第九章 生物表面活性劑

第八章生物表面活性劑1在液氣兩相的界面上，液體分子所受液體內(nèi)部分子的引力大于氣體分子對(duì)它的引力，由此造成的使液體表面縮小的力叫表面張力。能顯著改變液體表面張力或兩相之間的界面張力的物質(zhì)叫表面活性劑（有時(shí)稱界面活性劑）。由于它們能起乳化、分散、增溶、潤(rùn)濕、發(fā)泡、消泡、殺菌等作用,因而被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。2表面活性劑具有非常獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)一端親油，一端親水，這種特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其易富集于界面，降低界面張力、改變界面性質(zhì)。3這種特性使表面活性劑在洗滌用品中起到去污作用，在化妝品中起著乳化作用，這種性質(zhì)也決定了表面活性劑必將在其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。4表面活性劑有陰離子型的，如肥皂、十二烷基硫酸鈉、十二烷基磺酸鈉等；有陽離子型的，如脂肪族胺鹽、烷基季胺鹽、烷基嘧啶鹵代物等；有兩性表面活性劑，如羚酸型、磺酸脂型等；有非離子型表面活性劑，如平平加、海鷗洗滌劑、氟碳類等。

5表面活性劑和合成洗滌劑形成一門工業(yè)得追溯到本世紀(jì)30年代，以石油化工原料衍生的合成表面活性劑和洗滌劑打破了肥皂一統(tǒng)天下的局面。中國(guó)的表面活性劑和合成洗滌劑工業(yè)起始于50年代，盡管起步較晚，但發(fā)展較快。6產(chǎn)量超萬噸的表面活性劑品種計(jì)有：直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸銨（AESA）、月桂醇硫酸鈉（K12或SDS）、平平加、木質(zhì)素磺酸鹽、重烷基苯磺酸鹽、烷基磺酸鹽（石油磺酸鹽）、擴(kuò)散劑NNO、擴(kuò)散劑MF等。7由于化學(xué)合成表面活性劑受原材料、價(jià)格和產(chǎn)品性能等因素的影響，且在生產(chǎn)和使用過程中常會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境及危害人類健康。因此，隨著人類環(huán)保和健康意識(shí)的增強(qiáng)，近二十多年來，對(duì)生物表面活性劑的研究日益增多，發(fā)展很快，國(guó)外已就多種生物表面活性劑及其生產(chǎn)工藝申請(qǐng)了專利。8生物表面活性劑是微生物在一定條件下培養(yǎng)時(shí)，在代謝過程中分泌的具有表面活性的代謝產(chǎn)物。

9它具有一般的化學(xué)合成表面活性劑所無法篦美的優(yōu)點(diǎn)——與環(huán)境的兼容性，即它沒有毒性，并可被生物降解，因此它們不會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利的影響。隨著環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，生物表面活性劑正愈來愈受到人們的關(guān)注。10

與合成表面活性劑相當(dāng)?shù)男阅苡校航档徒缑鎻埩?；乳化能力；?duì)熱的穩(wěn)定性；增加泡沫等作用；對(duì)pH的穩(wěn)定性等。11與化學(xué)合成表面活性劑相比，生物表面活性劑具有許多獨(dú)特的屬性，如：結(jié)構(gòu)的多樣性、生物可降解性、廣泛的生物活性及對(duì)環(huán)境的溫和性等。

12一、生物表面活性劑的性能

生物表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)中既具有極性基團(tuán)，又具有非極性基團(tuán)，是一類中極兩性分子。因此，它們能在兩相界面定向排列形成分子層，能降低界面的能量，即表面張力，多數(shù)生物表面活性劑可將表面張力減小至30mN/m。13二、生物表面活性劑的種類及其生產(chǎn)菌1、生物表面活性劑的種類化學(xué)合成表面活性劑通常是根據(jù)它們的極性基團(tuán)來分類，而生物表面活性劑則通過它們的生化性質(zhì)和生產(chǎn)菌的不同來區(qū)分。一般可分為五種類型：糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性劑。142、生物表面活性劑的生產(chǎn)菌微生物發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑的生產(chǎn)菌種大致可分為三類。一類是嚴(yán)格以烷烴作為碳源的微生物，如棒狀桿菌Corynebacteriumsp；一類是以水溶性底物為碳源的微生物，如桿菌Bacillussp；另一類可以以烷烴和水溶性底物兩者作為碳源，如假單胞菌Pseudomonassp。1516三、生物表面活性劑的生產(chǎn)1、培養(yǎng)發(fā)酵目前，可以通過兩種途徑生產(chǎn)生物表面活性劑:微生物發(fā)酵法和酶法。采用發(fā)酵法生產(chǎn)時(shí)，生物表面活性劑的種類、產(chǎn)量主要取決于生產(chǎn)菌的種類、生長(zhǎng)階段，碳基質(zhì)的性質(zhì)，培養(yǎng)基中N、P和金屬離子Mg2+、Fe2+的濃度以及培養(yǎng)條件(pH、溫度、攪拌速度等)。17大多數(shù)生物表面活性劑在微生物生長(zhǎng)穩(wěn)定期和對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期都釋放到培養(yǎng)基中。生物表面活性劑的生產(chǎn)可以在低稀釋率下通過分批或連續(xù)發(fā)酵進(jìn)行。18還可以通過固定化酶進(jìn)行生產(chǎn)，并可以結(jié)合具有吸附柱的生物反應(yīng)器，這樣可以從循環(huán)發(fā)酵液中提取生物表面活性劑一進(jìn)一步提高生物表面活性劑的產(chǎn)量。19

酶法合成的表面活性劑分子多是一些結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的分子，但同樣具有優(yōu)良的表面活性。其優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)物的提取費(fèi)用低、次級(jí)結(jié)構(gòu)改良方便、容易提純以及固定化酶可重復(fù)使用等，且酶法合成的表面活性劑可用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，如藥品組分。202.分離提取對(duì)大多數(shù)細(xì)菌分泌形成的表面活性劑的分離提取?產(chǎn)品純化均有一些類似的方法,如萃取?鹽析?滲析?離心?沉淀?結(jié)晶以及冷凍?干燥,還有靜置?浮選?離心?旋轉(zhuǎn)真空過濾等。21發(fā)酵產(chǎn)物的提取(也稱下游處理)費(fèi)用大約占總生產(chǎn)費(fèi)用的60%，這是生物表面活性劑產(chǎn)品商業(yè)化的一個(gè)主要障礙。生物表面活性劑的最佳提取方法隨發(fā)酵操作及其物理化學(xué)性質(zhì)的不同而不同。其中溶劑萃取是最常用的提取方法；超濾是用于提取生物表面活性劑的一種新方法。能與連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)配套的產(chǎn)物提取方法有泡沫分離、離子交換樹脂法等。223.粗產(chǎn)品純化取一定量的粗產(chǎn)品溶于水中,在室溫下加入十六烷基三甲基溴化銨,使其凝聚沉淀,然后進(jìn)行離心分離,沉淀部分用蒸餾水清洗,再溶于硫酸鈉溶液中,然后加碘化鉀,形成的十六烷基三甲基碘化胺沉淀通過離心除去,所剩的清液用水滲析,然后經(jīng)冷凍干燥,獲得純凈的生物表面活性劑固體。23四、生物表面活性劑在環(huán)境工程中的應(yīng)用許多化學(xué)合成表面活性劑由于難降解、有毒及在生態(tài)系統(tǒng)中的積累等性質(zhì)而破壞生態(tài)環(huán)境，相比之下，生物表面活性劑則由于易生物降解、對(duì)生態(tài)環(huán)境無毒等特性而更適合于環(huán)境工程中污染治理。如：在廢水處理工藝中可作為浮選捕收劑與帶電膠粒相吸以除去有毒金屬離子，修復(fù)受有機(jī)物和重金屬污染的場(chǎng)地等。241、在廢水處理工藝中的應(yīng)用用生物法處理廢水時(shí)，重金屬離子對(duì)活性污泥中的微生物菌群常會(huì)產(chǎn)生抑制或毒害作用，因此，在用生物法處理含重金屬離子的廢水時(shí)須進(jìn)行預(yù)處理。

25當(dāng)前，常用氫氧化物沉淀法除去廢水中的重金屬離子，但其沉淀效率受氫氧化物溶解度的限制，應(yīng)用效果不甚理想；浮選法用于廢水預(yù)處理時(shí)又常因所用浮選捕收劑在其后續(xù)處理過程中難降解(如化學(xué)合成表面活性劑十二烷基磺酸鈉)，易產(chǎn)生二次污染而受限制。因此，有必要開發(fā)易生物降解、對(duì)環(huán)境無毒害的替代品，而生物表面活性劑恰好具有這一優(yōu)勢(shì)。262、在生物修復(fù)中的應(yīng)用在利用微生物催化降解有機(jī)污染物，從而修復(fù)被污染環(huán)境的過程中，由于所使用的生物表面活性劑可以直接使用發(fā)酵液，能節(jié)省表面活性劑的分離提取和產(chǎn)品純化成本，因此，生物表面活性劑在現(xiàn)場(chǎng)生物修復(fù)有機(jī)污染場(chǎng)地的應(yīng)用潛力很大。

272.1促進(jìn)烷烴類物質(zhì)的降解烷烴是石油的主要組成成分。在石油勘探、開采、運(yùn)輸、加工及儲(chǔ)存過程中，不可避免地會(huì)有石油排入環(huán)境中而對(duì)土壤、地下水造成污染。為了提高烷烴的降解速率，加入生物表面活性劑能夠增強(qiáng)疏水性化合物的親水性和生物可降解性，增加微生物的數(shù)量，繼而提高烷烴的降解速率。

282.2促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解多環(huán)芳烴因其“三致”(致癌、致畸、致突變)作用而日益受到人們的重視，許多國(guó)家都已將其列為優(yōu)先污染物。29已有研究表明，微生物降解是從環(huán)境中去除多環(huán)芳烴的最主要途徑，且多環(huán)芳烴的降解性能隨苯環(huán)數(shù)量的增加而降低，三環(huán)以下的多環(huán)芳烴易降解，四環(huán)以上的較難降解。迄今為止，關(guān)于多環(huán)芳烴降解菌能促進(jìn)多環(huán)芳烴的生物可利用性存在三種假說：30通過分泌生物表面活性劑促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解。通過產(chǎn)生胞外聚合物促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解。通過形成生物膜促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解。Johnsen等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明少動(dòng)鞘脂單胞菌是通過分泌表面活性劑——葡聚糖脂的方式而促進(jìn)多環(huán)芳烴化合物降解的。

312.3用于除去有毒重金屬由于有毒重金屬在土壤環(huán)境中的污染過程具有隱蔽性、穩(wěn)定性及不可逆性等特點(diǎn)，因此，土壤中有毒重金屬污染的修復(fù)一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究課題。32目前可以用玻璃化、固定化/穩(wěn)定化、熱處理等技術(shù)除去土壤中的重金屬。玻璃化處理技術(shù)可行，但是工程量大，費(fèi)用高；固定化過程具有可逆性，因此處理后還需要不間斷地監(jiān)測(cè)處理效果；而熱處理技術(shù)則只適用于除去易揮發(fā)的重金屬如Hg等。

33因此，低成本的生物學(xué)處理方法發(fā)展很快。近年來，人們開始利用對(duì)生態(tài)環(huán)境無毒的生物表面活性劑修復(fù)受重金屬污染土壤。34五、展望生物表面活性劑在石油、化工、醫(yī)藥、化妝品、食品等行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用，因而其市場(chǎng)前景廣闊。35

目前，生物表面活性劑的研究大多還處于實(shí)驗(yàn)室或模擬實(shí)驗(yàn)研究階段，其主要原因就是生產(chǎn)成本還很高，和化學(xué)合成表面活性劑相比還沒有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在污染物的治理應(yīng)用中受到限制。36

為了早日實(shí)現(xiàn)生物表面活性劑的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，提高實(shí)際應(yīng)用程度，今后的研究將著重于以下三個(gè)方面：37(1)選育能以廉價(jià)碳源為底物、產(chǎn)量高的菌種；(如Benincasa等利用生產(chǎn)向日葵油過程中產(chǎn)生的廢物皂料為唯一碳源成批培養(yǎng)銅綠假單