Oppervlakteactieve stoffen en biosurfactanten waar is het voor, voorbeelden en toepassingen

een surfactant is een chemische verbinding die in staat is de oppervlaktespanning van een vloeibare substantie te verminderen, werkend op een grensvlak of contactoppervlak tussen twee fasen, bijvoorbeeld water-lucht of water-olie.

De term surfactant komt van het Engelse woord surfactant, wat op zijn beurt is afgeleid van het acroniem van de uitdrukking surfingactieve aas, wat betekent in het Spaans agent met grensvlak- of oppervlakteactiviteit.

In het Spaans wordt het woord "oppervlakteactieve stof" gebruikt, verwijzend naar de actievermogen van een chemische verbinding op het oppervlak of grensvlakspanning. Oppervlaktespanning kan worden gedefinieerd als een weerstand die vloeistoffen hun oppervlak moeten doen toenemen.

Water heeft een hoge oppervlaktespanning omdat de moleculen zeer sterk aan elkaar zijn gebonden en bestand zijn tegen afscheiding wanneer op het oppervlak druk wordt uitgeoefend.

Sommige waterinsecten, zoals "de schoenmaker" (Gerris lacustris), kan op water bewegen zonder te zinken, dankzij de oppervlaktespanning van het water, waardoor het mogelijk wordt een film op het oppervlak te vormen.

Ook wordt een stalen naald boven het oppervlak van het water gehouden en zakt niet, als gevolg van de oppervlaktespanning van het water.

index

• 1 Structuur en werking van oppervlakteactieve stoffen
• 2 Waar zijn de oppervlakteactieve stoffen voor??
• 3 Biosurfactants: oppervlakteactieve stoffen van biologische oorsprong
  • 3.1 Voorbeelden van biosurfactanten
• 4 Classificatie van biosurfactanten en voorbeelden
  • 4.1 - Afhankelijk van de aard van de elektrische lading in het pool- of hoofdgedeelte
  • 4.2 - Volgens zijn chemische aard
  • 4.3 - Volgens het molecuulgewicht
• 5 Productie van biosurfactanten
• 6 Toepassingen van biosurfactants
  • 6.1 Olie-industrie
  • 6.2 Milieusanering
  • 6.3 In industriële processen
  • 6.4 In de cosmetische en farmaceutische industrie
  • 6.5 In de voedingsindustrie
  • 6.6 In de landbouw
• 7 Referenties

Structuur en werking van oppervlakteactieve stoffen

Alle chemische oppervlakteactieve stoffen of oppervlakteactieve stoffen zijn van nature amfifiele, dat wil zeggen, ze hebben een dubbel gedrag, omdat ze polaire en niet-polaire verbindingen kunnen oplossen. De oppervlakteactieve stoffen hebben twee hoofdonderdelen in hun structuur:

• Een hydrofiele polaire kop, vergelijkbaar met water en polaire verbindingen.
• Een niet-polaire hydrofobe, lipofiele staart, gerelateerd aan niet-polaire verbindingen.

De polaire kop kan niet-ionisch of ionisch zijn. De staart van de oppervlakteactieve stof of het apolaire deel kan een keten van koolstof en waterstofalkyl of alkylbenzeen zijn.

Deze specifieke structuur geeft de oppervlakteactieve chemische verbindingen een dubbel, amfifiel gedrag: affiniteit voor verbindingen of polaire fasen, oplosbaar in water en ook affiniteit voor niet-polaire verbindingen, onoplosbaar in water.

Oppervlakteactieve stoffen verminderen over het algemeen de oppervlaktespanning van water, waardoor deze vloeistof kan uitzetten en in grotere mate kan stromen, waardoor naburige oppervlakken en fasen worden bevochtigd.

Waar zijn de oppervlakteactieve stoffen voor??

Oppervlakteactieve chemische verbindingen oefenen hun activiteit uit op oppervlakken of grensvlakken.

Wanneer ze in water oplossen, migreren ze naar de interfaces voor water-olie of water-lucht, waar ze kunnen functioneren als:

• Dispergeermiddelen en solubilisatoren van onoplosbare of slecht oplosbare verbindingen in water.
• Bevochtigingsmiddelen, omdat ze hierin de doorgang van water naar onoplosbare fasen bevorderen.
• Emulsies stabilisatoren van verbindingen die onoplosbaar zijn in water en water, zoals olie en mayonaisewater.
• Sommige oppervlakteactieve stoffen hebben de voorkeur en andere voorkomen de vorming van schuim.

Biosurfactants: oppervlakteactieve stoffen van biologische oorsprong

Wanneer het oppervlakteactieve middel afkomstig is van een levend organisme, wordt het een biosurfactant genoemd.

In een striktere betekenis worden biosurfactants beschouwd als amfifiele biologische verbindingen (van dubbel chemisch gedrag, oplosbaar in water en in vetten), geproduceerd door micro-organismen zoals gisten, bacteriën en filamenteuze schimmels..

Biosurfactanten worden uitgescheiden of achtergehouden als onderdeel van het microbiële celmembraan.

Ook worden sommige biosurfactanten geproduceerd door biotechnologische processen, met behulp van enzymen die werken op een biologische chemische verbinding of een natuurlijk product.

Voorbeelden van biosurfactants

Onder de natuurlijke biosurfactanten kunnen we de saponinen van planten noemen, zoals de cayenne bloem (hibiscus sp.), lecithine, galsappen van zoogdieren of menselijke pulmonaire oppervlakteactieve stof (met zeer belangrijke fysiologische functies).

Bovendien zijn aminozuren en hun derivaten, betaïnes en fosfolipiden allemaal biosurfactanten, al deze natuurlijke producten van biologische oorsprong.

Classificatie van biosurfactanten en voorbeelden

-Afhankelijk van de aard van de elektrische lading in het pool- of hoofdgedeelte

Biosurfactants kunnen worden gegroepeerd in de volgende categorieën, afhankelijk van de elektrische lading van uw poolkop:

Anionische biosurfactanten

Ze hebben een negatieve lading aan het polaire uiteinde, vaak vanwege de aanwezigheid van een sulfonaatgroep -SO₃^-.

Kationische biosurfactanten

Ze hebben een positieve lading op het hoofd, meestal een quaternaire ammoniumgroep NR₄⁺, waarin R een koolstof- en waterstofketen voorstelt.

Amfotere biosurfactanten

Ze hebben de twee ladingen, positief en negatief in hetzelfde molecuul.

Niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen

Ze hebben geen ionen of elektrische ladingen in hun hoofd.

-Volgens zijn chemische aard

Volgens hun chemische aard worden biosurfactanten ingedeeld in de volgende typen:

Glycolipide biosurfactants

De glycolipiden zijn moleculen die in hun chemische structuur een deel van lipide of vet en een deel van suiker bevatten. De meeste bekende biosurfactants zijn glycolipiden. De laatste bestaan ​​uit sulfaten van suikers zoals glucose, galactose, mannose, rhamnose en galactose.

Onder de glycolipiden zijn de bekendste de rhamnolipiden, bio-emulgatoren die zeer goed zijn onderzocht, een hoge emulgerende werking en een hoge affiniteit voor hydrofobe organische moleculen (die niet in water oplossen).

Deze worden beschouwd als de meest effectieve oppervlakteactieve stoffen voor de verwijdering van hydrofobe verbindingen in verontreinigde grond.

Als voorbeelden van rhamnolipiden kunnen oppervlakteactieve stoffen worden genoemd die bacteriën van het geslacht produceren Pseudomonas.

Er zijn andere glycolipiden, geproduceerd door Torulopsis sp., met biocidale activiteit en gebruikt in cosmetica, anti-roos, bacteriostatische producten en als deodorants voor het lichaam.

Biosurfactants lipoproteïnen en lipopeptiden

Lipoproteïnen zijn chemische verbindingen die een deel van lipide of vet in hun structuur en een ander deel van eiwit hebben.

Bijvoorbeeld, Bacillus subtilis is een bacterie die lipopeptiden produceert die surfactines worden genoemd. Dit zijn de krachtigste oppervlaktespanning reducerende biosurfactanten.

De surfactinen hebben het vermogen om lysis van erytrocyten (breuk van rode bloedcellen) van zoogdieren te produceren. Bovendien kunnen ze worden gebruikt als plaagbestrijdingsmiddelen als kleine knaagdieren.

Biosurfactants vetzuren

Sommige micro-organismen kunnen alkanen (koolstof- en waterstofketens) oxideren tot vetzuren die oppervlakteactieve eigenschappen hebben.

Fosfolipide biosurfactanten

Fosfolipiden zijn chemische verbindingen met fosfaatgroepen (PO₄^3-), bevestigd aan een onderdeel met een lipidestructuur. Ze maken deel uit van de membranen van micro-organismen.

Bepaalde bacteriën en gisten die zich voeden met koolwaterstoffen, wanneer ze op alkaansubstraten groeien, verhogen de hoeveelheid fosfolipiden in hun membraan. Bijvoorbeeld, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxanen en Rhodococcus erythropolis.

Polymere biosurfactanten

De polymere biosurfactanten zijn macromoleculen met een hoog molecuulgewicht. De meest bestudeerde biosurfactanten van deze groep zijn: emulsan, liposan, mannoproteïne en polysaccharide-eiwitcomplexen.

Bijvoorbeeld de bacterie Acinetobacter calcoaceticus produceert polyanionische emulsan (met verschillende negatieve ladingen), een zeer effectieve bio-emulgator voor koolwaterstoffen in water. Het is ook een van de krachtigste emulsiestabilisatoren die er zijn.

Liposan is een extracellulaire emulgator, oplosbaar in water, gevormd door polysacchariden en eiwitten van Candida lipolytica.

Saccharomyces cereviseae produceert grote hoeveelheden mannoproteïnen met uitstekende emulgerende activiteit van oliën, alkanen en organische oplosmiddelen.

-Volgens het molecuulgewicht

Biosurfactanten worden ingedeeld in twee categorieën:

Biosurfactants met een laag moleculair gewicht

Met kleine spanningen aan het oppervlak en tussen de vlakken. Bijvoorbeeld rhamnolipids.

Polymere bio-oppervlakte-actieve stoffen met hoog molecuulgewicht

Die binden sterk aan oppervlakken, zoals voedsel-bio-emulgatoren.

Productie van biosurfactanten

Voor de productie van biosurfactants worden culturen van micro-organismen gebruikt in bioreactoren. De meeste van deze micro-organismen zijn geïsoleerd van verontreinigde media, zoals industriële afvallocaties of koolwaterstofputten die worden weggegooid door de olie-industrie.

De efficiënte productie van biosurfactanten is afhankelijk van verschillende factoren, zoals de aard van het substraat of de koolstofbron die wordt gebruikt als kweekmedium en de mate van zoutgehalte. Bovendien hangt het af van factoren zoals temperatuur, pH en zuurstofbeschikbaarheid.

Toepassingen van biosurfactants

Momenteel is er een grote commerciële vraag naar biosurfactanten, omdat de oppervlakteactieve stoffen die worden verkregen door chemische synthese (uit aardoliederivaten) toxisch, niet biologisch afbreekbaar zijn en daarom milieuvoorschriften hebben voor hun gebruik.

Deze problemen hebben geleid tot aanzienlijke interesse in biosurfactants als biologisch afbreekbare, niet-toxische alternatieven.

Biosurfactants hebben toepassingen op vele gebieden, zoals:

Olie-industrie

Biosurfactants worden gebruikt in olie-extractie en bioremediatie (decontaminatie met levende organismen) van koolwaterstoffen; voorbeeld: de biosurfactant van Arthrobacter sp.

Ze worden ook toegepast in processen van biodesulfurisatie (eliminatie van zwavel met behulp van micro-organismen) van aardolie. Soorten van het geslacht zijn gebruikt Rhodococcus.

Milieusanering

Biosurfactants worden gebruikt in de bioremediatie van bodems verontreinigd met toxische metalen, zoals uranium, cadmium en lood (biosurfactants van Pseudomonas spp. en Rhodococcus spp.).

Ze worden ook gebruikt in bioremediatieprocessen van bodems en water verontreinigd door benzine- of olielozingen.

Bijvoorbeeld, Aeromonas sp. produceert biosurfactanten die de afbraak van olie mogelijk maken of de reductie van grote moleculen tot kleinere, die dienen als voedingsstoffen voor micro-organismen, bacteriën en schimmels.

In industriële processen

Biosurfactants worden gebruikt in de detergenten- en reinigingsindustrie, omdat ze de reinigende werking verbeteren door het oplossen van de vetten die kleding of oppervlakken verontreinigen, in het waswater.

Ze worden ook gebruikt als hulpchemicaliën in de textiel-, papier- en leerlooierijen.

In de cosmetische en farmaceutische industrie

In de cosmetica-industrie, Bacillus licheniformis produceert biosurfactants die worden gebruikt als antidandruff, bacteriostatische en deodorant producten.

Sommige biosurfactanten worden in de farmaceutische en biomedische industrie gebruikt voor hun antimicrobiële en / of antischimmelactiviteit.

In de voedingsindustrie

In de voedingsindustrie worden bio-oppervlakteactieve stoffen gebruikt bij de bereiding van mayonaise (een emulsie van eierwater en olie). Deze biosurfactanten zijn afkomstig van lectinen en hun derivaten, die de kwaliteit en bovendien de smaak verbeteren.

In de landbouw

In de landbouw worden biosurfactanten gebruikt voor de biologische bestrijding van pathogenen (schimmels, bacteriën, virussen) van gewassen.

Een ander gebruik van biosurfactanten in de landbouw is de toename van beschikbaarheid van bodem-micronutriënten.

referenties

1. Banat, I.M., Makkar, R.S. en Cameotra, S.S. (2000). Potentiële commerciële toepassingen van microbiële oppervlakteactieve stoffen. Applied Microbiology Technology. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra, S.S. en Makkar, R.S. (2004). Recente toepassingen van biosurfactanten als biologische en immunologische moleculen. Huidige meningen in Microbiology. 7 (3): 262-266.
3. Chen, S.Y., Wei, Y.H. en Chang, J.S. (2007). Herhaalde pH-stat fed-batch fermentatie voor rhamnolipideproductie met inheemse Pseudomonas aeruginosa Applied Microbiology Biotechnology. 76 (1): 67-74.
4. Mulligan, C.N. (2005). Milieutoepassingen voor biosurfactants. Milieuvervuiling. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang, J., He, J., Xin, X., Hu, H. en Liu, T. (2018). Biosurfactants verbeterde de verwijdering van zware metalen uit slib in de elektrokinetische behandeling. Chemical Engineering Journal. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.