Chất hoạt động bề mặt sinh học là gì?

Chất hoạt động bề mặt sinh học là các chất chuyển hóa được tiết ra bởi vi sinh vật trong quá trình trao đổi chất của chúng trong các điều kiện nuôi cấy cụ thể. So với các chất hoạt động bề mặt tổng hợp hóa học, chất hoạt động bề mặt sinh học sở hữu nhiều đặc tính độc đáo, chẳng hạn như tính đa dạng về cấu trúc, khả năng phân hủy sinh học, hoạt tính sinh học rộng và thân thiện với môi trường. Do các yếu tố như tính khả dụng của nguyên liệu thô, chi phí và hạn chế về hiệu suất của chất hoạt động bề mặt tổng hợp - cùng với xu hướng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và gây ra rủi ro cho sức khỏe con người trong quá trình sản xuất và sử dụng - nghiên cứu về chất hoạt động bề mặt sinh học đã phát triển đáng kể trong hai thập kỷ qua khi nhận thức về môi trường và sức khỏe tăng lên. Lĩnh vực này đã phát triển nhanh chóng, với nhiều bằng sáng chế được nộp trên toàn thế giới cho nhiều loại chất hoạt động bề mặt sinh học khác nhau và quy trình sản xuất của chúng. Tại Trung Quốc, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng chất hoạt động bề mặt sinh học để tăng cường thu hồi dầu và xử lý sinh học.

1. Các loại chất hoạt động bề mặt sinh học và chủng sản xuất

1.1 Các loại chất hoạt động bề mặt sinh học

Chất hoạt động bề mặt tổng hợp hóa học thường được phân loại dựa trên nhóm phân cực của chúng, trong khi chất hoạt động bề mặt sinh học được phân loại theo đặc tính sinh hóa và vi sinh vật sản xuất. Chúng thường được chia thành năm loại: glycolipid, phospholipid và axit béo, lipopeptit và lipoprotein, chất hoạt động bề mặt polyme và chất hoạt động bề mặt chuyên biệt.

1.2 Sản xuất các chủng chất hoạt động bề mặt sinh học

Hầu hết các chất hoạt động bề mặt sinh học là sản phẩm chuyển hóa của vi khuẩn, nấm men và nấm. Các chủng sản xuất này chủ yếu được sàng lọc từ các hồ, đất hoặc môi trường biển bị ô nhiễm dầu.

2. Sản xuất chất hoạt động bề mặt sinh học

Hiện nay, chất hoạt động bề mặt sinh học có thể được sản xuất thông qua hai phương pháp chính: lên men vi sinh và tổng hợp bằng enzym.

Trong quá trình lên men, loại và sản lượng chất hoạt động bề mặt sinh học phụ thuộc chủ yếu vào chủng vi sinh vật, giai đoạn tăng trưởng, bản chất của chất nền carbon, nồng độ N, P và các ion kim loại (như Mg²⁺ và Fe²⁺) trong môi trường nuôi cấy, cũng như điều kiện nuôi cấy (pH, nhiệt độ, tốc độ khuấy, v.v.). Ưu điểm của quá trình lên men bao gồm chi phí sản xuất thấp, sản phẩm đa dạng và quy trình đơn giản, phù hợp cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn. Tuy nhiên, chi phí tách và tinh chế có thể cao.

Ngược lại, chất hoạt động bề mặt tổng hợp bằng enzyme thường có cấu trúc phân tử tương đối đơn giản hơn nhưng vẫn thể hiện hoạt tính bề mặt tuyệt vời. Lợi ích của phương pháp enzyme bao gồm chi phí chiết xuất thấp hơn, dễ dàng biến đổi cấu trúc, tinh chế đơn giản và khả năng tái sử dụng enzyme cố định. Ngoài ra, chất hoạt động bề mặt tổng hợp bằng enzyme có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng cao, chẳng hạn như các thành phần dược phẩm. Mặc dù chi phí enzyme hiện nay khá cao, nhưng những tiến bộ trong công nghệ gen nhằm tăng cường độ ổn định và hoạt tính của enzyme được kỳ vọng sẽ giúp giảm chi phí sản xuất.