第九章 生物表面活性剂解析

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(1) (2) (3)
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。
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2.3 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
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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。
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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。
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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；
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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。
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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。
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。
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3.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
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2.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。
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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
第八章 生物表面活性剂
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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。

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。
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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
对pH的稳定性等。
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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。
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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
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源自文库
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)。
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1、 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。
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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
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。
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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：
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(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胞菌，获得
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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。
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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。
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。
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2.1 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，
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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。
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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。
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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
增加微生物的数量，继而提高烷烃的降解速率。
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2.2 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。
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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：
的鼠李糖脂最大浓度为16 g/L)。
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(2)在对生物表面活性剂的纯度要求较高的应用场合
应设计经济有效的产物分离纯化方法。 将其二次开发产品应用于化妆品、食品、制 药等行业，能在一定程度上抵消生物表面活性剂
的高生产成本。
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(3)研究生物表面活性剂生产菌降解有机污染物的作
用机制，明确生物表面活性剂在污染现场的作用 过程，使之在直接应用发酵液进行生物修复时能 快速、有效降解污染物。
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。
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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。
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。
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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。
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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。
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。
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2、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
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。
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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。
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2、 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Corynebacterium sp；一
类是以水溶性底物为碳源的微生物，如杆菌
Bacillus sp；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Pseudomonas sp。
于50年代，尽管起步较晚，但发展较快。
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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。
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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。
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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；