Surfaktanter og biosurfaktanter hva det er til, eksempler og bruksområder

1099
Robert Johnston

EN overflateaktivt middel er en kjemisk forbindelse som er i stand til å redusere overflatespenningen til et flytende stoff, som virker ved et grensesnitt eller en kontaktflate mellom to faser, for eksempel vann-luft eller vann-olje.

Begrepet overflateaktivt middel kommer fra det engelske ordet overflateaktivt middel, som igjen er avledet av forkortelsen til uttrykket surfeess aktiv agent, som betyr på spansk agent med grensesnitt- eller overflateaktivitet.

Figur 1. Struktur av overflateaktive stoffer. Kilde: Hovedmål [Offentlig domene], fra Wikimedia Commons

På spansk brukes ordet "overflateaktivt middel", som refererer til evnen til en kjemisk forbindelse å virke på overflatespenning eller grensesnitt. Overflatespenning kan defineres som en motstand som væsker har for å øke overflaten.

Vann har høy overflatespenning fordi molekylene er veldig tett bundet og motstår separering når det utøves trykk på overflaten..

For eksempel er noen vanninsekter, som "skomakeren" (Gerris lacustris), de kan bevege seg på vannet uten å synke, takket være vanns overflatespenning, som tillater dannelse av en film på overflaten.

Figur 2. Insekt som kan bevege seg på vann. Kilde: TimVickers [Public domain], fra Wikimedia Commons

Også en stålnål blir liggende på vannoverflaten og synker ikke på grunn av vanns overflatespenning..

Artikkelindeks

  • 1 Struktur og funksjon av overflateaktive stoffer
  • 2 Hva er overflateaktive stoffer til?
  • 3 Biosurfaktanter: overflateaktive stoffer av biologisk opprinnelse
    • 3.1 Eksempler på biooverflatemidler
  • 4 Klassifisering av biosurfaktanter og eksempler
    • 4.1 -Avhengig av arten av den elektriske ladningen i den polare delen eller hodet
    • 4.2 -I henhold til kjemisk natur
    • 4.3 -I henhold til dens molekylvekt
  • 5 Produksjon av biosurfaktanter
  • 6 Anvendelser av biosurfaktanter
    • 6.1 Oljeindustri
    • 6.2 Miljøhygiene
    • 6.3 I industrielle prosesser
    • 6.4 I den kosmetiske og farmasøytiske industrien
    • 6.5 I næringsmiddelindustrien
    • 6.6 I landbruket
  • 7 Referanser

Struktur og funksjon av overflateaktive stoffer

Alle kjemiske midler til overflateaktivt middel eller overflateaktivt middel er av naturlig natur. amfifil, det vil si at de har en dobbel oppførsel fordi de kan oppløse polære og ikke-polære forbindelser. Surfaktanter har to hoveddeler i strukturen:

  • Et hydrofilt polar hode, som ligner på vann og polare forbindelser.
  • En lipofil, hydrofob ikke-polær hale, i likhet med ikke-polære forbindelser.

Polarhodet kan være ikke-ionisk eller ionisk. Den overflateaktive halen eller den apolare delen kan være en alkyl- eller alkylbenzen-karbon- og hydrogenkjede.

Denne veldig spesielle strukturen gir overflateaktive kjemiske forbindelser en dobbel, amfifil oppførsel: affinitet for polære forbindelser eller faser, løselig i vann og affinitet for ikke-polære forbindelser, uoppløselig i vann..

Generelt reduserer overflateaktive midler overflatespenningen til vann, noe som gjør at denne væsken utvides og strømmer i større grad, og fukter nærliggende overflater og faser..

Hva er overflateaktive stoffer for?

Kjemikalier med overflateaktivt middel utøver sin aktivitet på overflater eller grensesnitt.

Når de er oppløst i vann, migrerer de til vann-olje- eller vann-luft-grensesnittene, for eksempel hvor de kan fungere som:

  • Dispergeringsmidler og oppløsningsmidler av forbindelser som er uoppløselige eller lite oppløselige i vann.
  • Fuktighetsbevarende stoffer, da de foretrekker passering av vann til uoppløselige faser i dette.
  • Stabilisatorer av emulsjoner av forbindelser som er uoppløselige i vann og vann, slik som olje og vann fra majones.
  • Noen overflateaktive stoffer fremmer, og andre forhindrer skumdannelse.

Biosurfaktanter: overflateaktive stoffer av biologisk opprinnelse

Når overflateaktivt middel kommer fra en levende organisme, kalles det et biosurfaktant..

I en strengere forstand betraktes biooverflatemidler som amfifile biologiske forbindelser (med dobbelt kjemisk oppførsel, løselig i vann og fett), produsert av mikroorganismer som gjær, bakterier og trådformede sopp..

Biosurfaktanter skilles ut eller beholdes som en del av den mikrobielle cellemembranen.

Noen biosurfaktanter produseres også ved bioteknologiske prosesser, ved bruk av enzymer som virker på en biologisk kjemisk forbindelse eller et naturlig produkt..

Eksempler på biosurfaktanter

Naturlige biosurfaktanter inkluderer saponiner fra planter som cayenneblomst (Hibiskus sp.), lecithin, pattedyrsgallejuice eller overflateaktivt middel fra lungene (med svært viktige fysiologiske funksjoner).

I tillegg er aminosyrer og deres derivater, betainer og fosfolipider biooverflatemidler, alle disse naturlige produktene av biologisk opprinnelse..

Klassifisering av biosurfaktanter og eksempler

-I henhold til naturen til den elektriske ladningen i den polare delen eller hodet

Biosurfaktanter kan grupperes i følgende kategorier, basert på den elektriske ladningen til polarhodet:

Anioniske biooverflatemidler

De har en negativ ladning i polarenden, ofte på grunn av tilstedeværelsen av en sulfonatgruppe -SO3-.

Kationiske biooverflatemidler

De har en positiv ladning på hodet, vanligvis en kvartær ammoniumgruppe NR4+, hvor R representerer en kjede av karbon og hydrogen.

Amfotere biosurfaktanter

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

Ikke-ioniske biooverflatemidler

De har ikke ioner eller elektriske ladninger i hodet.

-I henhold til dets kjemiske natur

I følge sin kjemiske natur klassifiseres biooverflatemidler i følgende typer:

Glykolipide biooverflatemidler

Glykolipider er molekyler som i sin kjemiske struktur har en del av lipid eller fett og en del av sukker. De fleste av de kjente biosurfaktantene er glykolipider. Sistnevnte består av sulfater av sukker som glukose, galaktose, mannose, rhamnose og galaktose..

Blant glykolipidene er de mest kjente rhamnolipidene, bioemulgatorer som har blitt grundig undersøkt, med høy emulgerende aktivitet og høy affinitet for hydrofobe organiske molekyler (som ikke oppløses i vann).

Disse regnes som de mest effektive overflateaktive stoffene for fjerning av hydrofobe forbindelser i forurenset jord..

Eksempler på rhamnolipider inkluderer overflateaktive stoffer produsert av bakterier av slekten Pseudomonas.

Det er andre glykolipider, produsert av Torulopsis sp., med biocid aktivitet og brukt i kosmetikk, flasshemmende produkter, bakteriostatika og som kroppsdeodoranter.

Lipoprotein og lipopeptid biooverflatemidler

Lipoproteiner er kjemiske forbindelser som i sin struktur har en del av lipid eller fett og en annen del av protein.

For eksempel, Bacillus subtilis det er en bakterie som produserer lipopeptider kalt surfaktiner. Dette er en av de kraftigste overflatespenningsreduserende biosurfaktantene..

Surfactiner har evnen til å produsere erytrocyttlysering (nedbrytning av røde blodlegemer) hos pattedyr. I tillegg kan de brukes som biocider for skadedyr som smågnagere..

Fettsyre biooverflatemidler

Noen mikroorganismer kan oksidere alkaner (karbon- og hydrogenkjeder) til fettsyrer som har overflateaktive egenskaper..

Fosfolipid biooverflatemidler

Fosfolipider er kjemiske forbindelser som har fosfatgrupper (PO43-), festet til en del med en lipidstruktur. De er en del av membranene til mikroorganismer.

Enkelte bakterier og gjær som lever av hydrokarboner, når de vokser på alkanunderlag, øker mengden fosfolipider i membranen. For eksempel, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans og Rhodococcus erythropolis.

Polymeriske biooverflatemidler

Polymeriske biooverflatemidler er makromolekyler med høy molekylvekt. De mest studerte biosurfaktantene i denne gruppen er: emulgerings-, liposan-, mannoprotein- og polysakkarid-proteinkomplekser.

For eksempel bakteriene Acinetobacter calcoaceticus produserer polyanionisk emulgator (med forskjellige negative ladninger), en veldig effektiv bioemulgator for hydrokarboner i vann. Det er også en av de kraftigste emulsjonsstabilisatorene som er kjent..

Liposan er et ekstracellulært emulgator, løselig i vann, dannet av polysakkarider og protein fra Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae produserer store mengder mannoproteiner med utmerket emulgerende aktivitet for oljer, alkaner og organiske løsningsmidler.

-I henhold til dens molekylvekt

Biosurfaktanter er klassifisert i to kategorier:

Biosurfaktanter med lav molekylvekt

Med lavere overflatespenninger og grensesnitt. For eksempel rhamnolipider.

Høymolekylære polymere biooverflatemidler

Som binder seg sterkt til overflater, for eksempel matbioemulgatorer.

Produksjon av biosurfaktanter

Mikroorganismekulturer i bioreaktorer brukes til produksjon av biooverflatemidler. De fleste av disse mikroorganismene er isolert fra forurensede omgivelser, slik som industriavfall eller hydrokarbongroper som kastes av oljeindustrien..

Effektiv produksjon av biosurfaktanter avhenger av flere faktorer, slik som naturen til substratet eller karbonkilden som brukes som dyrkningsmedium og dets saltholdighetsgrad. I tillegg avhenger det av faktorer som temperatur, pH og oksygentilgjengelighet..

Anvendelser av biosurfaktanter

For tiden er det et enormt kommersielt behov for biooverflateaktive stoffer, fordi overflateaktive stoffer oppnådd ved kjemisk syntese (fra petroleumderivater) er giftige, ikke biologisk nedbrytbare og derfor har miljøregler for deres bruk..

Disse problemene har skapt betydelig interesse for biosurfaktanter som ikke-giftige, biologisk nedbrytbare alternativer..

Biosurfaktanter har applikasjoner innen mange felt, for eksempel:

Oljeindustrien

Biosurfaktanter brukes i oljeekstraksjon og bioremediering (dekontaminering med levende organismer) av hydrokarboner; eksempel: biosurfaktanten av Arthrobacter sp.

De brukes også i biodesulfurization prosesser (fjerning av svovel ved hjelp av mikroorganismer) fra petroleum. Arter av slekten er brukt Rhodococcus.

Miljø sanitæranlegg

Biosurfaktanter brukes til bioremediering av jord forurenset av giftige metaller, som uran, kadmium og bly (biosurfaktanter av Pseudomonas spp. Y Rhodococcus spp.).

De brukes også i bioremedieringsprosesser av jord og vann som er forurenset av bensin eller oljeutslipp..

Figur 3. Biosurfaktanter brukes i miljømessige sanitetsprosesser på grunn av oljesøl. Kilde: Ecuadorian Chancellery [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons

For eksempel, Aeromonas sp. produserer biosurfaktanter som tillater oljedegradering eller reduksjon av store molekyler til mindre, som fungerer som næringsstoffer for mikroorganismer, bakterier og sopp.

I industrielle prosesser

Biosurfaktanter brukes i vaskemiddel- og rengjøringsmiddelindustrien, siden de forbedrer rengjøringsvirkningen ved å løse opp fett som skitne klær eller overflater i vaskevannet..

De brukes også som kjemiske hjelpeforbindelser i tekstil-, papir- og garveribransjen..

I den kosmetiske og farmasøytiske industrien

I kosmetikkindustrien, Bacillus licheniformis produserer biosurfaktanter som brukes som flass-, bakteriostatisk- og deodorantprodukter.

Noen biooverflatemidler brukes i farmasøytisk og biomedisinsk industri for deres antimikrobielle og / eller soppdrepende aktivitet..

I næringsmiddelindustrien

I næringsmiddelindustrien brukes biosurfaktanter til fremstilling av majones (som er en emulsjon av eggvann og olje). Disse biosurfaktantene kommer fra lektiner og deres derivater, noe som forbedrer kvaliteten og i tillegg smaker..

I landbruket

I landbruket brukes biooverflatemidler til biologisk bekjempelse av patogener (sopp, bakterier, virus) i avlinger.

En annen bruk av biosurfaktanter i landbruket er å øke tilgjengeligheten av mikronæringsstoffer fra jorden..

Referanser

  1. Banat, I.M., Makkar, R.S. og Cameotra, S.S. (2000). Potensielle kommersielle anvendelser av mikrobielle tensider. Anvendt mikrobiologiteknologi. 53 (5): 495-508.
  2. Cameotra, S.S. og Makkar, R.S. (2004). Nylig anvendte biosurfaktanter som biologiske og immunologiske molekyler. Nåværende meninger innen mikrobiologi. 7 (3): 262-266.
  3. Chen, S.Y., Wei, Y.H. og Chang, J.S. (2007). Gjentatt fermentering av pH-stat matesats for rhamnolipidproduksjon med urfolk Pseudomonas aeruginosa Anvendt mikrobiologi bioteknologi. 76 (1): 67-74.
  4. Mulligan, C.N. (2005). Miljøapplikasjoner for biosurfaktanter. Miljøforurensning. 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 forbedret fjerning av tungmetaller fra slam i den elektrokinetiske behandlingen. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.