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 dưới 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 sự khan hiếm nguyên liệu, chi phí và những 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 tiềm ẩn 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 ngày càng tăng. Lĩnh vực này đã phát triển nhanh chóng, với nhiều bằng sáng chế được đăng ký quốc tế cho các 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 ứng dụng chất hoạt động bề mặt sinh học trong việc tăng cường thu hồi dầu và xử lý sinh học.

1. Các loại chất hoạt động bề mặt sinh học và các chủng vi sinh vật sản xuất ra chúng

1.1 Các loại chất hoạt động bề mặt sinh học

Các chất hoạt động bề mặt tổng hợp hóa học thường được phân loại dựa trên các nhóm phân cực của chúng, trong khi các chất hoạt động bề mặt sinh học được phân loại theo tính chất sinh hóa và vi sinh vật sản xuất ra chúng. Chúng thường được chia thành năm loại: glycolipid, phospholipid và axit béo, lipopeptit và lipoprotein, chất hoạt động bề mặt polymer 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 chất chuyển hóa của vi khuẩn, nấm men và nấm. Các chủng sản xuất này chủ yếu được phân lập 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 enzyme.

Trong quá trình lên men, loại và năng suất chất hoạt động bề mặt sinh học phụ thuộc chủ yếu vào chủng vi sinh vật, giai đoạn sinh trưởng của nó, 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 các 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, đa dạng sản phẩm 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, các chất hoạt động bề mặt được tổng hợp bằng enzyme thường có cấu trúc phân tử đơn giản hơn nhưng lại thể hiện hoạt tính bề mặt tuyệt vời tương đương. Lợi ích của phương pháp enzyme bao gồm chi phí chiết xuất thấp hơn, dễ dàng sửa đổi cấu trúc, tinh chế đơn giản và khả năng tái sử dụng các enzyme cố định. Ngoài ra, các chất hoạt động bề mặt được 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 còn cao, nhưng những tiến bộ trong kỹ thuật di truyền nhằm tăng cường tính ổn định và hoạt tính của enzyme dự kiến ​​sẽ làm giảm chi phí sản xuất.