Επιφανειοδραστικές ουσίες και βιοσουλφονεργατικά συστατικά, παραδείγματα και χρήσεις



Α επιφανειοδραστική ουσία είναι μια χημική ένωση ικανή να μειώνει την επιφανειακή τάση ενός υγρού ουσίας, που δρουν σε μία επιφάνεια διεπαφής ή επαφής μεταξύ δύο φάσεων, για παράδειγμα νερό-αέρα ή νερού-λαδιού.

Ο όρος επιφανειοδραστική ουσία προέρχεται από την αγγλική λέξη επιφανειοδραστική ουσία, η οποία με τη σειρά της προέρχεται από το ακρωνύμιο της έκφρασης surfάσσο δραστικό παράγοντα, που σημαίνει ισπανικός πράκτορας με διεπαγγελματική ή επιφανειακή δραστηριότητα.

Στα ισπανικά χρησιμοποιείται η λέξη "επιφανειοδραστική ουσία", αναφερόμενη στην ικανότητα δράσης μιας χημικής ένωσης στην επιφανειακή ή την επιφανειακή τάση. Η επιφανειακή τάση μπορεί να οριστεί ως αντίσταση που τα υγρά πρέπει να αυξήσουν την επιφάνεια τους.

Το νερό έχει υψηλή επιφανειακή τάση επειδή τα μόρια του είναι πολύ ισχυρά συνδεδεμένα μεταξύ τους και αντιστέκονται στο διαχωρισμό όταν ασκείται πίεση στην επιφάνεια του.

Για παράδειγμα, μερικά υδρόβια έντομα, όπως το "τσουγκράνα" (Gerris lacustris), μπορούν να κινούνται με νερό χωρίς βύθιση, χάρη στην επιφανειακή τάση του νερού, που επιτρέπει το σχηματισμό ενός φιλμ στην επιφάνεια του.

Επίσης, μια χαλύβδινη βελόνα κρατείται πάνω από την επιφάνεια του νερού και δεν βυθίζεται, λόγω της επιφανειακής τάσης του νερού.

Ευρετήριο

  • 1 Δομή και λειτουργία επιφανειοδραστικών ουσιών
  • 2 Ποιες είναι οι επιφανειοδραστικές ουσίες;?
  • 3 Biosurfactants: επιφανειοδραστικές ουσίες βιολογικής προέλευσης
    • 3.1 Παραδείγματα βιολογικών επιφανειοδραστικών ουσιών
  • 4 Ταξινόμηση των βιοενεργών ουσιών και παραδείγματα
    • 4.1 - Ανάλογα με τη φύση του ηλεκτρικού φορτίου στο πολικό ή το κεφάλι
    • 4.2 - Σύμφωνα με τη χημική της φύση
    • 4.3 - Σύμφωνα με το μοριακό βάρος του
  • 5 Παραγωγή βιολογικών παραγόντων
  • 6 Εφαρμογές βιολογικών παραγόντων
    • 6.1 Πετρελαϊκή βιομηχανία
    • 6.2 Περιβαλλοντική αποχέτευση
    • 6.3 Σε βιομηχανικές διεργασίες
    • 6.4 Στην καλλυντική και φαρμακευτική βιομηχανία
    • 6.5 Στη βιομηχανία τροφίμων
    • 6.6 Στη γεωργία
  • 7 Αναφορές

Δομή και λειτουργία επιφανειοδραστικών ουσιών

Όλα τα χημικά επιφανειοδραστικά ή τα επιφανειοδραστικά είναι της φύσης αμφίφιλη, δηλαδή, έχουν μια διπλή συμπεριφορά, επειδή μπορούν να διαλύσουν πολικές και μη πολικές ενώσεις. Τα επιφανειοδραστικά έχουν δύο κύρια μέρη στη δομή τους:

  • Μια υδρόφιλη πολική κεφαλή, παρόμοια με το νερό και τις πολικές ενώσεις.
  • Μία μη πολική υδρόφοβη, λιπόφιλη ουρά, που σχετίζεται με μη πολικές ενώσεις.

Η πολική κεφαλή μπορεί να είναι μη ιοντική ή ιοντική. Η ουρά του επιφανειοδραστικού ή του μη αποστειρωμένου τμήματος μπορεί να είναι μια αλυσίδα άνθρακα και υδρογόνο αλκύλιο ή αλκυλοβενζόλιο.

Αυτή η συγκεκριμένη δομή δίνει στις επιφανειοδραστικές χημικές ενώσεις μία διπλή αμφίφιλη συμπεριφορά: συγγένεια για ενώσεις ή πολικές φάσεις, διαλυτές στο νερό και επίσης συγγένεια για μη πολικές ενώσεις, αδιάλυτες σε νερό.

Σε γενικές γραμμές, οι επιφανειοδραστικές ουσίες μειώνουν την επιφανειακή τάση του νερού, επιτρέποντας στο υγρό να επεκτείνει και να ρέει σε μεγαλύτερο βαθμό, διαβροχή επιφάνειες και τις γειτονικές φάσεις.

Ποιες είναι οι επιφανειοδραστικές ουσίες;?

Οι επιφανειοδραστικές χημικές ενώσεις ασκούν τη δραστηριότητά τους σε επιφάνειες ή διεπαφές.

Όταν διαλύονται στο νερό, μεταναστεύουν στις διασυνδέσεις νερού-ελαίου ή νερού-αέρα, για παράδειγμα, όπου μπορούν να λειτουργήσουν ως:

  • Διασπορείς και διαλυτοποιητές αδιάλυτων ή ελάχιστα διαλυτών ενώσεων σε νερό.
  • Υγραντικά, επειδή ευνοούν τη διέλευση του νερού σε αδιάλυτες φάσεις σε αυτό.
  • Γαλακτωματοποιητές σταθεροποιητές των ενώσεων αδιάλυτων στο νερό και στο νερό, όπως το λάδι και το μαγιονέζικο νερό.
  • Ορισμένες επιφανειοδραστικές ουσίες ευνοούν και άλλες αποτρέπουν το σχηματισμό αφρού.

Βιολογικά ενεργά: επιφανειοδραστικές ουσίες βιολογικής προέλευσης

Όταν ο επιφανειοδραστικός παράγοντας προέρχεται από έναν ζωντανό οργανισμό, ονομάζεται βιοσουλφιδικό.

Με αυστηρότερη έννοια, τα βιοσουλφονικά θεωρούνται ως αμφίφιλες βιολογικές ενώσεις (διπλής χημικής συμπεριφοράς, διαλυτές στο νερό και στα λίπη), που παράγονται από μικροοργανισμούς όπως οι ζύμες, τα βακτήρια και οι νηματώδεις μύκητες..

Τα βιολογικά επιφανειοδραστικά εκκρίνονται ή διατηρούνται ως μέρος της μεμβράνης μικροβιακών κυττάρων.

Επίσης, ορισμένες βιοσυσσωματικές ουσίες παράγονται με βιοτεχνολογικές μεθόδους, χρησιμοποιώντας ένζυμα που δρουν σε μια βιολογική χημική ένωση ή σε ένα φυσικό προϊόν.

Παραδείγματα βιολογικών παραγόντων

Μεταξύ των φυσικών βιοαπορροφητικών ουσιών μπορούμε να αναφέρουμε τις σαπωνίνες φυτών όπως το λουλούδι καγιέν (Ιβίσκος sp.), λεκιθίνη, χολικά χυμούς πνευμονικού επιφανειοδραστικού θηλαστικού ή ανθρώπου (με πολύ σημαντικές φυσιολογικές λειτουργίες).

Επιπλέον, τα αμινοξέα και τα παράγωγά τους, οι βεταϊνες και τα φωσφολιπίδια είναι όλα βιο-επιφανειοδραστικά, όλα αυτά τα φυσικά προϊόντα βιολογικής προέλευσης.

Ταξινόμηση των βιοενεργών ουσιών και παραδείγματα

-Ανάλογα με τη φύση του ηλεκτρικού φορτίου στο πολικό ή το κεφάλι

Τα βιολογικά φάρμακα μπορούν να ομαδοποιηθούν στις παρακάτω κατηγορίες, ανάλογα με το ηλεκτρικό φορτίο της πολικής κεφαλής:

Ανιονικά βιοσώματα

Έχουν αρνητικό φορτίο στο πολικό άκρο, συχνά λόγω της παρουσίας σουλφονικής ομάδας -SO3-.

Κατιονικά βιολογικά επιφανειοδραστικά

Έχουν θετικό φορτίο στο κεφάλι, συνήθως μια ομάδα τεταρτοταγούς αμμωνίου NR4+, όπου το R αντιπροσωπεύει αλυσίδα άνθρακα και υδρογόνου.

Amphoteric biosurfactants

Έχουν τα δύο φορτία, θετικά και αρνητικά στο ίδιο μόριο.

Μη ιονικά βιολογικά επιφανειοδραστικά

Δεν έχουν ιόντα ή ηλεκτρικά φορτία στα κεφάλια τους.

-Σύμφωνα με τη χημική του φύση

Ανάλογα με τη χημική τους φύση, τα βιολογικά επιφανειοδραστικά ταξινομούνται στους ακόλουθους τύπους:

Γλυκολιπιδικά βιοσώματα

Τα γλυκολιπίδια είναι μόρια που έχουν στη χημική τους δομή ένα μέρος λιπιδίων ή λίπους και ένα μέρος ζάχαρης. Τα περισσότερα γνωστά βιολογικά επιφανειοδραστικά είναι γλυκολιπίδια. Τα τελευταία αποτελούνται από θειικά σάκχαρα όπως γλυκόζη, γαλακτόζη, μαννόζη, ραμνόζη και γαλακτόζη.

Μεταξύ των γλυκολιπιδίων, τα πλέον γνωστά είναι τα ραμνολιπίδια, οι βιομομυκητοποιητές που έχουν μελετηθεί πολύ, η υψηλή δραστικότητα γαλακτωματοποίησης και η υψηλή συγγένεια για υδρόφοβα οργανικά μόρια (τα οποία δεν διαλύονται στο νερό)

Αυτές θεωρούνται οι πλέον αποτελεσματικές επιφανειοδραστικές ουσίες για την απομάκρυνση υδρόφοβων ενώσεων σε μολυσμένο έδαφος.

Ως παραδείγματα ραμνολιπιδίων, μπορούν να αναφερθούν τασιενεργά που παράγουν βακτηρίδια του γένους Ψευδομονάδα.

Υπάρχουν άλλα γλυκολιπίδια, που παράγονται από Torulopsis sp., με βιοκτόνο δράση και χρησιμοποιούνται σε καλλυντικά, αντι-πιτυρίδα, βακτηριοστατικά προϊόντα και ως αποσμητικά σώματος.

Οι λιποπρωτεΐνες και τα λιποπρωτίδια βιοενεργώνπαραγόντων

Οι λιποπρωτεΐνες είναι χημικές ενώσεις που έχουν μέρος του λιπιδίου ή του λίπους στη δομή τους και ένα άλλο μέρος της πρωτεΐνης.

Για παράδειγμα, Bacillus subtilis είναι ένα βακτήριο που παράγει λιποπεπτίδια που ονομάζονται surfactins. Αυτές είναι οι πιο ισχυρές επιφανειακές τάσεις που μειώνουν τις βιοσυσσωματικές ιδιότητες.

Οι επιφανειοδρασίνες έχουν την ικανότητα να παράγουν λύση των ερυθροκυττάρων (ρήξη ερυθρών αιμοσφαιρίων) των θηλαστικών. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως επιβλαβή βιοκτόνα ως μικρά τρωκτικά.

Βιολογικά ενεργά λιπαρά οξέα

Μερικοί μικροοργανισμοί μπορούν να οξειδώσουν αλκάνια (αλυσίδες άνθρακα και υδρογόνου) σε λιπαρά οξέα που έχουν επιφανειοδραστικές ιδιότητες.

Φωσφολιπιδικά βιολογικά επιφανειοδραστικά

Τα φωσφολιπίδια είναι χημικές ενώσεις που έχουν φωσφορικές ομάδες (PO43-), προσαρτημένο σε ένα τμήμα με λιπιδική δομή. Είναι μέρος των μεμβρανών των μικροοργανισμών.

Ορισμένα βακτήρια και ζυμομύκητες που τρέφονται με υδρογονάνθρακες, όταν αναπτύσσονται σε υποστρώματα αλκανίων, αυξάνουν την ποσότητα των φωσφολιπιδίων στη μεμβράνη τους. Για παράδειγμα, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxidans και Rhodococcus erythropolis.

Πολυμερικά βιολογικά επιφανειοδραστικά

Τα πολυμερή βιο-επιφανειοδραστικά είναι μακρομόρια υψηλού μοριακού βάρους. Οι πιο μελετηθεί βιοτασιενεργά αυτής της ομάδας είναι: Emulsan, LipoSan, mannoproteína και πολυσακχαρίτη-πρωτεΐνης σύμπλοκα.

Για παράδειγμα, το βακτήριο Acinetobacter calcoaceticus παράγει πολυανιονικό γαλάκτωμα (με πολλά αρνητικά φορτία), έναν πολύ αποτελεσματικό βιογαλακτωματοποιητή για υδρογονάνθρακες στο νερό. Είναι επίσης ένας από τους ισχυρότερους σταθεροποιητές γαλακτώματος που είναι γνωστοί.

Η λιποσάνη είναι ένας εξωκυτταρικός γαλακτωματοποιητής, διαλυτός στο νερό, που σχηματίζεται από πολυσακχαρίτες και πρωτεΐνη του Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae παράγει μεγάλες ποσότητες μαννοπρωτεϊνών με εξαιρετική γαλακτωματοποιητική δράση ελαίων, αλκανίων και οργανικών διαλυτών.

-Σύμφωνα με το μοριακό βάρος του

Τα βιολογικά φάρμακα ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες:

Βιολογικά επιφανειοδραστικά χαμηλού μοριακού βάρους

Με μικρές επιφανειακές και διεπιφανειακές εντάσεις. Για παράδειγμα, τα ραμνολιπίδια.

Πολλαπλά μοριακά βάρους πολυμερή βιο-επιφανειοδραστικά

Αυτό δεσμεύεται έντονα σε επιφάνειες, όπως οι βιοαιωρητές τροφίμων.

Παραγωγή βιολογικών παραγόντων

Για την παραγωγή βιοεπιφανειοδραστικών ουσιών, καλλιέργειες μικροοργανισμών χρησιμοποιούνται σε βιοαντιδραστήρες. Οι περισσότεροι από αυτούς τους μικροοργανισμούς απομονώνονται από μολυσμένα μέσα, όπως χώρους βιομηχανικών αποβλήτων ή κοιλώματα υδρογονανθράκων που απορρίπτονται από τη βιομηχανία πετρελαίου.

Η αποδοτική παραγωγή των βιοτασιενεργά εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων της φύσης του υποστρώματος ή άνθρακας πηγή που χρησιμοποιείται ως μέσο καλλιέργειας και η αλατότητα της. Επιπλέον, εξαρτάται από παράγοντες όπως η θερμοκρασία, το pH και η διαθεσιμότητα οξυγόνου.

Εφαρμογές των βιολογικών παραγόντων

Επί του παρόντος, υπάρχει τεράστια εμπορική ζήτηση για βιολογικά επιφανειοδραστικά, επειδή τα επιφανειοδραστικά που λαμβάνονται με χημική σύνθεση (από παράγωγα πετρελαίου) είναι τοξικά, μη βιοαποικοδομήσιμα και συνεπώς έχουν περιβαλλοντικούς κανονισμούς για τη χρήση τους.

Αυτά τα προβλήματα έχουν προκαλέσει σημαντικό ενδιαφέρον για τα βιολογικά επιφανειοδραστικά ως βιοαποικοδομήσιμα, μη τοξικά εναλλακτικά.

Τα βιολογικά φάρμακα έχουν εφαρμογές σε πολλούς τομείς, όπως:

Βιομηχανία πετρελαίου

Τα βιολογικά ενεργά συστατικά χρησιμοποιούνται στην εκχύλιση πετρελαίου και στη βιοαποκατάσταση (απολύμανση με ζωντανούς οργανισμούς) υδρογονανθράκων. παράδειγμα: το βιοενεργό συστατικό του Arthrobacter sp.

Εφαρμόζονται επίσης σε διαδικασίες βιοαποθείωσης (εξάλειψη θείου με χρήση μικροοργανισμών) πετρελαίου. Είχαν χρησιμοποιηθεί είδη του γένους Rhodococcus.

Περιβαλλοντική αποχέτευση

Τα βιολογικά ενεργά αντιδραστήρια χρησιμοποιούνται στη βιοανάδραση των εδαφών που έχουν μολυνθεί από τοξικά μέταλλα, όπως το ουράνιο, το κάδμιο και ο μόλυβδος (βιολογικά επιφανειοδραστικά από Ψευδομονάδα spp. και Rhodococcus spp.).

Χρησιμοποιούνται επίσης σε διαδικασίες βιοαποκατάστασης εδαφών και νερού που έχουν μολυνθεί από βενζίνη ή πετρελαιοκηλίδες.

Για παράδειγμα, Aeromonas sp. παράγει βιοσουλφονικά που επιτρέπουν την αποικοδόμηση του ελαίου ή τη μείωση των μεγάλων μορίων σε μικρότερα, τα οποία χρησιμεύουν ως θρεπτικά συστατικά για μικροοργανισμούς βακτήρια και μύκητες.

Σε βιομηχανικές διεργασίες

Τα βιολογικά αντιδραστήρια χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία απορρυπαντικών και καθαριστικών, καθώς βελτιώνουν την δράση καθαρισμού με τη διάλυση των λιπών που μολύνουν ρούχα ή επιφάνειες στο νερό πλύσης.

Χρησιμοποιούνται επίσης ως βοηθητικές χημικές ενώσεις στις βιομηχανίες κλωστοϋφαντουργίας, χαρτιού και βυρσοδεψίας.

Στη βιομηχανία καλλυντικών και φαρμακευτικών προϊόντων

Στη βιομηχανία καλλυντικών, Bacillus licheniformis παράγει βιοσουλφονικά που χρησιμοποιούνται ως αντιδιαβρωτικά, βακτηριοστατικά και αποσμητικά προϊόντα.

Ορισμένες βιο-επιφανειοδραστικές ουσίες χρησιμοποιούνται στη φαρμακευτική και βιοϊατρική βιομηχανία για την αντιμικροβιακή ή / και αντιμυκητιακή δράση τους.

Στη βιομηχανία τροφίμων

Στον τομέα των τροφίμων, τα βιολογικά επιφανειοδραστικά χρησιμοποιούνται στην παρασκευή μαγιονέζας (που είναι ένα γαλάκτωμα από νερό και έλαιο αυγού). Αυτά τα βιολογικά επιφανειοδραστικά προέρχονται από λεκτίνες και τα παράγωγά τους, τα οποία βελτιώνουν την ποιότητα και επιπλέον τη γεύση.

Στη γεωργία

Στη γεωργία, τα βιολογικά επιφανειοδραστικά χρησιμοποιούνται για τον βιολογικό έλεγχο των παθογόνων (μύκητες, βακτήρια, ιούς) των καλλιεργειών.

Μια άλλη χρήση των βιολογικών επιφανειοδραστικών ουσιών στη γεωργία είναι η αύξηση της διαθεσιμότητας των μικροθρεπτικών συστατικών στο έδαφος.

Αναφορές

  1. Banat, Ι.Μ., Makkar, R.S. και Cameotra, S.S. (2000). Πιθανές εμπορικές εφαρμογές μικροβιακών επιφανειοδραστικών ουσιών. Τεχνολογία εφαρμοσμένης μικροβιολογίας. 53 (5): 495-508.
  2. Cameotra, S.S. και Makkar, R.S. (2004). Πρόσφατες εφαρμογές των βιοενεργών ουσιών ως βιολογικά και ανοσολογικά μόρια. Current Opinions in Microbiology. 7 (3): 262-266.
  3. Chen, S.Y., Wei, Υ.Η. and Chang, J.S. (2007). Επαναλαμβανόμενη ζύμωση τροφοδοσίας-παρτίδας με ρΗ-stat για παραγωγή ραμνολιπιδίων με ιθαγενείς Pseudomonas aeruginosa Εφαρμοσμένη Μικροβιολογία Βιοτεχνολογία. 76 (1): 67-74.
  4. Mulligan, C.N. (2005). Περιβαλλοντικές εφαρμογές για βιοαποενεργοποιητές. Περιβαλλοντική Ρύπανση. 133 (2): 183-198.διό: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
  5. Tang, J., He, J., Xin, Χ., Hu, Η. And Liu, Τ. (2018). Τα βιολογικά ενεργά συστατικά βελτίωσαν την απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων από την ιλύ στην ηλεκτροκινητική επεξεργασία. Εφημερίδα της Χημικής Μηχανικής. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.