Środki powierzchniowo czynne i biosurfaktanty do czego służą, przykłady i zastosowania



A środek powierzchniowo czynny jest związkiem chemicznym zdolnym do zmniejszenia napięcia powierzchniowego substancji ciekłej, działając na powierzchnię styku lub powierzchnię styku dwóch faz, na przykład woda-powietrze lub woda-olej.

Termin surfaktant pochodzi od angielskiego słowa środek powierzchniowo czynny, który z kolei pochodzi od akronimu wyrażenia surfowaćas aktywny środek, co oznacza u hiszpańskiego agenta aktywność międzyfazową lub powierzchniową.

W języku hiszpańskim używa się słowa „surfaktant”, odnosząc się do zdolności działania związku chemicznego na napięcie powierzchniowe lub międzyfazowe. Napięcie powierzchniowe można zdefiniować jako opór, z jakim ciecze muszą zwiększać swoją powierzchnię.

Woda ma wysokie napięcie powierzchniowe, ponieważ jej cząsteczki są bardzo silnie związane i odporne na rozdzielanie, gdy na jej powierzchnię wywierany jest nacisk.

Na przykład niektóre owady wodne, takie jak „szewc” (Gerris lacustris), może poruszać się po wodzie bez opadania dzięki napięciu powierzchniowemu wody, co pozwala na tworzenie się filmu na jego powierzchni.

Ponadto stalowa igła jest utrzymywana nad powierzchnią wody i nie opada, z powodu napięcia powierzchniowego wody.

Indeks

  • 1 Struktura i działanie środków powierzchniowo czynnych
  • 2 Do czego służą środki powierzchniowo czynne??
  • 3 Biosurfaktanty: środki powierzchniowo czynne pochodzenia biologicznego
    • 3.1 Przykłady biosurfaktantów
  • 4 Klasyfikacja biosurfaktantów i przykłady
    • 4.1 - Zgodnie z charakterem ładunku elektrycznego w części polarnej lub głowicy
    • 4.2 - Zgodnie z jego charakterem chemicznym
    • 4.3 - W zależności od masy cząsteczkowej
  • 5 Produkcja biosurfaktantów
  • 6 Zastosowania biosurfaktantów
    • 6.1 Przemysł naftowy
    • 6.2 Sanitacja środowiskowa
    • 6.3 W procesach przemysłowych
    • 6.4 W przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym
    • 6.5 W przemyśle spożywczym
    • 6.6 W rolnictwie
  • 7 referencji

Struktura i działanie środków powierzchniowo czynnych

Wszystkie chemiczne środki powierzchniowo czynne lub środki powierzchniowo czynne są natury amfifilowy, to znaczy, że mają podwójne zachowanie, ponieważ mogą rozpuszczać związki polarne i niepolarne. Środki powierzchniowo czynne mają dwie główne części w swojej strukturze:

  • Hydrofilowa głowa polarna, podobna do wody i związków polarnych.
  • Niepolarny hydrofobowy, lipofilowy ogon, powiązany ze związkami niepolarnymi.

Głowa polarna może być niejonowa lub jonowa. Ogon środka powierzchniowo czynnego lub części niepolarnej może być łańcuchem węgla i alkilu wodoru lub alkilobenzenu.

Ta szczególna struktura powoduje, że związki chemiczne środka powierzchniowo czynnego mają podwójne, amfifilowe zachowanie: powinowactwo do związków lub faz polarnych, rozpuszczalne w wodzie, a także powinowactwo do związków niepolarnych, nierozpuszczalne w wodzie.

Ogólnie rzecz biorąc, środki powierzchniowo czynne zmniejszają napięcie powierzchniowe wody, co pozwala tej cieczy rozszerzać się i płynąć w większym stopniu, zwilżając sąsiednie powierzchnie i fazy.

Do czego służą środki powierzchniowo czynne??

Związki chemiczne powierzchniowo czynne wywierają swoją aktywność na powierzchniach lub powierzchniach styku.

Gdy rozpuszczają się w wodzie, migrują do interfejsów woda-olej lub woda-powietrze, na przykład tam, gdzie mogą funkcjonować jako:

  • Dyspergatory i solubilizatory nierozpuszczalnych lub słabo rozpuszczalnych związków w wodzie.
  • Humektanty, ponieważ sprzyjają przechodzeniu wody do nierozpuszczalnych faz w tym.
  • Stabilizatory emulsji związków nierozpuszczalnych w wodzie i wodzie, takich jak woda olejowa i majonezowa.
  • Niektóre środki powierzchniowo czynne sprzyjają, a inne zapobiegają tworzeniu się piany.

Biosurfaktanty: środki powierzchniowo czynne pochodzenia biologicznego

Gdy środek powierzchniowo czynny pochodzi z żywego organizmu, nazywa się go biosurfaktantem.

W bardziej rygorystycznym znaczeniu biosurfaktanty są uważane za amfifilowe związki biologiczne (o podwójnym zachowaniu chemicznym, rozpuszczalne w wodzie i tłuszczach), wytwarzane przez mikroorganizmy, takie jak drożdże, bakterie i grzyby nitkowate..

Biosurfaktanty są wydalane lub zatrzymywane jako część błony komórkowej bakterii.

Również niektóre biosurfaktanty są wytwarzane w procesach biotechnologicznych, przy użyciu enzymów, które działają na biologiczny związek chemiczny lub produkt naturalny.

Przykłady biosurfaktantów

Wśród naturalnych biosurfaktantów możemy wymienić saponiny roślin, takie jak kwiat cayenne (Hibiskus sp.), lecytyna, soki żółciowe ssaków lub ludzki płucny środek powierzchniowo czynny (o bardzo ważnych funkcjach fizjologicznych).

Ponadto aminokwasy i ich pochodne, betainy i fosfolipidy to wszystkie biosurfaktanty, wszystkie te naturalne produkty pochodzenia biologicznego.

Klasyfikacja biosurfaktantów i przykłady

-Zgodnie z naturą ładunku elektrycznego w części polarnej lub głowowej

Biosurfaktanty można pogrupować w następujące kategorie, w zależności od ładunku elektrycznego twojej głowy polarnej:

Anionowe biosurfaktanty

Mają ładunek ujemny na końcu polarnym, często ze względu na obecność grupy sulfonianowej -SO3-.

Kationowe biosurfaktanty

Mają ładunek dodatni na głowie, zwykle czwartorzędową grupę amoniową NR4+, gdzie R oznacza łańcuch węgla i wodoru.

Amfoteryczne biosurfaktanty

Mają dwa ładunki dodatnie i ujemne w tej samej cząsteczce.

Niejonowe biosurfaktanty

Nie mają w głowach jonów ani ładunków elektrycznych.

-Zgodnie z jego charakterem chemicznym

Zgodnie z ich chemiczną naturą, biosurfaktanty są klasyfikowane do następujących typów:

Biosurfaktanty glikolipidowe

Glikolipidy są cząsteczkami, które mają w swojej strukturze chemicznej część lipidu lub tłuszczu i część cukru. Najbardziej znanymi biosurfaktantami są glikolipidy. Te ostatnie składają się z siarczanów cukrów, takich jak glukoza, galaktoza, mannoza, ramnoza i galaktoza.

Wśród glikolipidów najlepiej znane są ramnolipidy, bioemulsyfikatory, które były bardzo badane, wysoka aktywność emulgująca i wysokie powinowactwo do hydrofobowych cząsteczek organicznych (które nie rozpuszczają się w wodzie)

Są one uważane za najskuteczniejsze środki powierzchniowo czynne do usuwania związków hydrofobowych w zanieczyszczonej glebie.

Jako przykłady ramnolipidów można wymienić środki powierzchniowo czynne wytwarzające bakterie z rodzaju Pseudomonas.

Są inne glikolipidy produkowane przez Torulopsis sp., o działaniu biobójczym i stosowany w kosmetykach, produktach przeciwłupieżowych, bakteriostatycznych i dezodorantach do ciała.

Biosurfaktanty lipoproteiny i lipopeptydy

Lipoproteiny są związkami chemicznymi, które mają część lipidów lub tłuszczu w swojej strukturze i inną część białka.

Na przykład, Bacillus subtilis jest bakterią wytwarzającą lipopeptydy zwane surfaktynami. Są to najsilniejsze biosurfaktanty redukujące napięcie powierzchniowe.

Surfaktyny mają zdolność do wytwarzania lizy erytrocytów (pęknięcia czerwonych krwinek) ssaków. Ponadto mogą być stosowane jako szkodliwe biocydy jako małe gryzonie.

Biosurfaktanty - kwasy tłuszczowe

Niektóre mikroorganizmy mogą utleniać alkany (łańcuchy węglowe i wodorowe) do kwasów tłuszczowych, które mają właściwości środka powierzchniowo czynnego.

Biosurfaktanty fosfolipidowe

Fosfolipidy są związkami chemicznymi, które mają grupy fosforanowe (PO43-), przymocowany do części o strukturze lipidowej. Są częścią błon mikroorganizmów.

Niektóre bakterie i drożdże, które żywią się węglowodorami, gdy rosną na substratach alkanowych, zwiększają ilość fosfolipidów w błonie. Na przykład, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans i Rhodococcus erythropolis.

Polimeryczne biosurfaktanty

Polimeryczne biosurfaktanty są makrocząsteczkami o wysokiej masie cząsteczkowej. Najbardziej badanymi biosurfaktantami z tej grupy są: kompleksy emulsan, liposan, mannoproteina i polisacharyd-białko.

Na przykład bakteria Acinetobacter calcoaceticus produkuje emulsję polianionową (z kilkoma ładunkami ujemnymi), bardzo skuteczny bioemulsyfikator dla węglowodorów w wodzie. Jest to również jeden z najsilniejszych znanych stabilizatorów emulsji.

Liposan jest zewnątrzkomórkowym emulgatorem, rozpuszczalnym w wodzie, utworzonym przez polisacharydy i białko Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae produkuje duże ilości mannoprotein o doskonałej aktywności emulgującej olejów, alkanów i rozpuszczalników organicznych.

-W zależności od masy cząsteczkowej

Biosurfaktanty klasyfikowane są w dwóch kategoriach:

Biosurfaktanty o niskiej masie cząsteczkowej

Z niewielkimi napięciami powierzchniowymi i międzyfazowymi. Na przykład ramnolipidy.

Polimerowe biosurfaktanty o wysokiej masie cząsteczkowej

Silnie wiążą się z powierzchniami, takimi jak bioemulgatory żywności.

Produkcja biosurfaktantów

Do produkcji biosurfaktantów stosuje się kultury mikroorganizmów w bioreaktorach. Większość z tych mikroorganizmów jest izolowana z zanieczyszczonych mediów, takich jak składowiska odpadów przemysłowych lub dołki węglowodorowe odrzucane przez przemysł naftowy.

Wydajna produkcja biosurfaktantów zależy od kilku czynników, takich jak rodzaj substratu lub źródła węgla stosowanego jako podłoże hodowlane i jego stopień zasolenia. Ponadto zależy to od takich czynników, jak temperatura, pH i dostępność tlenu.

Zastosowania biosurfaktantów

Obecnie istnieje duże zapotrzebowanie komercyjne na biosurfaktanty, ponieważ środki powierzchniowo czynne otrzymane przez syntezę chemiczną (z pochodnych ropy naftowej) są toksyczne, nie ulegają biodegradacji i dlatego mają przepisy środowiskowe dotyczące ich stosowania.

Problemy te spowodowały znaczne zainteresowanie biosurfaktantami jako biodegradowalnymi, nietoksycznymi alternatywami.

Biosurfaktanty mają zastosowania w wielu dziedzinach, takich jak:

Przemysł naftowy

Biosurfaktanty stosuje się w ekstrakcji oleju i bioremediacji (odkażanie żywymi organizmami) węglowodorów; przykład: biosurfaktant z Arthrobacter sp.

Stosowane są również w procesach biodesiarczania (eliminacja siarki przy użyciu mikroorganizmów) ropy naftowej. Zastosowano gatunki z rodzaju Rhodococcus.

Sanitacja środowiskowa

Biosurfaktanty są stosowane w bioremediacją gleb skażonych toksycznych metali, takich jak uran, kadm i ołów z (biosurfaktantów Pseudomonas spp. i Rhodococcus spp.).

Stosowane są również w procesach bioremediacji gleb i wody zanieczyszczonej benzyną lub wyciekami oleju.

Na przykład, Aeromonas sp. Wytwarza biosurfaktanty które umożliwiają rozkład oleju lub zmniejszenie dużych cząsteczek mniejszych, które służą jako składniki odżywcze dla mikroorganizmów, bakterii i grzybów.

W procesach przemysłowych

Biosurfaktanty są stosowane w przemyśle detergentów i środków czyszczących, ponieważ zwiększają efektywność czyszczenia, rozpuszczania tłuszczów zastosowany na pranie lub powierzchnie w wodzie myjącej.

Są również stosowane jako pomocnicze związki chemiczne w przemyśle tekstylnym, papierniczym i garbarskim.

W przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym

W branży kosmetycznej, Bacillus licheniformis produkuje biosurfaktanty, które są używane jako produkty przeciwłupieżowe, bakteriostatyczne i dezodorujące.

Niektóre biosurfaktanty są wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym i biomedycznych dla przeciwbakteryjny i / lub przeciwgrzybiczy.

W przemyśle spożywczym

W przemyśle spożywczym, biosurfaktanty są stosowane do wytwarzania majonezu (który jest emulsją wody i jaj oleju). Te biosurfaktanty są z lektyny i ich pochodnych, które poprawiają jakość i dalszy aromat.

W rolnictwie

W rolnictwie biosurfaktanty służą do biologicznego zwalczania patogenów (grzyby, bakterie, wirusy) upraw.

Innym zastosowaniem biosurfaktantów w rolnictwie jest zwiększenie dostępności mikroelementów w glebie.

Referencje

  1. Banat, I.M., Makkar, R.S. i Cameotra, S.S. (2000). Potencjalne komercyjne zastosowanie drobnoustrojowych środków powierzchniowo czynnych. Applied Microbiology Technology. 53 (5): 495-508.
  2. Cameotra, S.S. i Makkar, R.S. (2004). Najnowsze zastosowania biosurfaktantów jako cząsteczek biologicznych i immunologicznych. Aktualne opinie w mikrobiologii. 7 (3): 262-266.
  3. Chen, S.Y., Wei, Y.H. i Chang, J.S. (2007). Powtarzana fermentacja okresowa z zasilaniem pH-statycznym do produkcji ramnolipidów z rodzimymi Pseudomonas aeruginosa Applied Microbiology Biotechnology. 76 (1): 67-74.
  4. Mulligan, C.N. (2005). Zastosowania środowiskowe dla biosurfaktantów. Zanieczyszczenie środowiska. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
  5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. i Liu, T. (2018). Biosurfaktanty poprawiły usuwanie metali ciężkich z osadów w obróbce elektrokinetycznej. Dziennik Inżynierii Chemicznej. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.