Revisión del uso de biosurfactantes para su implementación en los procesos de recuperación mejorada de petróleo1

Resumen

Mejorar el desempeño de los procesos de recuperación mejorada de petróleo (EOR) es de vital importancia en la industria petrolera, debido a que la cantidad de campos maduros seguirá creciendo y cada año más yacimientos superarán su pico de producción. Las tecnologías emergentes de recobro químico son una alternativa eficiente para reducir la cantidad de petróleo remanente que queda originalmente en sitio después de realizar las técnicas convencionales de extracción. Sin embargo, las sustancias químicas usadas son de origen sintético, lo que quiere decir que no son biodegradables. Por tal razón, la industria petrolera reconoce la necesidad de implementar nuevas técnicas amigables con el medio ambiente, que permitan aumentar el recobro de petróleo en campos maduros dada la dificultad de encontrar nuevos yacimientos. En este artículo se revisa la implementación de biosurfactantes en los procesos de recuperación mejorada de petróleo como una nueva alternativa para los procesos de recobro químico. El interés por crear e implementar compuestos que sean biodegradables, no tóxicos y además eficientes ha aumentado en todos los sectores de la industria durante los últimos años, y el caso de los surfactantes no es la excepción, ya que se ha demostrado que tienen un gran potencial de aplicación. Los biosurfactantes, a diferencia de sus contrapartes sintéticas, se producen a partir de recursos renovables, utilizando materias primas vegetales o mediante procesos de fermentación con diferentes tipos de microorganismos. Además, son biodegradables, tienen una menor toxicidad, una alta capacidad de reducir la tensión interfacial (IFT) a concentraciones bajas y presentan una buena actividad en un amplio rango de temperaturas.

Palabras clave: recuperación mejorada de petróleo (EOR), recobro químico, biosurfactante, surfactante, tensión interfacial (IFT), biodegradable.

I. INTRODUCCIÓN

Los combustibles hidrocarbonados han sido la fuente de energía más importante a nivel mundial, debido a que nuestra sociedad e infraestructura depende en gran parte del petróleo. Actualmente, los hidrocarburos abastecen alrededor del 75% de la energía en Colombia [1]. La industria petrolera hace grandes esfuerzos por desarrollar nuevas tecnologías que permitan aumentar la producción de reservas de petróleo residual de una forma económica y además ambientalmente sostenible.

Lograr extraer la mayor cantidad de petróleo del yacimiento es uno de los retos de esta industria. En la actualidad, el factor de recuperación promedio a nivel mundial es de alrededor de 35%, es decir que aproximadamente dos tercios del petróleo queda dentro del yacimiento sin ser extraído [2], mientras que en Colombia el factor de recobro es de alrededor del 23% [3].

Las operaciones de recuperación mejorada de petróleo (EOR, por sus siglas en inglés) son una serie de procesos que buscan extraer un mayor volumen de hidrocarburos en campos maduros donde la extracción convencional no es económicamente atractiva. Actualmente se realizan tres etapas de recuperación de petróleo. Durante la primera y la segunda, se llega a recuperar menos del 50% del petróleo inicial en el lugar (OIIP) y, a partir de este momento, se inicia la tercera etapa, en la que se emplean diferentes tecnologías de recuperación mejorada de petróleo, como la inyección de vapor o sustancias químicas, entre las que se encuentran polímeros, surfactantes o álcalis [4].

Las tecnologías en las que se usan productos químicos para la etapa de recuperación terciaria son ampliamente recomendadas debido a su eficiencia para la recuperación de petróleo. Las sustancias químicas empleadas logran reducir la saturación residual de petróleo a los valores más bajos, ya que alteran las propiedades del agua con la que son inyectadas y, a su vez, modifican la relación entre la salmuera y el hidrocarburo. Sin embargo, estas sustancias son de origen sintético y, por consiguiente, no son biodegradables.

Con base en lo anterior, en este artículo se presenta una revisión bibliográfica sobre la implementación de biosurfactantes en los procesos de recuperación mejorada de petróleo. Inicialmente, se describen las generalidades y propiedades características de los biosurfactantes, así como sus ventajas y aplicaciones, tanto en la industria del petróleo como en otros sectores en los que requiere reducir la tensión interfacial entre dos sustancias inmiscibles para formar una emulsión.

La información recopilada se obtuvo a través de artículos o trabajos de grado de carácter teórico y experimental. Para localizar y acceder a estas fuentes se realizó una búsqueda en diferentes bases de datos, como ScienceDirect, SpringerLink, VirtualPro, AccessEngineering, ResearchGate, OnePetro y Google Académico.

II. MÉTODOS DE RECUPERACIÓN DE PETRÓLEO

Los procesos de producción de hidrocarburos se dividen en tres etapas. La recuperación primaria ocurre cuando la presión natural del yacimiento puede hacer fluir el petróleo hasta la superficie gracias a la energía almacenada, mientras que la recuperación secundaria y la terciaria se inician cuando la presión natural del yacimiento decrece y, por esa razón, utiliza fluidos como agua, gas o sustancias químicas para ejercer una presión adicional sobre el petróleo y hacerlo subir [5].

Tanto la recuperación primaria como la secundaria dejan una gran cantidad de hidrocarburo en el sitio porque, a nivel microscópico, el crudo alcanza la saturación residual al quedar atrapado por las fuerzas capilares, y a nivel macroscópico, el fluido inyectado no penetra todas las zonas de yacimiento debido a la presencia de zonas de baja permeabilidad. Por lo general, la tasa de recuperación primaria es del 10 al 15%, mientras que la recuperación secundaria está entre el 25 y el 30% [6].

El objetivo principal de la recuperación mejorada de petróleo, también conocida como recuperación terciaria, es mejorar la eficiencia de barrido por medio de la reducción de las fuerzas capilares, mediante diferentes técnicas. Para disminuir la tensión interfacial, se utilizan surfactantes o soluciones alcalinas, y para mejorar la eficiencia de barrido, se utiliza el calentamiento, ya que con este se disminuye la viscosidad del petróleo. Los polímeros se utilizan para aumentar la viscosidad del agua, y la espuma, para taponar los caminos preferenciales con alta permeabilidad [6].

Por medio de la difusividad y las ecuaciones de la ley de Fick se describe el flujo de los fluidos presentes en el interior del yacimiento a lo largo del tiempo [7]. La difusión y la dispersión son mecanismos importantes para el transporte de productos químicos [7]. La transferencia de masa o difusión, como también se le conoce, relaciona el flujo de la sustancia que se está difundiendo y el gradiente de concentración responsable de dicha transferencia [8].

La difusión se puede describir como el transporte molecular de una sustancia de una región de alta concentración a una de baja concentración debido al movimiento molecular

aleatorio; la transferencia ocurre hasta alcanzar una concentración de equilibrio [9]. La dispersión, a diferencia de la difusión, se da por variaciones de la velocidad y, además, incorpora la mezcla que se genera durante el transporte de los fluidos a través de un medio poroso [7].

III. SURFACTANTES

Los surfactantes, también conocidos como tensoactivos, son compuestos orgánicos de carácter anfifílico, debido a que están conformados por un grupo apolar, constituido por una cadena de carbonos, y un grupo polar en la

misma molécula. La parte hidrófoba (cola) es soluble en hidrocarburos y la parte hidrofílica (cabeza) es soluble en agua [10]. En la industria del petróleo, el surfactante cobra una gran importancia por la capacidad que tiene para reducir la tensión interfacial (IFT, por sus siglas en inglés) entre el petróleo y el agua con la solución de surfactante a valores bajos (en el orden de 0,01 a 0,001 dyn/cm) [11]. Cuando el conglomerado de moléculas tensoactivas forma una micela (ver figura 1), esta rodea y cubre en su interior al hidrocarburo, produciendo así una microemulsión (mezcla de dos fases inmiscibles, agua- petróleo), la cual permite movilizar con mayor facilidad el petróleo residual hacia los pozos productores [12].

Figura 1.
Acción microscópica de un surfactante
Adaptada de [4, p. 26].

I. INYECCIÓN DE SURFACTANTES

Los tensoactivos se pueden producir a partir de diferentes materias primas; los surfactantes sintéticos se obtienen a partir de derivados del petróleo, mientras que los biosurfactantes se producen a partir de extractos de plantas o de la transformación de residuos industriales por medio de microorganismos [13]. Actualmente, los surfactantes más utilizados para los procesos de recobro mejorado son los productos derivados del petróleo, como los sulfonatos propoxilados con cadenas levemente ramificadas de hidrocarburos [14].

En la industria del petróleo, los surfactantes frecuentemente utilizados para los procesos EOR son los sulfonatos de petróleo. Estos sulfonatos se han fabricado a partir de ciertos productos de refinería. Por ejemplo, el extracto de furfural, obtenido en las operaciones de lubricación con solventes, se considera una materia prima para la preparación de sulfonatos. Los sulfonatos de petróleo se preparan mediante la sulfonación de fracciones de gasóleo con trióxido de azufre [15][16].

La inyección de surfactantes consiste, inicialmente, en mezclar el surfactante seleccionado con el agua del yacimiento para formar una solución que se introducirá en el pozo inyector. Una vez introducida en el yacimiento, la solución actuará como un tapón (slug) que reduce la tensión interfacial en la interfaz agua-petróleo, lo que produce una disminución de las fuerzas capilares y permite separar el petróleo de la roca porosa, para que se movilice con mayor facilidad hasta el pozo productor. La solución con el surfactante será empujada a través del yacimiento mediante una inyección convencional de polímero, para asegurar que la movilidad del tapón del surfactante esté bien controlada [11]. Finalmente, la solución con el polímero será empujada a través del yacimiento por medio de la inyección de agua convencional.

Las propiedades del yacimiento con las que se han obtenido resultados exitosos con las técnicas de recuperación por inyección de surfactantes y polímeros se presentan en la tabla 1. Por otro lado, en la tabla 2 se muestran las ventajas y desventajas de la inyección de surfactante en un yacimiento de petróleo.

Tabla 1.
Criterios de selección para la inyección de surfactante
Elaboración propia

Tabla 2.
Ventajas y desventajas de la inyección de surfactantes
Basada en [7] y [11].

La inyección de surfactante y polímero (SP) mejora la recuperación de petróleo, gracias a su capacidad para reducir la movilidad del agua y reducir la saturación de petróleo residual al disminuir la IFT, aumentar el número capilar y modificar la permeabilidad relativa. En la inyección de SP, el polímero no cambia significativamente los valores de IFT y el surfactante no modifica signifi cativamente la viscosidad de la solución [7].

II. BIOSURFACTANTES

Los biosurfactantes son tensoactivos de origen natural que pueden ser producidos por diferentes tipos de microorganismos o plantas [4],[19]. Se caracterizan por ser biodegradables y presentar baja toxicidad, por lo cual son candidatos para reemplazar a los surfactantes sintéticos [10].

El interés por implementar compuestos que sean biodegradables, no tóxicos, y además eficientes en todos los sectores de la industria, ha aumentado en los últimos años, y el caso de los surfactantes no es la excepción. Cada vez más, se busca producir surfactantes a partir de nuevas materias primas en las que se aprovechen los desechos agroindustriales y las sustancias biodispo nibles. Pero sin importar la forma en la que se produzca, el principal objetivo es obtener un tensoactivo con baja concentración micelar crítica (CMC), alta capacidad de reducir la IFT, buena solubilidad, y buena actividad en un amplio rango de temperatura [20].

Tradicionalmente, se conoce de la existencia de materias primas vegetales con la capacidad de disminuir la tensión interfacial. Esto se debe a la presencia de saponinas en algunas plantas. Las saponinas son sustancias muy polares, de naturaleza anfifílica, a las que se les atribuyen propiedades tensoactivas [21]. En la tabla 3 se presentan algunas especies vegetales con las que se pueden producir biosurfactantes. Asimismo, diversos tipos de microorganismos, como bacterias, levaduras y hongos, son capaces de producir biosurfactantes a partir de su metabolismo. Sin embargo, las bacterias son las mayores productoras [22]. La cantidad y estructura del biosurfactante producido por microorganismos depende del medio de cultivo, la fuente de carbono y las condiciones de crecimiento, como temperatura y pH. En la tabla 4 se mencionan algunos microorganismos que pueden producir biosurfactantes [23].

Tabla 3
Biosurfactantes derivados de diferentes materias primas vegetales
Elaboración propia

Tabla 4.
Fuentes microbianas y propiedades de algunos biosurfactantes
Adaptada de [23, p. 49].

La biodegradabilidad y la toxicidad de los surfactantes son factores tan importantes como el desempeño del producto, el precio de la materia prima y la manufactura [10]. Por esta razón, en los últimos años ha sido necesario buscar nuevas alternativas económicamente viables con un menor impacto ambiental

Los biosurfactantes ofrecen un amplio rango de nuevas estructuras y propiedades fisicoquímicas. Presentan menor toxicidad, mayor biodegradabilidad, buena actividad en condiciones extremas de temperatura, salinidad y pH, además pueden producirse a partir de materias primas renovables. En la tabla 5 se muestran las ventajas de los biosurfactantes.

Tabla 5.
Ventajas de los biosurfactantes
Elaboración propia.

III. APLICACIONES DE LOS BIOSURFACTANTES

Actualmente, los biosurfactantes son potenciales sustitutos de los surfactantes sintéticos en diferentes procesos industriales [37]. En la tabla 6 se muestran algunas de sus aplicaciones.

Tabla 6.
Aplicaciones de los biosurfactantes
Elaboración propia.

Por otro lado, en los artículos científicos [38], [39], [34], [25], [35], [40], [41], [42], [43], [44] se evalúa la

implementación de biosurfactantes en los procesos de EOR a escala de laboratorio. En dichas investigaciones se tiene en cuenta el porcentaje de recuperación de petróleo que se logra tras la inyección de estos compuestos; además, en algunos de ellas se comparan los resultados alcanzados con los de un surfactante sintético. En la tabla 7 se muestra los resultados obtenidos con algunos biosurfactantes producidos a partir de extractos de plantas, y en la tabla 8 se recopilan los resultados relacionados con la implementación de biosurfactantes obtenidos a partir de microorganismos en los procesos de EOR.

Tabla 7.
Aplicación de biosurfactantes obtenidos a partir de materias primas vegetales en los procesos de EOR
Elaboración propia

Los resultados expuestos en las tablas 7 y 8, de estudios a escala de laboratorio, permiten observar que los biosurfactantes tienen un gran potencial de aplicación en la recuperación mejorada de petróleo, dado que pueden llegar a cumplir las mismas funciones que los surfactantes sintéticos y obtener un recobro de petróleo incremental de alrededor del 20%.

La ventaja de los biosurfactantes es que logran reducir la tensión interfacial utilizando menor concentración de tensoactivo y, por ende, menor cantidad del agente químico, debido a que los biosurfactantes se caracterizan por tener una concentración micelar critica baja. Por otra parte, los biosurfactantes, al ser de carácter no iónico, presentan menor adsorción en la roca del yacimiento, por lo tanto, cabe esperar una menor pérdida del agente químico, lo cual resulta favorable, ya que una vez el

surfactante se adsorbe en la roca, se reduce la concentración del tensoactivo y, en consecuencia, se hace menos eficiente la reducción de la IFT [7].

A pesar de las ventajas de los biosurfactantes, su uso es limitado aún, debido al alto costo de producción. No obstante, en el caso de los surfactantes producidos a partir de microorganismos mediante procesos de fermentación, es recomendable el uso de materias primas más baratas y la optimización en los componentes del medio de cultivo para hacer más viable la producción de biosurfactantes.

[41][37]. De otra parte, se pueden usar desechos de la industria láctea; residuos de la industria agrícola y aceites vegetales; sustancias de almidón, como residuos de productos de papa, y glicerol, melaza, queso o residuo de la producción de biodiesel [38].

Tabla 8.
Aplicación de biosurfactantes obtenidos a partir de microorganismos en los procesos EOR
Elaboración propia.

Por otro lado, en el caso de los biosurfactantes obtenidos a partir de material vegetal, es recomendable implementar procesos que requieren una menor cantidad de solvente para la extracción de saponinas. Las técnicas de extracción verde, en comparación con las técnicas de extracción por reflujo, requieren menor cantidad de solvente, puesto que son asistidas por la manipulación de presión y temperatura. Entre estas técnicas se encuentran la extracción acelerada por solvente (ASE, por sus siglas en inglés) y la extracción asistida por ultrasonido (EAU) [21].

17 empresas han desarrollado con éxito la producción de biosurfactantes a escala industrial para diversas aplicaciones, relevantes en la industria del petróleo, la biorremediación, la farmacéutica, la cosmética, y las industrias de alimentos, entre otras. En la tabla 9 se mencionan cinco de estas empresas [4].

Tabla 9.
Empresas productoras de biosurfactantes
Adaptada de [4, p. 25].

IV. CONCLUSIONES

Los biosurfactantes no solo tienen un gran potencial de aplicación en los procesos de Recuperación Mejorada de petróleo (EOR), sino que también son empleados en otros sectores de la industria, debido a que pueden llegar a cumplir las mismas funciones que los surfactantes sintéticos.

Pueden producirse a partir de diferentes materias primas vegetales, en presencia de saponinas, o pueden obtenerse mediante procesos de fermentación con diferentes tipos de microorganismos, especialmente bacterias.

Los biosurfactantes tienen una alta capacidad de reducir la tensión interfacial (IFT) a menores concentraciones de tensoactivo. Por otro lado, presentan menor toxicidad, mayor biodegradabilidad, buena actividad en condiciones extremas de temperatura, salinidad y pH. Además pueden producirse a partir de materias primas renovables.

Para disminuir el costo de la producción de biosurfactantes a partir de microorganismos es recomendable utilizar materias primas más económicas para el medio de cultivo, como residuos de la industria agrícola, residuos de productos de papa, melaza, queso o residuo de la producción de biodiesel. También se puede optimizar la producción de biosurfactantes a partir de materias primas vegetales con la extracción de saponinas mediante la aplicación de técnicas como la extracción acelerada por solvente (ASE) y la extracción asistida por ultrasonido (EAU), en las cuales se requiere menor cantidad de solvente.

La inyección de biosurfactante a escala de laboratorio presenta un recobro de petróleo incremental de alrededor del 20%, similar al que se obtiene con los surfactantes sintéticos. Por tal razón, una vez que se optimicen los procesos de producción de los biosurfactantes es recomendable iniciar pruebas piloto a nivel de campo.

LISTA DE ABREVIATURAS

API: American Petroleum Institute

EOR: recuperación mejorada de petróleo OIIP: petróleo inicial en el lugar

IFT: Tensión interfacial

SP: inyección de surfactante y polímero CMC: concentración micelar crítica

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