بخشی از مقاله
بررسي چگونگي توليد و کاربرد سورفکتانت هاي ميکروبي در صنايع مختلف
چکيده
سورفاکتانت ها يا مواد فعال کننده سطحي يکي از پرمصرف ترين مواد بکار رفته در صنايع مختلف مي باشند.
امروزه به کمکتکنولوژي زيستي گروه جديدي از مواد با خاصيت سورفاکتانتي معرفي شده اند که از ميکروارگانيسم ها بدست مي آيند. بيوسورفکتانتها ترکيبات دو قطبي هستند که توسط ميکروارگانيسمها توليد شده و قادر به کاهش کشش سطحي مي باشند.منابع کربن مورد استفاده براي توليد بيوسورفکتانت ها، هيدروکربن ها،کربوهيدرات ها و روغن هاي گياهي مي باشند.اين ترکيبات از جمله ترکيبات فعال کننده سطحي هستند که کاربردهاي متعددي در صنايع مختلف ازجمله صنايع نفت و پتروشيمي ، پزشکي ،داروسازي ، لوازم بهداشتي و آرايشي ،کشاورزي ،نساجي و صنايع غذايي دارد.دراين تحقيق ، به چگونگي توليد بيوسورفاکتانت و کاربردهاي آن در صنايع مختلف بصورت جزئي پرداخته مي شود.
واژه هاي کليدي :بيوسورفکتانت -کشش سـطحي -منبـع کـربن و نيتـروژن -صـنايع نفـت و پتروشيمي -صنايع پاک کننده .
مقدمه
سورفاکتانت ها دسته اي از مولکول هاي قطبي هستندکه داراي دو بخش هيدروفيل (آب دوست )و هيدروفوب (آب گريز) مي باشند که معمولاً در حد فاصل دو فاز با قطبيت متفاوت مانند روغن . آب يا هوا . آب واقع مي شوند.
اين ويژگي ، سورفاکتانت ها را قادر به کاهش کشش سطحي و بين سطحي مايعات مي نمايد و سبب تشکيل ميکروامولسيون مي گردد؛ بطوريکه هيدروکربن هاي نامحلول مي توانند در آن حل گردند. در ضمن ، خصوصيات پاک کنندگي ، امولسيون سازي ، کف کنندگي و پراکنده کنندگي سورفاکتانت ها، به اين ويژگي آنها مربوط مي شود [١]. صنعت سورفاکتانت با روند بالايي رو به گسترش است . عملاً تمام اين سورفاکتانت ها به روش شيميايي توليد مي شوند. با اين وجود، در سال هاي اخير به دليل تجديدپذير بودن و طيف گسترده خصوصيات کاربردي بيوسورفاکتانت ها و قابليت هاي متنوع ميکروب ها در توليد آنها، توجه زيادي به سمت بيوسورفاکتانت ها جلب شده است . از سوي ديگر،. اهميت بيوسورفکتانتها از اين جهت است که هم از نظر نوع و هم از نظر خصوصيت , گستردگي بيشتري را نسبت به انواع سنتزي دارند.
از همه مهمتر اينکه از طريق بيولوژيک قابل تجزيه مي باشند و بدين صورت , با استفاده از بيوسورفکتانتها ديگر مشکل آلودگيهاي محيطي را نخواهيم داشت . از طرف ديگر مي توان اينچنين ترکيباتي را با استفاده از منابع ارزان قيمت توليد نمود و همچنين مي توان با تغيير در مواد اوليه ساختمان و کارايي بيوسورفکتانتهاي حاصله را تغيير داد .همينطور بيوسورفکتانتها, قادر به حفظ فعاليت خود در طيف وسيعي از دما, pH, شوري هستند[٢].
هدف ازاين تحقيق بررسي توليد بيوسورفکتانت ها، پارامترهاي مؤثر درتوليد آنها و کاربردهاي اين مواد در صنايع مختلف مي باشد.
طبقه بندي بيوسورفکتانت ها و منشأ ميکروبي آنها
برخلاف سورفاکتانت هاي سنتزي که براساس طبيعت گروه قطبي خود طبقه بندي شده اند،بيوسورفاکتانت ها عمدتً براساس ترکيب شيميايي و منشاء ميکروبي خود طبقه بندي مي شوند. ساختار آنها به طور عمومي واجد بخش هيدروفيلي است که شامل اسيدهاي آمينه يا آنيون ها و کاتيون اي مربوط به قسمت پپتيدي ، مونو، دي يا پلي ساکاريدها و يک بخش هيدروفوبي شامل اسيدهاي چرب اشباع شده يا نشده است [۳و ۴و۵].
انواع اصلي بيوسورفاکتانت ها عبارتنداز:
١) گليکوليپيدها٢) فسفوليپيدها و اسيدهاي چرب ٣) ليپوپپتيد و ليپوپروتئين ها ٤) بيوسورفاکتانت هاي پليمري ٥) بيوسورفاکتانت هاي ويژه [۱۰و ۱۲و۱۳].
توليد بيوسورفکتانت ها
بيوسورفکتانتها توسط محققان متعددي با استفاده از ميکروارگانيسم ها و منابع کربني متنوعي توليد شده اند.
منابع کربن مورد استفاده براي توليد بيوسورفکتانت ها، هيدروکربن ها، کربوهيدرات ها و روغن هاي گياهي مي - باشند. بيوسورفکتانت ها از لحاظ اقتصادي با انواع سورفکتانت هاي شيم اي يي رقابت نمي کنند. اما براي کاهش هزينه هاي توليد از منابع کربني ارزان قيمت از جمله پساب روغن زيتون ، آب پنير، ملاس که از ضايعات صنايع مختلف مي باشد مي توان براي توليد بيو سورفکتانت استفاده کرد [وو].Nitschke و همکارانش با استفاده از ملاس ، آب پنير و پساب مينپوريا به عنوان سوبسترات و بکارگيري برخي از باکتري هاي جداسازي شده بيوسورفکتانت توليد کردند.باکتري ها روي محيط ميوريا رشد کردند و کشش سطحي را تا حدود ٤٢% کاهش دادند که در ميان همه سوبستراتهاي آزمايش شده بيشترين کاهش کشش سطحي را دارا بود[١٤].
فاکتورهاي تأثير گذار روي توليد بيوسورفکتانت ها
فاکتورهاي محيطي و شرايط رشد مانند درجه حرارت ، ميزان هوادهي ، قابليت دسترسي اکسيژن و نوع سوبسترا با تأثير گذاشتن روي رشد و فعاليت سلولي بر توليد بيوسورفاکتانت تأثير مي گذارند.منبع کربن يک فاکتور مهم در توليد بيوسورفاکتانت ها به شمارميرود. تغيير سوبسترا غالباً موجب تغييرساختمان محصول شده در نتيجه خواص بيوسورفاکتانت هاي ايجاد شده را تغيير مي دهد. بنابراين انتخاب منبع کربن با توجه به کاربرد خاصي که براي بيوسورفاکتانت در نظر گرفته شده است تعيين ميشود.يکمثال خوب در اين مورد Arthrobacterاست .
درکشتهاي Arthrobacterليپيدهاي ترهالوز تشکيل ميشوند.وقتي که باکتري بر روي سوکروز رشد داده ميشود ليپيدهاي سوکروز جانشين اين ليپيدها ميشوند. بعلاوه به نظرمي رسد که منبع کربن عاملي تعيين کننده در تعيين داخل سلولي يا خارج سلولي بودن بيوسورفاکتانت باشد [۱]. وقتي به کشت ١٩٥٥٨ ATCC Arthrobacter paraffineus بر روي گلوکز در فاز لگاريتمي رشد هگزادکان افزوده شود، بازده توليد بيوسورفاکتانت افزايش قابل ملاحظه اي مي يابد. Duvnjak و Kosaric نشان دادند که وقتي ميکروارگانيسم در محيط حاوي گلوکز رشد مي کند مقدار زيادي بيوسورفاکتانت متصل به سلول ايجاد ميشودکه افزودن هگزادکان باعث آزاد شدن سورفاکتانت از سلولها مي گردد [۱۵].براساس مشاهدات ساير محققين نيز وقتي سلولها در محيط حاوي منبع کربن محلول در آب که براحتي دردسترس است رشد مي کنند. مقدار کمي بيوسورفاکتانت توليد ميشود پس از اتمام منبع کربن محلول ، وقتي که هيدروکربنهاي نامحلول در آب بعنوان منبع کربن در اختيار سلول قرار مي گيرند. توليد بيوسورفاکتانت با افزايشي ناگهاني همراه ميگردد[۸].
منبع نيتروژن و غلظت آن و همچنين نسبت کربن به نيتروژن نيز تاثير زيادي بر سنتز بيوسورفاکتانت دارند.
درArthrobacter parafineusميزان توليد بيوسورفاکتانت با نمکهاي آمونيوم و اوره بالاتر است در حاليکه درP.aeruginosa و Rhodococcus spp. نيتراتها موجب توليد بيشتر مي شوند [۱و۸و۱۶].توليد بيوسورفاکتانت توسط A.paraffineusبا افزودن -L آمينواسيدهائي مثل آسپارتيکاسيد، گلوتاميکاسيد، آسپاراژين و گليسين به محيط کشت افزايش مي يابد. ساختمان سورفاکتين بسته به غلظت -L آمينواسيدموجود در محيط کشت ميتواند در محل اسيد آمينه هفتم حاوي والين يالوسين باشد. بنحو مشابهي توليد Lichenysin A با افزودن -L گلوتاميک اسيد و -L آسپاراژين به محيط کشت به ترتيب ٢برابر و ٤برابرميشود[۸].در مورد PseudomonasT٤٤١ strain کشت داده شده درمحيط حاوي روغن زيتون و در مورد ٥-Rhodococcus strain ST کشت داده شده درمحيط حاوي پارافين ، نيترات بهترين منبع نيتروژن براي توليد بيوسورفاکتانت بوده است . توليد بيوسورفاکتانت ٣٠ساعت پس از شروع رشد، زماني که محدوديت نيتروژن در محيط کشت ايجاد ميشود شروع شده و تاساعت ٥٨از شروع رشد بصورت فزاينده ادامه مي يابد[١و٨].محدوديت نيتروژن نه تنها باعث افزايش توليد بيوسورفاکتانت ميشود بلکه تغييراتي را نيز در ترکيب بيوسورفاکتانت توليد شده ايجاد مي کند. حداکثر توليد رامنوليپيد بعد از محدوديت نيتروژن ، در نسبت C:N معادل ١:١٦ تا ١:١٨ صورت گرفته و در نسبت پايين تر از ١:١١وقتي که محدوديت نيتروژن در محيط وجود ندارد بيوسورفاکتانتي توليد نميشود. مقدار مطلق نيتروژن مقدار نسبي آن است که به نظر ميرسدبراي دستيابي به مقدار بهينه بيومس مهم است در حاليکه غلظت منبع کربن هيدروفوب ميزان تبديل کربن موجود به بيوسورفاکتانت را تعيين مي کند[١٧].
کاربردهاي بيوسورفکتانت ها
يکي از جنبه هاي کاربردي بيوسورفاکتانت ها مسأله بازيافت ميکروبي نفت يا MEOR مي باشد. در MEOR، ميکروارگانيسم ها، از جمله آسينتوباکتر در جهت توليد پليمرها و بيوسورفاکتانت تلقيح به داخل مخازن نفت مي شوند. بيوسورفاکتانت با کاهش کشش سطحي در فضاي بين نفت خام و صخره ها به MEOR کمک مي کنند
[۱۱].بيوسورفاکتانت ها در مقايسه با انواع شيميايي ، در حذف آلودگي هاي نفتي کارايي وسيع تر و موثرتري دارند
[۱۹].به طور کلي کاربردهايبيوسورفکتانت ها در صنايع نفت و پتروشيمي شامل پاککردن نفت از سطح تانکرهاي ذخيره نفت و کشتي ها، پاککردن فيلترهاي تصفيه لجن ، تيمار بيولوژيکي فاضلابهاي نفتي ، جابه جايي لجن هاي نفتي و حذف آلودگي هاي نفتي در آب و خاک مي باشد. بيوسورفکتانت ها به دليل دارا بودن ويژگي هايي مانندامولسيون سازي وامولسيون زدايي ،تشکيل کف ، قابليت پيوند با آب ، خواص مرطوب ساختن و انتشار اثر بر ويسکوزيته و پايداري محصول مورداستفاده قرار مي گيرند [۱۸].
بيوسورفکتانتها،درصنايع غذايي به عنوان امولسيفاير جهت فرآيند(Processing) مواد خام مورد استفاده قرار مي گيرند. امولسيفيکاسيون نقش مهمي را در ايجاد سازگاري و قوام مطلوب در غذا ايجاد مي کند [۹]. از کاربردهاي بيوسورفکتانتهادر صنايع غذايي مي توان به موارد زير اشاره کرد:تهيه انواع سسها، ادويه مخصوص سالاد - پنيرهاي نرم -بستني ها[۱].بيوسورفکتانتهابه دليل وجود خواصي از قبيل امولسيفاير، عوامل تشکيل دهنده کف ، حلال ها، عوامل مرطوب کننده و به عنوان تسهيل کنندة شستشو از نرم کننده ها و شامپوها و پاک کننده ها حائز اهميت مي باشند [۲۰].اين ترکيبات همچنين ضد اسيد معده ، ضد شوره سر، رنگ هاي مو و محصولات نگهدارندة آن ،دئودورانت ها لوازم آرايش ، محافظ ناخن ، صابون ، خميردندان ، واکس و مرطوب کننده مي باشند. محصولي که ترکيبي از ١مول سوفوروليپيد و ١٢مول پروپيلن گليکول مي باشد، سازگاري بسيار خوبي با پوست دارد وبه طور تجارتي به عنوان مرطوب کنندة پوست به کار مي رود[۲۱].
