Surfactants og biosurfactants hvad det er til, eksempler og anvendelser

1807
Abraham McLaughlin

EN overfladeaktivt middel er en kemisk forbindelse, der er i stand til at reducere overfladespændingen af ​​et flydende stof, der virker ved en grænseflade eller kontaktflade mellem to faser, for eksempel vand-luft eller vand-olie.

Udtrykket overfladeaktivt middel kommer fra det engelske ord overfladeaktivt middel, hvilket igen er afledt af akronymet af udtrykket surfeess aktivt middel, hvilket betyder på spansk agent med grænseflade- eller overfladeaktivitet.

Figur 1. Struktur af overfladeaktive stoffer. Kilde: Større mål [Public domain] fra Wikimedia Commons

På spansk bruges ordet "overfladeaktivt middel" med henvisning til en kemisk forbindelses evne til at virke på overflade- eller grænsefladespænding. Overfladespænding kan defineres som en modstand, som væsker har for at øge deres overflade.

Vand har en høj overfladespænding, fordi dets molekyler er meget tæt bundet og modstår adskillelse, når der udøves tryk på deres overflade..

For eksempel er nogle akvatiske insekter, såsom "skomageren" (Gerris lacustris), de kan bevæge sig på vandet uden at synke takket være vandets overfladespænding, som tillader dannelse af en film på overfladen.

Figur 2. Insekt, der kan bevæge sig på vand. Kilde: TimVickers [Public domain], fra Wikimedia Commons

En stålnål forbliver også på overfladen af ​​vandet og synker ikke på grund af vandets overfladespænding..

Artikelindeks

  • 1 Struktur og funktion af overfladeaktive stoffer
  • 2 Hvad er overfladeaktive stoffer til?
  • 3 Biosurfaktanter: overfladeaktive stoffer af biologisk oprindelse
    • 3.1 Eksempler på biosurfaktanter
  • 4 Klassificering af biosurfaktanter og eksempler
    • 4.1 -Afhængigt af arten af ​​den elektriske ladning i den polære del eller hovedet
    • 4.2 -I henhold til dets kemiske natur
    • 4.3 -I henhold til dens molekylvægt
  • 5 Produktion af biosurfaktanter
  • 6 Anvendelser af biosurfaktanter
    • 6.1 Olieindustrien
    • 6.2 Miljørensning
    • 6.3 I industrielle processer
    • 6.4 I den kosmetiske og farmaceutiske industri
    • 6.5 I fødevareindustrien
    • 6.6 I landbruget
  • 7 Referencer

Struktur og funktion af overfladeaktive stoffer

Alle kemiske stoffer til overfladeaktivt middel eller overfladeaktivt middel er af naturlig natur. amfifil, det vil sige, de har en dobbelt adfærd, fordi de kan opløse polære og ikke-polære forbindelser. Surfaktanter har to hoveddele i deres struktur:

  • Et hydrofilt polært hoved, der ligner vand og polære forbindelser.
  • En lipofil, hydrofob ikke-polær hale, der ligner ikke-polære forbindelser.

Det polære hoved kan være ikke-ionisk eller ionisk. Den overfladeaktive hale eller den apolare del kan være en alkyl- eller alkylbenzencarbon- og hydrogenkæde.

Denne meget særlige struktur giver overfladeaktive kemiske forbindelser en dobbelt, amfifil adfærd: affinitet for polære forbindelser eller faser, opløselig i vand og også affinitet for ikke-polære forbindelser, uopløselig i vand..

Generelt reducerer overfladeaktive midler overfladespændingen af ​​vand, hvilket gør det muligt for denne væske at ekspandere og strømme i større grad, hvilket befugter tilstødende overflader og faser..

Hvad er overfladeaktive stoffer til?

Overfladeaktive kemikalier udøver deres aktivitet på overflader eller grænseflader.

Når de opløses i vand, migrerer de til grænsefladerne vand-olie eller vand-luft, hvor de for eksempel kan fungere som:

  • Dispergeringsmidler og opløsningsmidler af forbindelser, der er uopløselige eller dårligt opløselige i vand.
  • Befugtningsmidler, da de foretrækker passage af vand til uopløselige faser i dette.
  • Stabilisatorer af emulsioner af forbindelser uopløselige i vand og vand, såsom olie og vand fra mayonnaise.
  • Nogle overfladeaktive stoffer fremmer, og andre forhindrer skumdannelse.

Biosurfaktanter: overfladeaktive stoffer af biologisk oprindelse

Når det overfladeaktive middel kommer fra en levende organisme, kaldes det et biosurfaktant..

I en strengere forstand betragtes biosurfaktanter som amfifile biologiske forbindelser (med dobbelt kemisk opførsel, opløselige i vand og fedt), produceret af mikroorganismer som gær, bakterier og trådsvampe..

Biosurfaktanter udskilles eller tilbageholdes som en del af den mikrobielle cellemembran.

Nogle biosurfaktanter produceres også ved bioteknologiske processer ved hjælp af enzymer, der virker på en biologisk kemisk forbindelse eller et naturligt produkt..

Eksempler på biosurfaktanter

Naturlige biosurfaktanter inkluderer saponiner fra planter såsom cayenneblomst (Hibiscus sp.), lecithin, galdejuice fra pattedyr eller overfladeaktivt middel fra mennesker (med meget vigtige fysiologiske funktioner).

Derudover er aminosyrer og deres derivater, betainer og phospholipider biooverflademidler, alle disse naturlige produkter af biologisk oprindelse..

Klassificering af biosurfaktanter og eksempler

-I henhold til arten af ​​den elektriske ladning i den polære del eller hovedet

Biosurfaktanter kan grupperes i følgende kategorier baseret på den elektriske ladning af deres polære hoved:

Anioniske biosurfaktanter

De har en negativ ladning i den polære ende, ofte på grund af tilstedeværelsen af ​​en sulfonatgruppe -SO3-.

Kationiske biosurfaktanter

De har en positiv ladning på hovedet, normalt en kvaternær ammoniumgruppe NR4+, hvor R repræsenterer en kæde af carbon og hydrogen.

Amfotere biosurfaktanter

De har både positive og negative ladninger på det samme molekyle.

Ikke-ioniske biosurfaktanter

De har ikke ioner eller elektriske ladninger i hovedet.

-I henhold til dets kemiske natur

I henhold til deres kemiske natur klassificeres biosurfaktanter i følgende typer:

Glycolipid-biosurfaktanter

Glykolipider er molekyler, der i deres kemiske struktur har en del af lipid eller fedt og en del af sukker. De fleste af de kendte biosurfaktanter er glycolipider. Sidstnævnte består af sulfater af sukkerarter såsom glucose, galactose, mannose, rhamnose og galactose..

Blandt glycolipiderne er de mest kendte rhamnolipider, bioemulgatorer, der er blevet grundigt undersøgt, med høj emulgerende aktivitet og høj affinitet for hydrofobe organiske molekyler (som ikke opløses i vand).

Disse betragtes som de mest effektive overfladeaktive stoffer til fjernelse af hydrofobe forbindelser i forurenet jord..

Eksempler på rhamnolipider inkluderer overfladeaktive stoffer produceret af bakterier af slægten Pseudomonas.

Der er andre glykolipider, produceret af Torulopsis sp., med biocid aktivitet og anvendt i kosmetik, skælprodukter, bakteriostatika og som kropsdeodoranter.

Lipoprotein og lipopeptid biosurfaktanter

Lipoproteiner er kemiske forbindelser, der i deres struktur har en del af lipid eller fedt og en anden del af protein.

For eksempel, Bacillus subtilis det er en bakterie, der producerer lipopeptider kaldet surfactiner. Disse er en af ​​de mest kraftfulde overfladespændingsreducerende biosurfaktanter..

Surfactiner har evnen til at producere erythrocytelyse (nedbrydning af røde blodlegemer) hos pattedyr. Derudover kan de bruges som biocider til skadedyr som små gnavere..

Fedtsyre biosurfaktanter

Nogle mikroorganismer kan oxidere alkaner (kulstof- og brintkæder) til fedtsyrer, der har overfladeaktive egenskaber..

Phospholipid-biosurfaktanter

Phospholipider er kemiske forbindelser, der har fosfatgrupper (PO43-), fastgjort til en del med en lipidstruktur. De er en del af mikroorganismernes membraner.

Visse bakterier og gær, der lever af kulbrinter, øger mængden af ​​phospholipider i deres membran, når de vokser på alkanunderlag. For eksempel, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans og Rhodococcus erythropolis.

Polymeriske biosurfaktanter

Polymere biosurfaktanter er makromolekyler med høj molekylvægt. De mest undersøgte biosurfaktanter i denne gruppe er: emulgerings-, liposan-, mannoprotein- og polysaccharid-proteinkomplekser.

For eksempel bakterierne Acinetobacter calcoaceticus producerer polyanionisk emulgator (med forskellige negative ladninger), en meget effektiv bioemulgeringsmiddel til kulbrinter i vand. Det er også en af ​​de mest kraftfulde emulsionsstabilisatorer, der er kendt..

Liposan er et ekstracellulært emulgator, opløseligt i vand, dannet af polysaccharider og protein af Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae producerer store mængder mannoproteiner med fremragende emulgerende aktivitet for olier, alkaner og organiske opløsningsmidler.

-I henhold til dens molekylvægt

Biosurfaktanter er klassificeret i to kategorier:

Biosurfaktanter med lav molekylvægt

Med lavere overflade- og grænsefladespændinger. For eksempel rhamnolipider.

Højmolekylære polymere biosurfaktanter

Det binder stærkt til overflader, såsom fødevarer bioemulgatorer.

Produktion af biosurfaktanter

Mikroorganismekulturer i bioreaktorer anvendes til produktion af biosurfaktanter. De fleste af disse mikroorganismer er isoleret fra forurenede miljøer, såsom industrielle affaldssteder eller kulbrintehuller bortskaffet af olieindustrien..

Den effektive produktion af biosurfaktanter afhænger af flere faktorer, såsom naturen af ​​substratet eller carbonkilden, der anvendes som dyrkningsmediet, og dets saltholdighedsgrad. Derudover afhænger det af faktorer såsom temperatur, pH og ilt tilgængelighed..

Anvendelser af biosurfaktanter

I øjeblikket er der en enorm kommerciel efterspørgsel efter biosurfaktanter, fordi de overfladeaktive stoffer opnået ved kemisk syntese (fra petroleumsderivater) er giftige, ikke-biologisk nedbrydelige og derfor har miljøregler for deres anvendelse..

Disse problemer har skabt stor interesse for biosurfaktanter som ikke-toksiske, biologisk nedbrydelige alternativer..

Biosurfaktanter har applikationer inden for mange områder, såsom:

Olieindustrien

Biosurfaktanter anvendes til olieekstraktion og bioremediering (dekontaminering med levende organismer) af kulbrinter; eksempel: biosurfaktanten af Arthrobacter sp.

De anvendes også i biodesulfurization processer (fjernelse af svovl ved hjælp af mikroorganismer) fra råolie. Arter af slægten er blevet brugt Rhodococcus.

Miljømæssig sanitet

Biosurfaktanter anvendes til bioremediering af jord, der er forurenet med giftige metaller, såsom uran, cadmium og bly (biosurfaktanter af Pseudomonas spp. Y Rhodococcus spp.).

De bruges også i bioremedieringsprocesser af jord og vand, der er forurenet med benzin eller olieudslip..

Figur 3. Biosurfaktanter anvendes i miljømæssige sanitetsprocesser på grund af olieudslip. Kilde: Ecuadorian Chancellery [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons

For eksempel, Aeromonas sp. producerer biosurfaktanter, der tillader nedbrydning af olie eller reduktion af store molekyler til mindre, der tjener som næringsstoffer til mikroorganismer, bakterier og svampe.

I industrielle processer

Biosurfaktanter anvendes i industrien til rengøringsmidler og rengøringsmidler, da de forbedrer rengøringsvirkningen ved at opløse det fedt, der beskidt tøj eller overflader i vaskevandet..

De anvendes også som kemiske hjælpestoffer i tekstil-, papir- og garveribranchen..

I den kosmetiske og farmaceutiske industri

I kosmetikindustrien, Bacillus licheniformis producerer biosurfaktanter, der anvendes som anti-skæl, bakteriostatiske og deodorantprodukter.

Nogle biosurfaktanter anvendes i den farmaceutiske og biomedicinske industri til deres antimikrobielle og / eller svampedræbende aktivitet..

I fødevareindustrien

I fødevareindustrien anvendes biosurfaktanter til fremstilling af mayonnaise (som er en emulsion af ægvand og olie). Disse biosurfaktanter kommer fra lektiner og deres derivater, hvilket forbedrer kvaliteten og desuden smager..

I landbruget

I landbruget bruges biosurfaktanter til biologisk bekæmpelse af patogener (svampe, bakterier, vira) i afgrøder.

En anden anvendelse af biosurfaktanter i landbruget er at øge tilgængeligheden af ​​mikronæringsstoffer fra jorden..

Referencer

  1. Banat, I.M., Makkar, R.S. og Cameotra, S.S. (2000). Potentielle kommercielle anvendelser af mikrobielle overfladeaktive stoffer. Anvendt mikrobiologiteknologi. 53 (5): 495-508.
  2. Cameotra, S.S. og Makkar, R.S. (2004). Seneste anvendelser af biosurfaktanter som biologiske og immunologiske molekyler. Nuværende meninger inden for mikrobiologi. 7 (3): 262-266.
  3. Chen, S.Y., Wei, Y.H. og Chang, J.S. (2007). Gentagen pH-stat fodret-batch fermentering til rhamnolipid produktion med indfødte Pseudomonas aeruginosa Anvendt mikrobiologisk bioteknologi. 76 (1): 67-74.
  4. Mulligan, C.N. (2005). Miljøapplikationer til biosurfaktanter. Miljøforurening. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
  5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. og Liu, T. (2018). Biosurfaktanter forbedrede fjernelse af tungmetaller fra slam i den elektrokinetiske behandling. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.

Endnu ingen kommentarer