Povrchově aktivní látky a biosurfakty, co to je, příklady a použití



A povrchově aktivní látky je chemická sloučenina schopná snížit povrchové napětí kapalné látky, působící na rozhraní nebo kontaktním povrchu mezi dvěma fázemi, například vodou nebo vzduchem..

Termín povrchově aktivní látka pochází z anglického slova povrchově aktivní látky, který je zase odvozen od zkratky výrazu surfovatúčinné látky, což znamená ve španělském činidle s mezifázovou nebo povrchovou aktivitou.

Ve španělštině se používá slovo "povrchově aktivní látka", odkazující na akční kapacitu chemické sloučeniny na povrchovém nebo mezifázovém napětí. Povrchové napětí může být definováno jako odpor, který musí kapaliny zvýšit svůj povrch.

Voda má vysoké povrchové napětí, protože její molekuly jsou velmi silně vázány a odolávají oddělování, když je tlak vyvíjen na jeho povrch.

Například, někteří vodní hmyz, takový jak “švec” (\ tGerris lacustris, Díky povrchovému napětí vody, které umožňuje tvorbu filmu na jeho povrchu, se může pohybovat po vodě bez potopení.

Také ocelová jehla je držena nad hladinou vody a nepotopí se v důsledku povrchového napětí vody.

Index

  • 1 Struktura a provoz povrchově aktivních látek
  • 2 Jaké jsou povrchově aktivní látky??
  • 3 Biosurfaktanty: povrchově aktivní látky biologického původu
    • 3.1 Příklady biologických činidel
  • 4 Klasifikace biosurfaktantů a příkladů
    • 4.1 - Podle povahy elektrického náboje v polární nebo hlavové části
    • 4.2 - Podle své chemické povahy
    • 4.3 - Podle molekulové hmotnosti
  • 5 Produkce biosurfaktantů
  • 6 Aplikace biosurfaktantů
    • 6.1 Ropný průmysl
    • 6.2 Sanace životního prostředí
    • 6.3 V průmyslových procesech
    • 6.4 V kosmetickém a farmaceutickém průmyslu
    • 6.5 V potravinářském průmyslu
    • 6.6 V zemědělství
  • 7 Odkazy

Struktura a provoz povrchově aktivních látek

Všechny chemické povrchově aktivní látky nebo povrchově aktivní látky jsou přírodní amfifilní, to znamená, že mají dvojí chování, protože mohou rozpustit polární a nepolární sloučeniny. Povrchově aktivní látky mají ve své struktuře dvě hlavní části:

  • Hydrofilní polární hlava, podobná vodě a polárním sloučeninám.
  • Nepolární hydrofobní lipofilní ocas, vztahující se k nepolárním sloučeninám.

Polární hlava může být neiontová nebo iontová. Ocasem povrchově aktivního činidla nebo nepolární části může být řetězec uhlíku a vodíku nebo alkylbenzenu.

Tato specifická struktura dává povrchově aktivním chemickým sloučeninám duální, amfifilní chování: afinitu pro sloučeniny nebo polární fáze, rozpustnou ve vodě a také afinitu pro nepolární sloučeniny, nerozpustné ve vodě.

Povrchově aktivní látky obecně snižují povrchové napětí vody, což umožňuje, aby tato kapalina expandovala a proudila do větší míry, navlhčovala sousední povrchy a fáze..

Jaké jsou povrchově aktivní látky??

Povrchově aktivní chemické sloučeniny působí na povrchy nebo rozhraní.

Když se rozpouští ve vodě, migrují například do rozhraní voda-olej nebo voda-vzduch, kde mohou fungovat jako:

  • Dispergátory a solubilizátory nerozpustných nebo špatně rozpustných sloučenin ve vodě.
  • Zvlhčovadla, protože podporují průchod vody do nerozpustných fází.
  • Emulze stabilizátory sloučenin nerozpustných ve vodě a vodě, jako je olej a majonézová voda.
  • Některé povrchově aktivní látky upřednostňují a jiné zabraňují tvorbě pěny.

Biosurfaktanty: povrchově aktivní látky biologického původu

Když povrchově aktivní činidlo pochází z živého organismu, nazývá se biosurfaktant.

V přísnějším smyslu jsou biologicky aktivní látky považovány za amfifilní biologické sloučeniny (dvojího chemického chování, rozpustné ve vodě a v tucích), produkované mikroorganismy, jako jsou kvasinky, bakterie a vláknité houby..

Biosurfaktanty se vylučují nebo zadržují jako součást membrány mikrobiálních buněk.

Také některé biosurfaktanty jsou produkovány biotechnologickými procesy, s použitím enzymů, které působí na biologickou chemickou sloučeninu nebo přírodní produkt..

Příklady biosurfaktantů

Z přírodních biosurfaktantů můžeme zmínit saponiny rostlin, jako je květ kajenský (\ tHibiscus sp.), lecitin, žlučové šťávy savců nebo lidský plicní surfaktant (s velmi důležitými fyziologickými funkcemi).

Aminokyseliny a jejich deriváty, betainy a fosfolipidy jsou navíc biosurfaktanty, všechny tyto přírodní produkty biologického původu..

Klasifikace biosurfaktantů a příkladů

-Podle charakteru elektrického náboje v polární nebo hlavové části

Biosurfaktanty lze rozdělit do následujících kategorií v závislosti na elektrickém náboji vaší polární hlavy:

Aniontové biosurfakty

Mají negativní náboj na polárním konci, často kvůli přítomnosti sulfonátové skupiny -SO3-.

Kationické biosurfaktanty

Mají kladný náboj na hlavě, obvykle kvarterní amoniovou skupinu NR4+, kde R představuje uhlíkový a vodíkový řetězec.

Amfoterní biosurfaktanty

Mají dvě náboje, pozitivní a negativní ve stejné molekule.

Neionogenní biosurfaktanty

Nemají v hlavách ionty ani elektrické náboje.

-Podle své chemické povahy

Podle své chemické povahy jsou biologicky aktivní látky klasifikovány do následujících typů:

Glykolipidové biosurfaktanty

Glykolipidy jsou molekuly, které mají ve své chemické struktuře část lipidu nebo tuku a část cukru. Nejznámějšími biosurfaktanty jsou glykolipidy. Ty se skládají ze sulfátů cukrů, jako je glukóza, galaktóza, manóza, ramnóza a galaktóza.

Mezi glykolipidy jsou nejznámější rhamnolipidy, bioemulgátory, které byly velmi studovány, vysoká emulgační aktivita a vysoká afinita k hydrofobním organickým molekulám (které se nerozpouští ve vodě).

Ty jsou považovány za nejúčinnější povrchově aktivní látky pro odstraňování hydrofobních sloučenin v kontaminované půdě.

Jako příklady rhamnolipidů lze uvést povrchově aktivní látky, které produkují bakterie rodu Pseudomonas.

Tam jsou jiné glycolipids, produkoval Torulopsis sp., s biocidní aktivitou a používanou v kosmetice, proti lupinám, bakteriostatickým přípravkům a jako tělní deodoranty.

Biosurfaktanty lipoproteiny a lipopeptidy

Lipoproteiny jsou chemické sloučeniny, které mají část lipidu nebo tuku ve své struktuře a další část proteinu.

Například, Bacillus subtilis je bakterie, která produkuje lipopeptidy zvané povrchově aktivní látky. Jedná se o nejsilnější biosurfanty snižující povrchové napětí.

Povrchově aktivní látky mají schopnost produkovat lýzu erytrocytů (ruptura červených krvinek) savců. Kromě toho mohou být použity jako biocidy jako škodlivé hlodavce.

Biosurfaktanty mastné kyseliny

Některé mikroorganismy mohou oxidovat alkany (uhlíkové a vodíkové řetězce) na mastné kyseliny, které mají vlastnosti povrchově aktivních látek.

Fosfolipidové biosurfakty

Fosfolipidy jsou chemické sloučeniny, které mají fosfátové skupiny (PO43-), připojené k části s lipidovou strukturou. Jsou součástí membrán mikroorganismů.

Některé bakterie a kvasinky, které se živí uhlovodíky, když rostou na alkanových substrátech, zvyšují množství fosfolipidů v jejich membráně. Například, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans a Rhodococcus erythropolis.

Polymerní biosurfakty

Polymerní biosurfaktanty jsou makromolekuly s vysokou molekulovou hmotností. Nejvíce studovanými biosurfaktanty této skupiny jsou: emulzní, liposanové, mannoproteinové a polysacharidové komplexy proteinů.

Například bakterie Acinetobacter calcoaceticus vyrábí polyanionický emulgátor (s několika zápornými náboji), velmi účinný bioemulgátor pro uhlovodíky ve vodě. Je to také jeden z nejsilnějších známých stabilizátorů emulzí.

Liposan je extracelulární emulgátor, rozpustný ve vodě, tvořený polysacharidy a bílkovinami Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae produkuje velké množství mannoproteinů s vynikající emulgační aktivitou olejů, alkanů a organických rozpouštědel.

-Podle jeho molekulové hmotnosti

Biosurfaktanty jsou klasifikovány do dvou kategorií:

Nízkomolekulární biosurfakty

S menším povrchovým a mezifázovým napětím. Například rhamnolipidy.

Vysokomolekulární polymerní biosurfaktanty

To se silně váže na povrchy, jako jsou potravinářské bioemulgátory.

Výroba biosurfaktantů

Pro výrobu biosurfaktantů se v bioreaktorech používají kultury mikroorganismů. Většina z těchto mikroorganismů je izolována z kontaminovaných médií, jako jsou průmyslová odpadní místa nebo uhlovodíkové jámy, které ropný průmysl zlikviduje..

Účinná produkce biosurfaktantů závisí na několika faktorech, jako je povaha substrátu nebo zdroje uhlíku, který se používá jako kultivační médium a stupeň jeho slanosti. Kromě toho závisí na faktorech, jako je teplota, pH a dostupnost kyslíku.

Aplikace biosurfaktantů

V současné době existuje obrovská komerční poptávka po biosurfaktantech, protože povrchově aktivní látky získané chemickou syntézou (z ropných derivátů) jsou toxické, biologicky nerozložitelné a mají proto environmentální předpisy pro jejich použití..

Tyto problémy vyvolaly značný zájem o biologicky aktivní látky jako biologicky odbouratelné, netoxické alternativy.

Biosurfaktanty mají uplatnění v mnoha oblastech, jako jsou:

Ropný průmysl

Biosurfaktanty se používají při těžbě ropy a bioremediace (dekontaminace živými organismy) uhlovodíků; příklad: biosurfaktant Arthrobacter sp.

Uplatňují se také v procesech biologické sulfurace (eliminace síry za použití mikroorganismů) ropy. Byly použity druhy rodu Rhodococcus.

Sanace životního prostředí

Biosurfaktanty se používají v bioremediace půd kontaminovaných toxickými kovy, jako je uran, kadmium a olovo (biosurfaktanty z Pseudomonas spp. a Rhodococcus spp.).

Používají se také v bioremediačních procesech půd a vody kontaminovaných ropnými nebo ropnými skvrnami.

Například, Aeromonas sp. produkuje biosurfakty, které umožňují degradaci oleje nebo redukci velkých molekul na menší, které slouží jako živiny pro bakterie a houby mikroorganismů.

V průmyslových procesech

Biosurfaktanty se používají v průmyslu pracích a čisticích prostředků, protože zvyšují čisticí účinek rozpuštěním tuků, které kontaminují oděv nebo povrchy, v mycí vodě..

Používají se také jako pomocné chemické látky v textilním, papírenském a koželužském průmyslu.

V kosmetickém a farmaceutickém průmyslu

V kosmetickém průmyslu, Bacillus licheniformis produkuje biosurfaktanty, které se používají jako produkty proti lupům, bakteriostatickým a deodorantům.

Některé biosurfakty se používají ve farmaceutickém a biomedicínském průmyslu pro jejich antimikrobiální a / nebo antifungální účinky.

V potravinářském průmyslu

V potravinářském průmyslu se biosurfakty používají při výrobě majonézy (což je emulze vaječné vody a oleje). Tyto biosurfaktanty pocházejí z lektinů a jejich derivátů, které zlepšují kvalitu a navíc chuť.

V zemědělství

V zemědělství se biosurfakty používají k biologické kontrole patogenů (hub, bakterií, virů) plodin.

Další využití biosurfaktantů v zemědělství je zvýšení dostupnosti mikronutrientů v půdě.

Odkazy

  1. Banat, I.M., Makkar, R.S. a Cameotra, S.S. (2000). Potenciální komerční využití mikrobiálních povrchově aktivních látek. Technologie aplikované mikrobiologie. 53 (5): 495-508.
  2. Cameotra, S.S. a Makkar, R.S. (2004). Současné aplikace biosurfaktantů jako biologických a imunologických molekul. Aktuální názory v mikrobiologii. 7 (3): 262-266.
  3. Chen, S.Y., Wei, Y.H. a Chang, J.S. (2007). Opakované pH-stat fed-batch fermentace pro produkci rhamnolipidu s domorodými Pseudomonas aeruginosa Aplikovaná mikrobiologická biotechnologie. 76 (1): 67-74.
  4. Mulligan, C.N. (2005). Environmentální aplikace pro biologicky aktivní látky. Znečištění životního prostředí. 133 (2): 183-198.doi: 10,1016 / j.env.pol.2004.06.009
  5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. a Liu, T. (2018). Biosurfaktanty zlepšily odstraňování těžkých kovů z kalu při elektrokinetickém ošetření. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.