
fuerzas de Van der Waals, cuyo balance determina el estado de la emulsión y la estructura de las
unidades formadas [6]. Estos procesos de descomposición afectan las características de flujo
(reología) de la emulsión. Entre dichos procesos se encuentran los fenómenos de formación de
cremas y sedimentación, los cuales resultan de fuerzas externas generalmente gravitacionales o
centrífugas. Cuando tales fuerzas exceden el movimiento térmico de las gotitas (movimiento
Browniano), el gradiente de concentración se acumula en el sistema con las gotas más grandes en
movimiento que resulta un desplazamiento más rápido hasta la parte superior si su densidad es
menor que la del medio (cremación), o hacia la parte superior si su densidad es mayor a la del medio
(Sedimentación) [6]. Otro de estos fenómenos se conoce como floculación, el cual consiste en la
agregación de las gotas sin ningún cambio en el tamaño de gota en unidades más grandes. Esto
ocurre cuando no hay suficiente repulsión para mantener las gotas separadas a distancias donde la
atracción Van der Waals es débil.
Adicionalmente, el proceso Ostwald ripening resulta de la solubilidad de las fases líquidas, donde
los líquidos que son referidos como inmiscibles a menudo tienen solubilidades mutuas que no son
despreciables. Teniendo en cuenta esto, las emulsiones que son polidispersas hacen que las gotas
más pequeñas tengan un tamaño mayor. Finalmente, el fenómeno de coalescencia se refiere al
proceso de adelgazamiento y disrupción de la película líquida entre las gotas resultando en la fusión
de dos o más gotas en las más grandes y así romper la emulsión. Estos fenómenos están
directamente relacionados con propiedades como la calidad del crudo, el emulsificante, el ph, el
potencial z y la viscosidad, propiedades que definen de forma cuasi-general el sistema
proporcionando, brindando información sobre las propiedades físicas y químicas del mismo. Por
esto, muchos modelos que estiman la estabilidad de una emulsión usan las propiedades
anteriormente mencionadas [11].
Debido a estos factores, se han propuesto diferentes alternativas para mejorar el proceso de
demulsificación entre los que se incluyen tratamientos térmicos, mecánicos, eléctricos y químicos.
Los tratamientos térmicos disminuyen la viscosidad, la resistencia interfacial de la película y
aumenta la coalescencia de las gotas por el aumento de energía térmica [12]. En cambio, induce a
costos elevados por el calentamiento de la emulsión, puede aumentar la incrustación de sales en
los equipos y se puede perder moléculas cadenas ligeras de carbono que finalmente disminuye el
valor del crudo [12]. Muchos de los procesos mecánicos utilizan la salinidad, sedimentación, presión
o vapor. Por lo general la salinidad, el vapor y la sedimentación se utilizan como procesos auxiliares,
debido a bajas eficiencias o por presentar rendimientos variables al ser muy dependientes de las
condiciones con las que se operan y son susceptibles a la naturaleza compleja del mismo crudo [12].
En cambio, las alternativas eléctricas aprovechan la gran diferencia de conductividad del crudo y el
agua que posee una cantidad de sales [13], lo que provoca que las gotas de agua se polaricen y
migren a una zona del electrodo. Además, favorece la coalescencia de estas gotas por que se cargan
de energía eléctrica y provoca su posterior descenso por gravedad y ayuda al rompimiento de las
películas de las gotas de agua [13].
Teniendo el creciente interés de protección ambiental que se ha generado a lo largo de estas últimas
dos décadas, se han buscado sustancias que remplacen los surfactantes derivados del petróleo.
Estos han sufrido el rechazo de las naciones debido a que tiene el potencial de comprometer
5
severamente fuentes hídricas, fauna, flora y afectar delicados sistemas ecosistémicos que
benefician en gran manera a las personas. Por esto, los biodemulsificantes se convierten en
productos de alto valor al caracterizarse por su baja toxicidad, biodegradabilidad y estabilidad ante
variaciones de pH, temperatura y salinidad [14]. Por lo tanto, los biosurfactantes intentan mitigar o
reducir al máximo el daño que han producido sus contrapartes [15]. Uno de los productos más
estudiados es la proteína de membrana externa A (OmpA), la cual es la proteína que conforma la
mayor parte de la membrana externa de bacterias gram negativas, especialmente de cepas de E.
coli [16]. La proteína OmpA se compone de dos estructuras principales: la terminal N, de carácter
hidrofóbico, compuesta por aminoácidos del 1 al 171 en 8 cadenas beta y 6 sitios de enlace para
unirse a compuestos orgánicos. Por otra parte, la terminal C, de carácter hidrofílico, se compone de
los aminoácidos 180 al 325 en dominio periplásmico [17]. En la figura 1 se puede observar la
estructura de la proteína OmpA.
Figura 1. Estructura OmpA [18].
Debido a las sus regiones hidrofílicas y lipofílicas, la OmpA puede actuar como un agente
demulsificante. Por esta razón, una emulsión tipo W/O como el crudo puede aumentar el tamaño
de gota, ya que la terminal C tiende a migrar a la fase acuosa. Una vez allí, se llevan a cabo reacciones
entre los residuos (parte del aminoácido que no contiene al grupo amino ni al grupo carboxilo) con
las moléculas de la fase acuosa. Ahora bien, los residuos son específicos para cada aminoácido y
pueden contener grupos ácidos, básicos, polares, no polares o aromáticos [19], de tal manera que
las reacciones tienden preferencialmente a neutralizar las cargas del sistema. Cuando las cargas se
neutralizan, las fuerzas de repulsión entre las gotas disminuyen lo suficiente para permitir su
acercamiento. A partir de lo anterior, en este proyecto se quiere determinar el efecto de la proteína
OmpA en un sistema agua en crudo cuando este último tiene se considera pesado bajo la
clasificación API y SARA. Esto con el fin de observar la recuperación de agua en pruebas de botella
en un lapso de tiempo establecido. Además, se evaluará el efecto de diferentes técnicas que
posiblemente aporten un valor agregado a la proteína, las cuales involucran ultrasonido, campos
eléctricos y magnéticos. Asimismo, se evaluarán otros aspectos cualitativos en la separación de fases
que finalmente mejoren la deshidratación del crudo.
6
Materiales y métodos
a) Síntesis de la proteína OmpA
Se prepararon 100ml de caldo de cultivo Luria Bertani (medio LB) con las composiciones mostradas
en la tabla 1, para luego autoclavar. Posteriormente, se adiciona cloranfenicol buscando que el
medio tenga una concentración de 50 μg/mL. Luego, se sirve el medio LB en una caja de Petri
esterilizada paralelamente y se descongela el clon de E. coli K12 W3110/pCA24N OmpA. Tras
descongelarse el clon, se tomaron 10 μL del clon y se esparce en el agar como un cultivo aislado
para finalmente dejar el cultivo en una incubadora a 37°C por 24 horas.
Tabla 1. Composición del medio LB con capacidad gelificante
Triptona 1 g
NaCl 1 g
Extracto de levadura 0,5 g
Agar-Agar 0,5 g
Por otro lado, se prepararon 40ml de medio LB sin agar en un Erlenmeyer de 250ml, se autoclava y
se pasa una colonia del medio solido al medio de 40ml. Posteriormente, se repite este mismo paso
con 400ml de medio LB. Se prepararon 3,6L de medio LB sin agar en un biorreactor, se autoclava y
se agrega el inoculo de 400ml. Se monitorea el proceso de crecimiento cada 30 minutos mediante
la medición de absorbancia a una longitud de onda de 600nm en un espectrofotómetro hasta
alcanzar un valor de 0,7-0,8. En este punto se agregan 36 gramos de lactosa para que la bacteria
produjera la proteína deseada y se deja a 250rpm y 37°C por 4 horas.
b) Purificación de la proteína OmpA
Para la purificación se utilizó un filtro tangencial buscando obtener el retenido y filtrado. El retenido,
que contiene una alta concentración de bacterias, se distribuye en 8 tubos Falcon de 50ml que se
centrifugan a 4500rpm a 4°C durante 1 hora. Luego de esto, se retira el sobrenadante de los tubos
Falcon para llevar los tubos Falcon al sonicador por 40 ciclos 20 on/40 off con una amplitud de 37%.
Esto permite lisar el pellet y acceder a la proteína. El pellet obtenido de la sonicación se centrifuga
en tubos Eppendorff a 13000 rpm con 4°C por 15 minutos, con lo cual se descarta el pellet y se
recoge el sobrenadante.
c) Preparación de nanopartículas
Primero se preparó 50 ml de una solución con FeCl3 (0.811 g/ml) en agua tipo I, luego realizo una
50ml de una solución con FeCl2 (0.0316 g/ml) en agua tipo I y finalmente 50ml de una solución con
NaOH (0.2 g/ml). Habiendo finalizado la preparación de las tres soluciones se calentó la solución de
NaOH a 90 ◦C en una plancha de calentamiento, después se procedió a vertir las soluciones de FeCl2
y FeCl3 a la solución de NaOH. Se procedió a lavar las nanopartículas, para esto, se utilizó un imán
de neodimio para acelerar la precipitación de las nanopartículas, se retiró todo el sobrenadante y
se agregó 100 ml de agua tipo I, se agito hasta resuspender las nanopartículas totalmente. Se realizó
este procedimiento 8 veces. Finalmente, se retiró todo el volumen de agua y se liofilizaron las
nanopartículas [20].
7
d) Inmovilización de nanopartículas
Para la primera etapa del proceso se preparó 60 ml de una solución con 200 mg de nanopartículas
en agua tipo I, luego se elaboró 3ml de una solución con 1 ml de hidróxido de tetrametilamonio
(TMAH) en agua tipo I, posteriormente se hizo 2 de una solución con 0.25g de proteína OmpA y
finalmente 1.84ml de una solución con 0.16ml de glutaraldehído [20].
En la segunda etapa del proceso se procedió a sonicar la solución de nanopartículas durante 20
minutos, pulso 30-30, amplitud 37%. Una vez terminado el ciclo de sonicación se inició un nuevo
ciclo de 12 minutos con las mismas condiciones de pulso y amplitud. Durante el primer pulso off del
ciclo de sonicación se agregó la solución de TMAH. Pasado 5 minutos de sonicación, se agregaron
100µl de Ácido Acético. Una vez finalizado este ciclo, se inició un nuevo ciclo de sonicación de 31
minutos. Durante el primer pulso off se agregaron 300 µl de aminopropiltritoxisilano (APTES). Una
vez finalizado este ciclo, se dejó reaccionar durante 30 minutos. Después de finalizado el tiempo de
reacción se procedió a realizar 5 lavados de 100 ml cada uno con agua Tipo I. Se resuspendió la
solución de nanopartículas en 30ml de agua Tipo I y se agregó la solución de glutaraldehıdo, se dejó
reaccionar durante 30 minutos sin agitación. Una vez finalizado el tiempo de reacción se agregó la
solución de OmpA. Finalmente, se utilizó Parafilm para sellar el recipiente y se dejó reaccionar
durante toda la noche. Al día siguiente se realizaron 10 lavados con 50ml de agua Tipo I cada uno
llevando la solución a un pH de 7.4 [20].
e) Preparación de la emulsión agua-en-crudo
Se preparó 41 gramos de crudo en recipiente para su posterior calentamiento en condiciones
controladas. Al alcanzar 116°C, se enfría hasta 70°C. Luego, se colocó el recipiente con crudo en una
plancha para que el crudo alcance una temperatura constante de 60°C. Posteriormente, se utiliza el
Dispermat (agitación 5000rpm) para crear una agitación homogénea del crudo mientras se agrega
18 ml de agua desionizada con ayuda de una bomba peristáltica que adiciona agua a una tasa de
30ml/min. Finalizado el anterior proceso, se mezcla la emulsión por 15 min, para después mezclar
la emulsión con el Rotor-dispersor durante 15 min a 8800rpm hasta que tenga las características
similares que tendría el sistema en una operación industrial real [1].
f) Preparación de las pruebas de botella estándar
Luego de tener una emulsión estable de agua/crudo a 60°C, se utiliza el Dispermat para mezclar la
emulsión mientras se agregan de forma manual 210µl y 1050µl de proteína con una concentración
de 28.5 mg/ml para obtener muestras de 100ppm y 500ppm respectivamente [1]. Después, se
introduce 40ml de emulsión con proteína OmpA en un tubo zanahoria para así, sumergir la muestra
en un baño termostatado a 60 °C por 24 horas. Posteriormente, se monitoreo el comportamiento
de la muestra cada 8 horas por medio fotográfico para poder observar el grado de demulsificación
de las pruebas [4].
8
g) Preparación de las pruebas de botella asistida con ultrasonido
Después de obtener una emulsión estable de agua/crudo a 60°C, se utiliza el Dispermat para mezclar
la emulsión mientras se agregan de forma manual 210µl, 1050µl de proteína inmovilizada con una
concentración de 28.5 mg/ml para obtener muestras de 100ppm, 500ppm respectivamente [1].
Posteriormente, se introduce 40ml de emulsión con proteína OmpA en un tubo zanahoria para así
sumergir la muestra en un baño ultrasonido a 60 °C y 40Hz por 24 horas [21]. Además, Se monitorea
el comportamiento de la muestra cada 8 horas por medio fotográfico para poder observar el grado
de demulsificación [4]. Aun así, en la figura 2 se puede observar el diagrama de trabajo para las
pruebas de botella previamente mencionado.
Figura 2. Diagrama de trabajo para las pruebas de botella con ultrasonido
h) Preparación de las pruebas de botella asistida con magnetismo
Siguiendo los mismos pasos para la preparación de emulsiones en el inciso e, se utiliza el Dispermat
para mezclar la emulsión mientras se agregan de forma manual 210µl, 1050µl y 2100 µl de proteína
con una concentración de 28.5 mg/ml para obtener muestras de 100ppm, 500ppm y 1000ppm
respectivamente [1]. Posteriormente, se introduce 40ml de emulsión con proteína OmpA en un tubo
zanahoria para así sumergir la muestra en un baño termostatado a 60 °C por 24 horas [22]. Se
monitorea el comportamiento de la muestra cada 8 horas por medio fotográfico para poder
observar el grado de demulsificación [4]. Adicionalmente, en la figura 3 se puede observar el
esquema montaje establecido.
9
Figura 3. Esquema experimental de la prueba de botella con imán de neodimio
i) Seguimiento de pruebas
Para captar datos relevantes en caso de una separación efectiva de fases, se plantea la separación
del agua en los tubos zanahoria. Esto permitirá observar y cuantificar la cantidad de agua separada
de la emulsión para realizar pruebas cualitativas como FTIR. Finalmente, permitirá determinar la
eficiencia, calidad, representatividad y validación de la proteína se requiere una combinación de
estos aspectos cualitativos y cuantitativos [1].
3. Resultados y discusión
a) Pruebas de botella estándar (parámetros establecidos en la sección 2f)
Para las pruebas de botella convencionales se utilizó proteína pura y proteína inmovilizada a
concentraciones de 100ppm y 500ppm. Dada la dificultad en la producción de la proteína y las
nanopartículas solo se logró realizar las pruebas con concentración de OmpA anteriormente
mencionadas. En la figura 4 se puede observar los resultados de dichas pruebas y se puede denotar
que la experimentación no logra una separación de fases apreciable y aunque que el aumento de la
concentración de la proteína en el sistema no muestra un cambio significativo en la separación de
la emulsión. Esto puede indicar que la proteína aumenta el tamaño de las gotas de agua en el crudo,
pero el lapso de tiempo de 24 horas no permite su asentamiento y se aprecie la separación de fases.
Figura 4. Resultados de pruebas de botella 100ppm pura, 500ppm pura, 100ppm inmovilizada y 500ppm inmovilizada
Según la literatura, el mecanismo para la desestabilización de una emulsión tiene en cuenta factores
como cantidad, solubilidad, actividad interfacial, estabilidad, entre otras propiedades del
demulsificante afectan el rendimiento de la recuperación del agua [23]. Dicho esto, se puede inferir
10
que los resultados obtenidos de las pruebas de botella no son representativos para la proteína
OmpA debido a las bajas concentraciones de esta en el experimento. También, se encuentra la falta
de un acercamiento sistemático en cuanto al registro fotográfico de las pruebas y esto puede
impedir la apreciación de pequeñas regiones en donde se aprecie una separación de fases.
b) Pruebas de botella asistidas con ultrasonido
Para evaluar la viabilidad del uso de ultrasonido como estrategia para amplificar la recuperación de
agua cuando se usa la proteína OmpA. Para esto, se utilizó un baño de ultrasonido con frecuencia
de 40Hz a 60°C por 24 horas. En la experimentación se evaluó el efecto de la concentración de la
proteína inmovilizada a 0ppm(control), 100ppm y 500ppm. Antes de iniciar la experimentación se
buscó literatura sobre la localización espacial de los tubos zanahoria por que se sospechaba que la
distribución de la potencia acústica en el baño ultrasonido no sería homogénea debido a la
localización del transductor y podría influir en los resultados, esto resulto que la posición del tubo
zanahoria fuera central. Habiendo finalizado esto se procedió a realizar las pruebas de botella que
se especifican en la sección 2g y estos resultados se observan en la figura 5 y 6.
Figura 5. Resultados de pruebas de botella control, 100ppm, 500ppm bajo ultrasonido
Figura 6. Recuperación de agua en función de la concentración de proteína bajo la influencia de ultrasonido
En la figura 5 se puede observar que en todas las pruebas hubo una separación significativa de fases,
esto sugiere que el efecto asistido del ultrasonido en las emulsiones aumenta sustancialmente la
recuperación de agua. Aunque, en la figura 6 se puede inferir que no hay diferencia significativa en
la separación al momento de aumentar la concentración de proteína. También se puede destacar
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500Rec
up
erac
ion
de
agu
a [%
]
Concentración [ppm]
11
que cualitativamente las pruebas con proteína OmpA inmovilizadas poseen menor turbiedad y
mayor claridad en el agua recuperada. Según la literatura esto resultados pueden ser atribuidos a
los efectos mecánicos producidos por la cavitación acústica en un sistema acuoso cuando el sistema
está expuesto a bajas frecuencias [21]. También, se debe tener en cuenta el efecto de onda
estacionaria que se produce en el baño ultrasonido a bajas frecuencias, este efecto puede acercar
las gotas de agua y aumentar la coalescencia de las gotas [24]. Esto podría resumirse a que el efecto
del ultrasonido (cavitación u onda estacionaria) puede ser un agente que desestabilice la emulsión
y produzca la coalescencia entre las gotas de agua. Finalmente, se podría decir que al aumentar
sustancialmente el tamaño de gota incrementa la velocidad de caída de la gota según la ley de
Stokes y por ende disminuye el tiempo de la separación de fases.
c) Pruebas de botella asistidas con imanes
Para evaluar la viabilidad del uso de magnetismo como estrategia para amplificar la recuperación
de agua cuando se usa la proteína OmpA, para esto, se utilizó un imán de neodimio(1T). En las
figuras 7 y 8 se pueden observar los resultados experimentales. En esta la prueba se aumentó la
concentración de la proteína inmovilizada a 100ppm, 500ppm y 1000ppm. Como se puede observar
la separación de fases ocurre cuando la concentración de proteína OmpA inmovilizada alcanza las
1000ppm y por métodos estadísticos se determinó que se requiere aproximadamente de 6000ppm
para poder obtener altas recuperación de agua (70%-80%).
Figura 7. Resultados de pruebas de botella 100ppm, 500ppm y 1000ppm bajo efecto magnético
Figura 8. Recuperación de agua en función de la concentración de proteína
Según la literatura las nanopartículas de magnetita poseen propiedades como una alta temperatura
de Curie, altos niveles de saturación magnética, superparamagnetismo, baja toxicidad, estabilidad
química, buena biocompatibilidad, entre otras propiedades [25]. Las anteriores cualidades hacen
que las nanoparticulas de magnetita sea una opción viable para inmovilizar la proteína OmpA. La
0
1
2
3
4
5
0 500 1000
Rec
up
erac
ion
de
agu
a [%
]
Concentración [ppm]
12
estrategia de utilizar fuerzas magnéticas para ayudar la separación de fases mediante el aumento
de la capacidad de bombeo en la muestra debido al superparamagnetismo de las nanopartículas de
magnetita. Esto quiere decir que cuando la proteína OmpA inmovilizada en nanopartículas de
magnetita ingresa en la emulsión y recibe fuerzas magnéticas externas estas empiezan a presentar
cualidades magnéticas. Esta nueva capacidad magnética de las nanopartículas aumentaría la
coalescencia de las gotas y el movimiento global de estas hacia el imán de neodimio y esto
finalmente ayudaría la separación de fases. Además, está demostrado experimentalmente el efecto
anteriormente descrito usando pruebas de botella además de presentar una recuperación de agua
muy superior a la obtenida en la figura 8 [13]. Esto indica que las nanopartículas sintetizadas
pudieron sufrir de oxidación, agregación con otras nanopartículas, contaminación, entre otros
factores que finalmente comprometerían el propósito de la estrategia de demulsificación asistida
anteriormente mencionada.
d) Consideraciones finales
Para todas las pruebas de botella se tuvo un especial cuidado con sus condiciones en las cuales se
llevaron a cabo los experimentos dado que la proteína puede denaturarse, lo cual ocasiona una
pérdida de propiedades estructurales y una disminución en su eficiencia como demulsificante. Por
esto, se tuvo en cuenta el control de la temperatura y la frecuencia del ultrasonido para evitar
comprometer la estructura anfifílica de la proteína.
El uso de la proteína OmpA libre y/o inmovilizada en nanopartículas conforma una alternativa
efectiva para solucionar problemas en la industria petrolera, como la formación de emulsiones W/O,
derrames fortuitos, alta viscosidad del crudo, entre otros. Este tipo de biosurfactante tiene un alto
valor respecto a los surfactantes clásicos debido a su acción específica, baja toxicidad, mayor
biodegrabilidad, pH, salinidad y amplio campo de aplicación.
4. Conclusiones
La proteína OmpA inmovilizada en nanopartículas de magnetita si produce un efecto significativo
en el rompimiento de la emulsión agua/crudo, pero las cualidades de crudo pesado y extra pesados
no permiten una rápida separación de fases. Este efecto se puede mitigar aumentando la
concentración de proteína o utilizando métodos que faciliten la separación de fases como
tratamientos físicos o químicos que alteren el sistema. Ahora, el efecto magnético ayuda
significativamente el rompimiento de la emulsión debido a que mejora la incorporación de la
proteína a lo largo del crudo y puede desplazar las gotas de agua gracias a fuerzas magnéticas. Las
pruebas de botella bajo la acción de ultrasonido obtuvieron una alta separación y se observó que el
uso de la proteína OmpA mejora la calidad del agua recuperada del proceso. Esto podría indicar que
la turbulencia generada por cavitación y la energía acústica en la emulsión podría debilitar la película
interfacial en las gotas finalmente esto aumentaría la coalescencia de las gotas.
El proceso de síntesis de la proteína demanda importantes cantidades de recursos y tiempo por lo
que se sugiere implementar nuevas estrategias para el escalamiento de la producción y así poder
realizar más pruebas que permitan obtener una curva de demulsificación más amplia y que pueda
aportar más información del sistema. Por esto se sugiere realizar pruebas con concentraciones hasta
de 40000ppm. Por otro lado, la baja concentración de proteína obtenida dificulta la realización de
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pruebas confiables, debido a que dificulta la realización de pruebas a altas concentraciones y
aumenta la incertidumbre de los datos obtenidos por posibles contaminantes.
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