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1 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.

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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.

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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

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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].

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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

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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.

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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].

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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].

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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.

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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

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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]

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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]

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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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