近年來,生物學,尤其是分子生物學有了突破性的進展,使生物技術顯出巨大的前景,在許多原來與生物體系或生物技術似乎無關的領域,如:原材料處理、加工工藝、產品改良、汰選、廢物處理、能量再循環以及節能等方面都具有了應用的可能性,在石油化工方面也逐步獲得較大應用如:ＭＥＯＲ、石油脫瀝青、粘度控制、脫硫、溢油控制、廢水處理及解毒、乳化、破乳等。由于應用范圍和規模的不斷擴大,生物制品的銷售額也就逐步上升如:1980年全球生物技術產品銷售額為2500萬美元,而1988～1990年為270億美元,預計在本世紀末將達到5000億美元。
表面活性劑素有“工業味精”之稱,在各個工業領域中都有廣泛的應用,但化學合成表面活性劑受到原材料、價格和產品性能等因素的影響,同時在生產和使用過程中常常會帶來嚴重的環境污染問題以及對人體的毒害問題。生物技術快速發展、生物制品銷售見好的今天,如果能夠利用生物技術生產出活性高、具有特效的表面活性劑,就可以避免以上出現的各種問題。
生物表面活性劑是微生物在一定條件下培養時,在其代謝過程中分泌出具有一定表面活性的代謝產物,如:糖脂、多糖脂、脂肽或是中性類脂衍生物等等。
1生物表面活性劑的形成和制備
生物表面活性劑的形成:許多微生物都可能僅靠烴類為單一碳源而生長,如:酵母菌和真菌主要利用直鏈飽和烴;細菌則除了降解異構烴或環烷烴以外,還可能利用不飽和烴和芳香族化合物。微生物要利用各種烴類,就必須使烴類通過外層親水細胞壁進入細胞,受降解酶作用而被降解,由于烴基水溶性非常小,因此各種微生物常以不同方式解決這一問題,一些細菌和酵母菌分泌出離子型表面活性劑如:Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｐ.產生的鼠李糖脂、Ｔｏｒｕｌｏｐｉｓｓｐ.產生的槐糖脂。另一些微生物產生非離子型表面活性劑如:Ｃａｎｄｉｄａｌｉｐｏｌｙｔｉｃａ和Ｃａｎ ｄｉｄａｔｒｏｐｉｃａｌｉｓ在正構烷烴中培養時產生胞壁結合脂多糖、Ｒｈｏｄｏｃｏｃｕｓｅｒｙｔｈｒｏｐｏｌｉｓ以及一些Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ和Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒｓｐ.在原油或正構烷烴中產生非離子海藻糖棒桿霉菌酸酯。
并且同一種細菌有時在不同的培養基和不同的環境中可分泌形成不同的表面活性劑,如ＡｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒＳＰ.ＡＴＣＣ31012在淡水、海水、棕櫚酸鈉溶液以及十二烷烴中,輔以其他必要成份,均可分泌生成一種屬聚合糖類的表面活性劑。但是ＡｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒＳＰ.ＡＴＣＣ31012在十八烷烴中則分泌生成微結構相似的另一種表面活性劑。通過在溫和條件下將這兩種表面活性劑水解又可獲得其它結構相似的表面活性劑。
由此可見,在烴基質中培養時,許多微生物都可以有利于烴基質被動擴散而進入細胞內的效應,這是通過微生物產生的一大類物質而起作用的,這類物質就稱作“生物表面活性劑”。
生物表面活性劑的制備主要分為培養發酵、分離提取、產品純化三大步驟。
培養發酵:由于細菌種類成千上萬,每種可分泌生成表面活性劑的細菌其要求的碳源不同,輔助成份不同,加上所要求的發酵條件不同,因此各種細菌的培養發酵便不同,在此就不一一敘述,而對大多數細菌所分泌形成表面活性劑的分離提取、產品純化均有一些類似的方法,如萃取、鹽析、滲析、離心、沉淀、結晶以及冷凍干燥等。下面以ＡｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒＳＰ.ＡＴＣＣ31012為例簡單介紹一下分離提取、產品純化這兩方面。
當ＡｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒＳＰ.ＡＴＣＣ31012在特定的培養基中,在一定溫度和濕度下,通過一定時間的發酵以后,將發酵液慢慢冷卻并加入電解質,使發酵液分為兩層,取出上層澄清部分,沉淀部分再用飽和電解質溶液清洗,并離心分出上層清亮部分,合并兩次的液體部分用硅藻土過濾。
將收集起來的沉淀溶于水中,用乙醚萃取后,再用蒸餾水滲析,然后通過冷凍干燥即可得到一種屬于聚合糖類的生物表面活性劑的粗產品。
得到粗產品后便要進行產品純化即:取一定量的粗產品溶于水中,在室溫下加入十六烷基三甲基溴化銨,使其凝聚沉淀,然后進行離心分離,沉淀部分用蒸餾水清洗,再將洗后的沉淀溶于硫酸鈉溶液中,不溶部分用離心方法除去,然后加碘化鉀,形成的十六烷基三甲基碘化銨沉淀通過離心除去,所剩的清液部分用蒸餾水滲析,然后通過冷凍干燥得到一種白色固體———純凈的生物表面活性劑。
2生物表面活性劑的性質
表1 Rhodococcus和 Pseudomonas sp.
產生的糖脂在模擬地層水中40℃下的表面活性和界面活性
同一般化學合成的表面活性劑一樣,生物表面活性劑分子中也含有憎水基團和親水基團兩部分,憎水基一般為脂肪酰基鏈,極性親水基則有多種形式如:中性脂的酯或醇功能團、脂肪酸或氨基酸的羥基、磷脂中含磷的部分以及糖脂中的糖基。生物表面活性劑能顯著降低表面張力和界面張力,如表1,表2。
除此之外,還具有其它特有的性能,如:Ｐｓｅｕ- ｄｏｍｏｎａｓｓｐ-產生的鼠李糖脂的乳化性能很好,優于常用的化學合成乳化劑Ｔｗｅｅｎ,并且生物表面活性劑具有良好的抗菌性能,這一點是一般化學合成的表面活性劑難以匹敵的,如日本的Ｉｔｏｈ實驗室從Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｐ-得到鼠李糖脂具有一定的抗菌、抗病毒和抗枝原體的性能等。有些生物表面活性劑可以耐強堿、強酸如α、α-Ｄ-海藻糖-6-棒桿霉菌酸酯,在0.1Ｎ鹽酸中70小時僅有10%的糖脂被降解。ＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓａｅｒｕｇｉｎｏｓａＳ7Ｂ1產生的類蛋白活化劑在ｐＨ為1. 7～11. 4范圍內非常穩定,并且有許多生物表面活性劑耐熱性非常好,如表3。
表3 溫度對生物表面活性劑的γ1的影響
同時由于生物表面活性劑是天然產物,因此具有更好的生物降解性。鑒于人們對生物表面活性劑的研究還很少,因此對各種生物表面活性劑的各種性質的測試報道還不多。
3生物表面活性劑的應用
由于生物表面活性劑有其特殊的性質,因此生物表面活性劑在石油化工方面有著廣泛的應用如:德國ＷｉｎｔｅｒｓｈｕｌｌＡＧ公司、美國ＰｈｉｌｌｉｐｓＰｅ-ｔｒｏｌｅｕｍ公司、Ｐｅｔｒｏｆｅｒｍ公司、ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＢｉｏＲｅｓｏｕｒｃｅｓ公司、Ｐｅｔｒｏｇｅ -ｎｅｔｉｃＡＧ公司、ＧｅｎｅｔｉｃｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ公司、以及ＷｏｒｎｅＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｇｙ公司都采用了ＭＥＯＲ技術(ｍｉｃｒｏｂｉａｌｅｎ-ｃｈａｎｃｅｄｏｉｌｒｅｃｏｖｅｒｙ)。在ＭＥＯＲ技術中,生物表面活性劑起到了非常獨特的作用,如由ＡｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒＳＰ.ＡＴＣＣ31012分泌而制備的一種聚合糖類的生物表面活性劑,可以在高濃度鹽的環境中,非常有效地將一采、二采后仍遺留在油井中的脂肪烴、芳香烴和環烷烴徹底乳化,同時其本身基本不會被地層中泥沙、砂石所吸收,并且用量非常小。這種生物表面活性劑在清洗貯油罐、油輪貯倉、輸油管道以及各種運油車時也非常有效,首先其用量很小,僅需處理油污量的千分之一到萬分之一,并且最后形成的乳液用通常的物理和化學方法便可破乳,洗下的油可以回收。生物表面活性劑還大量應用于乳化、破乳、潤濕、發泡及抗靜電等方面,如日本花王(ＫＡＯ)公司將Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ、Ｃｏｒｙｎｅｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｎｏ-ｃａｒｄｉａ、Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ、Ｂａｃｉｌｌｕｓ和Ａｌｋａｌｉｇｅｎｅｓｓｐ.產生的生物表面活性劑用于穩定水煤漿以便輸送。處理煉油廠廢水時,若在活性污泥處理池中加入鼠李糖脂,會大大加快正構烷烴的生物降解過程,生物表面活性劑在紡織、醫藥、化妝品、食品等工業領域中都能有重要應用。生物表面活性劑是由微生物代謝分泌而來,它不同于通常化學合成的表面活性劑,化學合成的表面活性劑是具有一定毒性的并且不易被生物降解,而生物表面活性劑是完全可以生物降解并且基本是無毒的。若將煉油廠廢棄的油作為烴基用來培養微生物,這樣既可解決煉油廠的環境污染問題,又可獲得非常有使用價值的生物表面活性劑。幾乎所有大的石油公司和大的跨國化學公司都在積極地計劃發展生物技術,生物表面活性劑的開發是此項發展計劃的主要組成部分,由于工業技術保密,因而從公開發表的文獻中很少能獲得這方面的信息。
4生物表面活性劑的前景
生物表面活性劑在石油、化工、醫藥、化妝品、食品等行業中都有廣泛的應用,因而其市場也是非常大的,并隨著社會的進步,科學的發展,人們對各種表面活性劑的要求越來越高,要求不僅具有優良的化學性質而且還要求其對人體、生畜盡可能無毒無害,對人類賴以生存的環境無污染,其排放物能很快被生物降解等。生物表面活性劑便可以達到這些要求;同時生物表面活性劑的生產過程也可以是一個環境凈化、廢油利用、變廢為寶的過程。但開發生物表面活性劑不僅要考慮到其生產技術的可行性,市場價格也是一個重要因素,若僅僅從生物表面活性劑本身而言,生物表面活性劑必須與化學合成表面活性劑以相同或稍低的價格出售,才能獲得市場。但由于微生物進行生物合成是多種多樣的,因而可能會生產出新的,性能更好的表面活性劑。如果生物表面活性劑具備明顯的優點,其價格可以高于或大大高于化學合成的表面活性劑,加上生物表面活性劑的生產可能是一個以廢油作為基質的生物工程,同時加上環境因素,這樣可以使生物表面性劑的生產具有很好的前景和巨大的市場。因此,在功能特性和經濟方面,生物表面活性劑與化學合成的表面活性劑之間將會有一場激烈的競爭。
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