第九章 生物表面活性剂

第八章生物表面活性剂1在液气两相的界面上，液体分子所受液体内部分子的引力大于气体分子对它的引力，由此造成的使液体表面缩小的力叫表面张力。能显著改变液体表面张力或两相之间的界面张力的物质叫表面活性剂（有时称界面活性剂）。由于它们能起乳化、分散、增溶、润湿、发泡、消泡、杀菌等作用,因而被广泛地应用于国民经济的各个领域。2表面活性剂具有非常独特的分子结构，其结构一端亲油，一端亲水，这种特殊结构导致其易富集于界面，降低界面张力、改变界面性质。3这种特性使表面活性剂在洗涤用品中起到去污作用，在化妆品中起着乳化作用，这种性质也决定了表面活性剂必将在其他领域有着广泛的应用。4表面活性剂有阴离子型的，如肥皂、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠等；有阳离子型的，如脂肪族胺盐、烷基季胺盐、烷基嘧啶卤代物等；有两性表面活性剂，如羚酸型、磺酸脂型等；有非离子型表面活性剂，如平平加、海鸥洗涤剂、氟碳类等。

5表面活性剂和合成洗涤剂形成一门工业得追溯到本世纪30年代，以石油化工原料衍生的合成表面活性剂和洗涤剂打破了肥皂一统天下的局面。中国的表面活性剂和合成洗涤剂工业起始于50年代，尽管起步较晚，但发展较快。6产量超万吨的表面活性剂品种计有：直链烷基苯磺酸钠（LAS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵（AESA）、月桂醇硫酸钠（K12或SDS）、平平加、木质素磺酸盐、重烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐（石油磺酸盐）、扩散剂NNO、扩散剂MF等。7由于化学合成表面活性剂受原材料、价格和产品性能等因素的影响，且在生产和使用过程中常会严重污染环境及危害人类健康。因此，随着人类环保和健康意识的增强，近二十多年来，对生物表面活性剂的研究日益增多，发展很快，国外已就多种生物表面活性剂及其生产工艺申请了专利。8生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时，在代谢过程中分泌的具有表面活性的代谢产物。

9它具有一般的化学合成表面活性剂所无法篦美的优点——与环境的兼容性，即它没有毒性，并可被生物降解，因此它们不会对环境造成不利的影响。随着环保意识的不断增强，生物表面活性剂正愈来愈受到人们的关注。10

与合成表面活性剂相当的性能有：降低界面张力；乳化能力；对热的稳定性；增加泡沫等作用；对pH的稳定性等。11与化学合成表面活性剂相比，生物表面活性剂具有许多独特的属性，如：结构的多样性、生物可降解性、广泛的生物活性及对环境的温和性等。

12一、生物表面活性剂的性能

生物表面活性剂的分子结构中既具有极性基团，又具有非极性基团，是一类中极两性分子。因此，它们能在两相界面定向排列形成分子层，能降低界面的能量，即表面张力，多数生物表面活性剂可将表面张力减小至30mN/m。13二、生物表面活性剂的种类及其生产菌1、生物表面活性剂的种类化学合成表面活性剂通常是根据它们的极性基团来分类，而生物表面活性剂则通过它们的生化性质和生产菌的不同来区分。一般可分为五种类型：糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性剂。142、生物表面活性剂的生产菌微生物发酵法生产生物表面活性剂的生产菌种大致可分为三类。一类是严格以烷烃作为碳源的微生物，如棒状杆菌Corynebacteriumsp；一类是以水溶性底物为碳源的微生物，如杆菌Bacillussp；另一类可以以烷烃和水溶性底物两者作为碳源，如假单胞菌Pseudomonassp。1516三、生物表面活性剂的生产1、培养发酵目前，可以通过两种途径生产生物表面活性剂:微生物发酵法和酶法。采用发酵法生产时，生物表面活性剂的种类、产量主要取决于生产菌的种类、生长阶段，碳基质的性质，培养基中N、P和金属离子Mg2+、Fe2+的浓度以及培养条件(pH、温度、搅拌速度等)。17大多数生物表面活性剂在微生物生长稳定期和对数生长期都释放到培养基中。生物表面活性剂的生产可以在低稀释率下通过分批或连续发酵进行。18还可以通过固定化酶进行生产，并可以结合具有吸附柱的生物反应器，这样可以从循环发酵液中提取生物表面活性剂一进一步提高生物表面活性剂的产量。19

酶法合成的表面活性剂分子多是一些结构相对简单的分子，但同样具有优良的表面活性。其优点在于产物的提取费用低、次级结构改良方便、容易提纯以及固定化酶可重复使用等，且酶法合成的表面活性剂可用于生产高附加值产品，如药品组分。202.分离提取对大多数细菌分泌形成的表面活性剂的分离提取､产品纯化均有一些类似的方法,如萃取､盐析､渗析､离心､沉淀､结晶以及冷冻､干燥,还有静置､浮选､离心､旋转真空过滤等。21发酵产物的提取(也称下游处理)费用大约占总生产费用的60%，这是生物表面活性剂产品商业化的一个主要障碍。生物表面活性剂的最佳提取方法随发酵操作及其物理化学性质的不同而不同。其中溶剂萃取是最常用的提取方法；超滤是用于提取生物表面活性剂的一种新方法。能与连续发酵生产配套的产物提取方法有泡沫分离、离子交换树脂法等。223.粗产品纯化取一定量的粗产品溶于水中,在室温下加入十六烷基三甲基溴化铵,使其凝聚沉淀,然后进行离心分离,沉淀部分用蒸馏水清洗,再溶于硫酸钠溶液中,然后加碘化钾,形成的十六烷基三甲基碘化胺沉淀通过离心除去,所剩的清液用水渗析,然后经冷冻干燥,获得纯净的生物表面活性剂固体。23四、生物表面活性剂在环境工程中的应用许多化学合成表面活性剂由于难降解、有毒及在生态系统中的积累等性质而破坏生态环境，相比之下，生物表面活性剂则由于易生物降解、对生态环境无毒等特性而更适合于环境工程中污染治理。如：在废水处理工艺中可作为浮选捕收剂与带电胶粒相吸以除去有毒金属离子，修复受有机物和重金属污染的场地等。241、在废水处理工艺中的应用用生物法处理废水时，重金属离子对活性污泥中的微生物菌群常会产生抑制或毒害作用，因此，在用生物法处理含重金属离子的废水时须进行预处理。

25当前，常用氢氧化物沉淀法除去废水中的重金属离子，但其沉淀效率受氢氧化物溶解度的限制，应用效果不甚理想；浮选法用于废水预处理时又常因所用浮选捕收剂在其后续处理过程中难降解(如化学合成表面活性剂十二烷基磺酸钠)，易产生二次污染而受限制。因此，有必要开发易生物降解、对环境无毒害的替代品，而生物表面活性剂恰好具有这一优势。262、在生物修复中的应用在利用微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境的过程中，由于所使用的生物表面活性剂可以直接使用发酵液，能节省表面活性剂的分离提取和产品纯化成本，因此，生物表面活性剂在现场生物修复有机污染场地的应用潜力很大。

272.1促进烷烃类物质的降解烷烃是石油的主要组成成分。在石油勘探、开采、运输、加工及储存过程中，不可避免地会有石油排入环境中而对土壤、地下水造成污染。为了提高烷烃的降解速率，加入生物表面活性剂能够增强疏水性化合物的亲水性和生物可降解性，增加微生物的数量，继而提高烷烃的降解速率。

282.2促进多环芳烃的降解多环芳烃因其“三致”(致癌、致畸、致突变)作用而日益受到人们的重视，许多国家都已将其列为优先污染物。29已有研究表明，微生物降解是从环境中去除多环芳烃的最主要途径，且多环芳烃的降解性能随苯环数量的增加而降低，三环以下的多环芳烃易降解，四环以上的较难降解。迄今为止，关于多环芳烃降解菌能促进多环芳烃的生物可利用性存在三种假说：30通过分泌生物表面活性剂促进多环芳烃的降解。通过产生胞外聚合物促进多环芳烃的降解。通过形成生物膜促进多环芳烃的降解。Johnsen等的实验结果表明少动鞘脂单胞菌是通过分泌表面活性剂——葡聚糖脂的方式而促进多环芳烃化合物降解的。

312.3用于除去有毒重金属由于有毒重金属在土壤环境中的污染过程具有隐蔽性、稳定性及不可逆性等特点，因此，土壤中有毒重金属污染的修复一直是学术界的热点研究课题。32目前可以用玻璃化、固定化/稳定化、热处理等技术除去土壤中的重金属。玻璃化处理技术可行，但是工程量大，费用高；固定化过程具有可逆性，因此处理后还需要不间断地监测处理效果；而热处理技术则只适用于除去易挥发的重金属如Hg等。

33因此，低成本的生物学处理方法发展很快。近年来，人们开始利用对生态环境无毒的生物表面活性剂修复受重金属污染土壤。34五、展望生物表面活性剂在石油、化工、医药、化妆品、食品等行业也有广泛的应用，因而其市场前景广阔。35

目前，生物表面活性剂的研究大多还处于实验室或模拟实验研究阶段，其主要原因就是生产成本还很高，和化学合成表面活性剂相比还没有明显的竞争优势，在污染物的治理应用中受到限制。36

为了早日实现生物表面活性剂的大规模工业化生产，提高实际应用程度，今后的研究将着重于以下三个方面：37(1)选育能以廉价碳源为底物、产量高的菌种；(如Benincasa等利用生产向日葵油过程中产生的废物皂料为唯一碳源成批培养铜绿假单