Pindaktiivsed ained ja biosurfaktandid, milleks see on, näited ja kasutusalad



A pindaktiivne aine on keemiline ühend, mis on võimeline vähendama vedeliku pindpinevust, mis toimib kahe faasi vahelise liidese või kontaktpinna, näiteks vee-õhu või veeõli vahel.

Mõiste surfaktant pärineb inglise keelest pindaktiivne aine, mis omakorda tuleneb väljendi akronüümist surfamaace toimeaine, mis tähendab hispaania keeles, millel on liidese või pinna aktiivsus.

Hispaania keeles kasutatakse sõna "pindaktiivne aine", mis viitab keemilise ühendi toimimisvõimele pinnale või liidese pingele. Pindpinevust saab määratleda kui takistust, mida vedelikud peavad oma pinda suurendama.

Vees on suur pindpinevus, sest selle molekulid on väga tugevalt seotud ja takistavad selle pinnale avalduva surve avaldumist.

Näiteks mõned vee-putukad, näiteks „cobbler” (Gerris lacustris), võib vee peal ilma vee uppumiseta liikuda, tänu vee pinge pingele, mis võimaldab selle pinnal tekkida kilet.

Samuti hoitakse veepinna kohal terasest nõel ja see ei vajuta vee pinna tõttu.

Indeks

  • 1 Pindaktiivsete ainete struktuur ja toimimine
  • 2 Milleks on pindaktiivsed ained??
  • 3 Biosurfaktandid: bioloogilise päritoluga pindaktiivsed ained
    • 3.1 Biosurfaktantide näited
  • 4 Biosurfaktantide ja näidete klassifikatsioon
    • 4.1 - vastavalt elektrilise laengu laadile polaarses või peaosas
    • 4.2 - vastavalt selle keemilisele iseloomule
    • 4.3 - Vastavalt selle molekulmassile
  • 5 Biosurfaktantide tootmine
  • 6 Biosurfaktantide rakendused
    • 6.1 Naftatööstus
    • 6.2 Keskkonnahooldus
    • 6.3 Tööstusprotsessides
    • 6.4 Kosmeetika- ja farmaatsiatööstuses
    • 6.5 Toiduainetööstuses
    • 6.6 Põllumajanduses
  • 7 Viited

Pindaktiivsete ainete struktuur ja toimimine

Kõik keemilised pindaktiivsed ained või pindaktiivsed ained on looduslikud amfifiilne, see tähendab, et neil on kahekordne käitumine, sest nad võivad lahustada polaarseid ja mittepolaarseid ühendeid. Pindaktiivsetel ainetel on nende struktuuris kaks põhiosa:

  • Hüdrofiilne polaarpea, mis on sarnane vee ja polaarsete ühenditega.
  • Mittepolaarne hüdrofoobne lipofiilne saba, mis on seotud mittepolaarsete ühenditega.

Polaarpea võib olla mitteioonne või ioonne. Pindaktiivse aine või apolaarse osa saba võib olla süsiniku ahel ja vesinikalküül või alküülbenseen.

See konkreetne struktuur annab pindaktiivse aine keemilistele ühenditele kahekordse amfifiilse käitumise: afiinsus ühendite või polaarsete faaside suhtes, vees lahustuv ja ka afiinsus mittepolaarsete ühendite suhtes, vees lahustumatu.

Üldiselt vähendavad pindaktiivsed ained vee pindpinevust, mis võimaldab sellel vedelikul suuremal määral laieneda ja voolata, niisutades naaberpindu ja faase.

Millised on pindaktiivsed ained??

Pindaktiivsed keemilised ühendid avaldavad aktiivsust pindadele või liidestele.

Kui nad vees lahustuvad, rännavad nad vee- või vee-õhu liidestesse, näiteks kui nad võivad toimida järgmiselt:

  • Vees lahustumatute või halvasti lahustuvate ühendite dispergaatorid ja solubilisaatorid.
  • Niisutavad ained, sest need soodustavad vee lahustumist lahustumatutesse faasidesse.
  • Vees ja vees lahustumatute ühendite, nagu õli ja majoneesi vesi, emulsioonid.
  • Mõned pindaktiivsed ained soodustavad ja teised takistavad vahu teket.

Biosurfaktandid: bioloogilise päritoluga pindaktiivsed ained

Kui pindaktiivne aine on pärit elusorganismist, nimetatakse seda biosurfaktandiks.

Keerulisemas mõttes loetakse biosurfaktante amfifiilseteks bioloogilisteks ühenditeks (kahekordse keemilise käitumisega, lahustuvad vees ja rasvades), mida toodavad mikroorganismid, nagu pärmid, bakterid ja kiulised seened..

Biosurfaktandid erituvad või säilitatakse mikroobse rakumembraani osana.

Samuti toodetakse biotehnoloogiliste protsesside käigus mõningaid biosurfaktante, kasutades ensüüme, mis toimivad bioloogilisele keemilisele ühendile või looduslikule tootele..

Biosurfaktantide näited

Looduslike biosurfaktantide hulgast võime mainida taimede sapooniine, nagu näiteks cayenne'i lille (Hibiscus sp.), letsitiin, imetajate sappimahlad või inimese kopsu-pindaktiivne aine (väga oluliste füsioloogiliste funktsioonidega).

Lisaks on aminohapped ja nende derivaadid, betaiinid ja fosfolipiidid kõik biosurfaktandid, kõik need bioloogilise päritoluga looduslikud saadused.

Biosurfaktantide ja näidete klassifitseerimine

-Vastavalt elektrilise laengu iseloomule polaarses või peaosas

Biosurfaktante võib rühmitada järgmistesse kategooriatesse, sõltuvalt teie polaarpea elektrilaengust:

Anioonsed biosurfaktandid

Neil on polaarses otsas negatiivne laeng, sageli sulfonaatrühma -SO olemasolu tõttu3-.

Katioonsed biosurfaktandid

Neil on pea, tavaliselt kvaternaarse ammooniumrühma NR positiivne laeng4+, kus R on süsiniku ja vesiniku ahel.

Amfoteersed biosurfaktandid

Neil on kaks molekuliga positiivset ja negatiivset laengut.

Mitteioonsed biosurfaktandid

Neil ei ole oma peades ioone ega elektrilisi laenguid.

-Vastavalt selle keemilisele olemusele

Vastavalt nende keemilisele iseloomule liigitatakse biosurfaktandid järgmistesse tüüpidesse:

Glükolipiidide biosurfaktandid

Glükolipiidid on molekulid, mille keemiline struktuur on osa lipiidist või rasvast ja osa suhkrust. Enamik tuntud biosurfaktante on glükolipiidid. Viimane koosneb suhkrute sulfaatidest nagu glükoos, galaktoos, mannoos, ramnoos ja galaktoos..

Glükolipiidide hulgas on kõige tuntumad ramnolipiidid, bioemulgaatorid, mida on väga uuritud, kõrge emulgeeriv toime ja kõrge afiinsus hüdrofoobsete orgaaniliste molekulide suhtes (mis ei lahustu vees)

Neid peetakse kõige efektiivsemateks pindaktiivseteks aineteks hüdrofoobsete ühendite eemaldamiseks saastunud pinnasest.

Ramnolipiidide näidetena võib mainida perekonna baktereid tootvaid pindaktiivseid aineid Pseudomonas.

On ka teisi glükolipiide Torulopsis sp., biotsiidse toimega ja mida kasutatakse kosmeetikatoodetes, kõõmavastases, bakteriostaatilistes toodetes ja keha deodorantidena.

Biosurfaktandid lipoproteiinid ja lipopeptiidid

Lipoproteiinid on keemilised ühendid, mille struktuuris on osa lipiididest või rasvadest ja teine ​​valgu osa.

Näiteks, Bacillus subtilis on bakter, mis toodab lipopeptiide, mida nimetatakse surfaktiinideks. Need on kõige võimsamad pindpinevused, mis vähendavad biosurfaktante.

Surfaktiinidel on võime toota imetajate erütrotsüütide (punaste vereliblede rebend) lüüsi. Lisaks võib neid kasutada kahjurite biotsiididena väikeste närilistena.

Biosurfaktandid rasvhapped

Mõned mikroorganismid võivad alkaanid (süsiniku- ja vesinikuahelad) oksüdeerida rasvhapeteks, millel on pindaktiivsed omadused.

Fosfolipiidide biosurfaktandid

Fosfolipiidid on keemilised ühendid, millel on fosfaatrühmad (PO43-), mis on kinnitatud lipiidstruktuuriga osale. Nad on osa mikroorganismide membraanidest.

Teatud bakterid ja pärmid, mis söövad süsivesinikke, kui nad kasvavad alkaani substraatidel, suurendavad fosfolipiidide hulka oma membraanis. Näiteks, Acinetobacter sp., Tiobatsiildioksidaanid ja Rhodococcus erythropolis.

Polümeersed biosurfaktandid

Polümeersed biosurfaktandid on suure molekulmassiga makromolekulid. Selle rühma kõige uuritavateks biosurfaktantideks on: emulsioon, liposaan, mannoproteiin ja polüsahhariid-valgu kompleksid.

Näiteks bakter Acinetobacter calcoaceticus tekitab polüanioonse emulgaani (mitme negatiivse laenguga), mis on väga tõhus süsivesinike bioemulgaator vees. See on ka üks võimsamaid teadaolevaid emulsiooni stabilisaatoreid.

Liposaan on ekstratsellulaarne emulgaator, mis lahustub vees, mis on moodustunud polüsahhariidide ja valgu abil Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae toodab suurtes kogustes mannoproteiine, millel on suurepärane õlide, alkaanide ja orgaaniliste lahustite emulgeeriv toime.

-Vastavalt selle molekulmassile

Biosurfaktandid liigitatakse kahte kategooriasse:

Madala molekulmassiga biosurfaktandid

Väikese pinna- ja liidese pingega. Näiteks ramnolipiidid.

Suure molekulmassiga polümeersed biosurfaktandid

See seondub tugevalt pindadega, näiteks toidu bioemulgaatoritega.

Biosurfaktantide tootmine

Biosurfaktantide tootmiseks kasutatakse bioreaktorites mikroorganismide kultuure. Enamik neist mikroorganismidest on eraldatud saastunud söötmetest, näiteks tööstusjäätmete kohtadest või naftatööstuse poolt ära visatud süsivesinike kaevandustest..

Biosurfaktantide efektiivne tootmine sõltub mitmest tegurist, näiteks substraadi või süsinikuallika olemusest, mida kasutatakse kultuurisöötmena, ja selle soolsuse tasemest. Lisaks sõltub see sellistest teguritest nagu temperatuur, pH ja hapniku kättesaadavus.

Biosurfaktantide rakendused

Praegu on biosurfaktantide jaoks suur kaubanduslik nõudlus, sest keemilisel sünteesil (nafta derivaatidest) saadud pindaktiivsed ained on mürgised, biolagunevad ja seetõttu on neil keskkonnaalased eeskirjad nende kasutamiseks.

Need probleemid on tekitanud märkimisväärset huvi biosurfaktantide kui biolagunevate mittetoksiliste alternatiivide vastu.

Biosurfaktantidel on rakendusi mitmes valdkonnas, näiteks:

Naftatööstus

Biosurfaktante kasutatakse süsivesinike õli ekstraheerimisel ja bioremediatsioonil (elusorganismidega puhastamine); näide: Biosurfaktant Arthrobacter sp.

Neid kasutatakse ka nafta biosulfureerimise protsessides (väävli eemaldamine mikroorganismide abil). Kasutati perekonna liike Rhodococcus.

Keskkonnahooldus

Biosurfaktante kasutatakse mürgiste metallidega saastunud muldade nagu uraan, kaadmium ja plii (biosurfaktandid) bioremediatsioonis. Pseudomonas spp. ja Rhodococcus spp.).

Neid kasutatakse ka bensiini või naftareostusega saastunud pinnase ja vee bioremediatsiooniprotsessides.

Näiteks, Aeromonas sp. toodab biosurfaktante, mis võimaldavad nafta lagunemist või suurte molekulide vähendamist väiksemateks, mis toimivad mikroorganismide bakterite ja seente toitainetena.

Tööstusprotsessides

Biosurfaktante kasutatakse pesuvahendites ja puhastusvahendites, kuna need parandavad pesemisvees puhastavaid rasva, mis saastavad riideid või pindu..

Neid kasutatakse ka keemiliste abiainetena tekstiili-, paberi- ja parkimistööstuses.

Kosmeetika- ja farmaatsiatööstuses

Kosmeetikatööstuses, Bacillus licheniformis toodab biosurfaktante, mida kasutatakse antidandruffi, bakteriostaatiliste ja deodorantidena.

Mõningaid biosurfaktante kasutatakse farmatseutilises ja biomeditsiinitööstuses nende antimikroobse ja / või seenevastase toime jaoks..

Toiduainetööstuses

Toiduainetööstuses kasutatakse biosurfaktante majoneesi valmistamisel (mis on munavee ja õli emulsioon). Need biosurfaktandid pärinevad lektiinidest ja nende derivaatidest, mis parandavad kvaliteeti ja lisaks maitset.

Põllumajanduses

Põllumajanduses kasutatakse biosurfaktante põllukultuuride patogeenide (seente, bakterite, viiruste) bioloogiliseks kontrolliks..

Teine biosurfaktantide kasutamine põllumajanduses on mulla mikroelementide kättesaadavuse suurenemine.

Viited

  1. Banat, I.M., Makkar, R.S. ja Cameotra, S.S. (2000). Mikroobse pindaktiivse aine võimalikud kaubanduslikud rakendused. Rakendatud mikrobioloogia tehnoloogia. 53 (5): 495-508.
  2. Cameotra, S.S. ja Makkar, R.S. (2004). Biosurfaktantide viimased rakendused bioloogiliste ja immunoloogiliste molekulidena. Praegune arvamus mikrobioloogias. 7 (3): 262-266.
  3. Chen, S.Y., Wei, Y.H. ja Chang, J.S. (2007). Korduv pH-stat söötmine partii kääritamisel ramnolipiidide tootmiseks koos põlisrahvaste Pseudomonas aeruginosa Rakendatud mikrobioloogia biotehnoloogia. 76 (1): 67-74.
  4. Mulligan, C.N. (2005). Biosurfaktantide keskkonnaalased rakendused. Keskkonna saastamine. 133 (2): 183-198.doi: 10,016 / j.env.pol.2004.06.009
  5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. ja Liu, T. (2018). Biosurfaktandid suurendasid raskmetallide eemaldamist setetest elektrokineetilises ravis. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.