חומרי שטח וחומרים פעילי שטח: מה זה מיועד, דוגמאות ושימושים - ביולוגיה - 2025

חומר פעילי שטח הוא תרכובת כימית המסוגלת להפחית את מתח השטח של חומר נוזלי, הפועל במשטח ממשק או במגע בין שני שלבים, למשל מים-אוויר או מים-שמן.

המונח פעילי שטח בא מהמילה האנגלית surfactant, שבתורו נגזרת ראשי התיבות של הביטוי surf ace active agent, שפירושה בסוכן ספרדי עם פעילות פנים או פנים.

איור 1. מבנה פעילי שטח. מקור: מדד חשוב, מתוך ויקימדיה

בספרדית משתמשים במילה "פעילי שטח", המתייחסים ליכולתו של תרכובת כימית לפעול על מתח או פנים פנים. ניתן להגדיר את מתח השטח כעמידות שנוזלים צריכים להגדיל את פני השטח שלהם.

למים יש מתח פנים גבוה מכיוון שהמולקולות שלו קשורות בחוזקה מאוד ומתנגדות להיפרד כאשר מופעל לחץ על פני השטח שלהם.

לדוגמה, חרקים מימיים מסוימים, כמו "מרוצף" (Gerris lacustris), יכולים לנוע על המים מבלי לשקוע, הודות למתח הפנים של המים, המאפשר היווצרות של סרט על פני השטח שלהם.

איור 2. חרק המסוגל לנוע על מים. מקור: TimVickers, מ- Wikimedia Commons

כמו כן, מחט פלדה נשארת על פני המים ואינה שוקעת, בגלל מתח הפנים של המים.

מבנה ותפקוד פעילי שטח

כל חומרים כימיים פעילי שטח או פעילי שטח הם אמפפיליים באופיים, כלומר יש להם התנהגות כפולה, מכיוון שהם יכולים להמיס תרכובות קוטביות ולא קוטביות. לחומרים שטחיים שני חלקים עיקריים במבנה שלהם:

• ראש קוטבי הידרופילי, הדומה למים ותרכובות קוטביות.
• זנב ליפופילי, הידרופובי, לא קוטבי, הדומה לתרכובות לא קוטביות.

ראש הקוטב יכול להיות לא יוני או יוני. הזנב עם שטח הפנים, או חלק אפוליארי, יכול להיות שרשרת פחמן אלקילית או אלקילבנזן ומימן.

מבנה מאוד מיוחד זה מעניק לתרכובות כימיות של שטח פנים התנהגות כפולה, אמפיפילית: זיקה לתרכובות או שלבים קוטביים, מסיסים במים וגם זיקה לתרכובות שאינן קוטביות, בלתי מסיסות במים.

באופן כללי חומרים פעילי שטח מורידים את מתח השטח של מים, מאפשרים לנוזל זה להתפשט ולזרום במידה רבה יותר, ומרטיבים משטחים ושלבים שכנים.

למה מיועדים פעילי שטח?

כימיקלים משטחיים מפעילים את פעילותם על משטחים או על ממשקים.

כאשר הם מומסים במים, הם נודדים לממשקי מים-שמן או מים-אוויר למשל, שם הם יכולים לתפקד כ:

• חומרים מתפזרים ומסיסים של תרכובות בלתי מסיסות או מסיסות דלות במים.
• הומקטנטים, כיוון שהם מעדיפים מעבר מים לשלבים בלתי מסיסים בהם.
• מייצבים לתחליבים של תרכובות בלתי מסיסים במים ומים, כמו שמן ומים מיונז.
• ישנם פעילי שטח אשר מקדמים ואחרים מונעים קצף.

פעילי ביו-שטח: פעילי שטח ממוצא ביולוגי

כאשר החומר השטחי מגיע מאורגניזם חי, הוא נקרא ביו-כריתה פעילה.

במובן הקפדני יותר, חומרים משטחיים נחשבים כתרכובות ביולוגיות אמפיפיליות (עם התנהגות כימית כפולה, מסיסות במים ובשומן), המיוצרים על ידי מיקרואורגניזמים כמו שמרים, חיידקים ופטריות נימה.

חומרים משטחי ביוס מופרשים או נשמרים כחלק מממברנה התא החיידקי.

כמו כן, ישנם חומרים כימיים כימיים המופקים על ידי תהליכים ביוטכנולוגיים, תוך שימוש באנזימים הפועלים על תרכובת כימית ביולוגית או על מוצר טבעי.

דוגמאות לנגעי ביו-דבורים

חומרים כימיים טבעיים ביולוגיים כוללים ספונינים צמחיים כמו פרח קאיין (Hibiscus sp.), לציטין, מיצי מרה מיונקים או פעילי שטח ריאה אנושיים (בעלי תפקידים פיזיולוגיים חשובים מאוד).

בנוסף, חומצות אמינו ונגזרותיהם, בטאנים ופוספוליפידים, כל אותם מוצרים טבעיים ממוצא ביולוגי, הם פעילי ביולוגי-שטח.

סיווג של חומרים כימיים וציפויים

על פי אופי המטען החשמלי בחלק הקוטב או בראשו

ניתן לקבץ ביואורפקטנטים לקטגוריות הבאות, על בסיס המטען החשמלי של ראש הקוטב שלהם:

חומרים כימיים כימיים נגד ביולוגים

יש להם מטען שלילי בסוף הקוטב, לעתים קרובות בשל נוכחותם של קבוצת sulfonate -אז ₃ ^- .

חומרים כימיים משטחי ביולוגיה

יש להם מטען חיובי על הראש, לרוב קבוצת אמוניום רבעונית NR ₄ ⁺ , שם R מייצגת שרשרת של פחמן ומימן.

פעילי ביו-דחפים אמפוטריים

יש להם מטענים חיוביים ושליליים על אותה מולקולה.

חומרים כימיים נטועים ביוניים

אין להם יונים או מטענים חשמליים בראשם.

על פי אופיו הכימי

על פי טבעם הכימי, חומרים כימיים מינים מסווגים לסוגים הבאים:

חומרים כימיים משטחי ביולוגיה גליקוליפידים

גליקוליפידים הם מולקולות שיש במבנה הכימי שלהן חלק משומנים או שומן וחלק מסוכר. מרבית הפעילים הביואורפקטנטים הידועים הם גליקוליפידים. האחרונים מורכבים מגולפטים של סוכרים כמו גלוקוז, גלקטוז, מנווזה, רמנוזה וגלקטוזה.

בין הגליקוליפידים, הידועים ביותר הם הרמנוליפידים, חומרים ממיסים ביולוגיים שנחקרו בהרחבה, עם פעילות מתחלפת גבוהה וזיקה גבוהה למולקולות אורגניות הידרופוביות (שלא מתמוססות במים).

אלה נחשבים לחומרים פעילי השטח היעילים ביותר להסרת תרכובות הידרופוביות בקרקעות מזוהמות.

דוגמאות לרמנוליפידים כוללים פעילי שטח המיוצרים על ידי חיידקים מהסוג Pseudomonas.

ישנם גליקוליפידים אחרים המיוצרים על ידי Torulopsis sp., עם פעילות ביוצידאלית ומשמשים בקוסמטיקה, מוצרים נגד קשקשים, בקטריוסטסטטים וכדאודורנטים לגוף.

פעילי ליפופרוטאין וליפופפטיד

ליפופרוטאינים הם תרכובות כימיות שיש במבנה שלהן חלק משומנים או שומן וחלק אחר של חלבון.

לדוגמא, Bacillus subtilis הוא חיידק המייצר ליפופפטידים הנקראים surfactins. אלה הם בין מתח השטח החזק ביותר להפחתת פעילי השטח הביולוגי.

לסורפקטינים יש יכולת לייצר תמונת אריתרוציטים (פירוק כדוריות דם אדומות) אצל יונקים. בנוסף, הם יכולים לשמש כביוצידים עבור מזיקים כמו מכרסמים קטנים.

חומרים שמנים-ביו-פעילים

מיקרואורגניזמים מסוימים יכולים לחמצן אלקנים (שרשראות פחמן ומימן) לחומצות שומן בעלות תכונות פעילי שטח.

חומרים כימיים נגד פוספוליפידים

פוספוליפידים הם תרכובות כימיות שיש להן קבוצות פוספטים (PO ₄ ^3- ), המחוברות לחלק בעל מבנה ליפידים. הם חלק מממברנות המיקרואורגניזמים.

חיידקים ושמרים מסוימים הניזונים מפחמימנים, כאשר הם גדלים על מצעים אלקניים, מגדילים את כמות הפוספוליפידים בממברנה שלהם. לדוגמה, Acinetobacter sp., Thiobacillus thioxans ו- Rhodococcus erythropolis.

חומרים כימיים כימיים לביוס פולימריים

חומרים כימיים משטחי ביו-פולימר הם מקרומולקולות במשקל מולקולרי גבוה. הממצאים הביואורפקטנטים הנחקרים ביותר בקבוצה זו הם: מתחליב, שאיבת שאיבת שומן, מנופרוטאין ומתחמי חלבון פוליסכריד.

לדוגמא, החיידק Acinetobacter calcoaceticus מייצר מתחלב פוליאניוני (עם מטענים שליליים שונים), חומר מתחלב ביו יעיל מאוד לפחמימנים במים. זהו גם אחד ממייצבי האמולסיה החזקים ביותר הידועים.

ליפוזן הוא מתחלב מסיס במים וחוץ תאי, המורכב מפוליסכרידים וחלבון קנדידה ליפוליטיקה.

תברואה סביבתית

פעילי ביוס-ריפוד משמשים לביוב-תיווך של קרקעות שזוהמו על ידי מתכות רעילות, כמו אורניום, קדמיום ועופרת (ביו-כימיים של Pseudomonas spp. ו- Rhodococcus spp.).

הם משמשים גם בתהליכי ביורדיאציה של קרקעות ומים המזוהמים על ידי דלק או שפיכות נפט.

איור 3. תרופות ביולוגיות משמשות בתהליכי תברואה סביבתית כתוצאה מנזקי שמן. מקור: משרד החוץ של אקוודור, באמצעות ויקימדיה Commons

לדוגמה, Aeromonas sp. מייצרת פעילי ביו-כימיים המאפשרים השפלת או הפחתת מולקולות גדולות למולקולות קטנות יותר, המשמשות כחומרים תזונתיים למיקרואורגניזמים, חיידקים ופטריות.

בתהליכים תעשייתיים

חומרים משטחי ביוס משמשים בתעשיית הניקוי והניקוי, מכיוון שהם משפרים את פעולת הניקוי על ידי המסת השומנים שמלבישים בגדים או משטחים במי השטיפה.

הם משמשים גם כתרכובות כימיות עזר בתעשיית הטקסטיל, הנייר והממתכת.

בתעשיית הקוסמטיקה והתרופות

בתעשיית הקוסמטיקה מייצרים Bacillus licheniformis חומרים ביולוגיים כימיים המשמשים כטיפול נגד קשקשים, בקטריואסטטיות ודאודורנט.

ישנם חומרים כימיים משטחי ביו המשמשים בתעשיית התרופות והביו-רפואית לצורך פעילותם המיקרוביאלית ו / או נגד פטריות.

בתעשיית המזון

בתעשיית המזון משתמשים במוצרי ביו-פעילים בייצור מיונז (שהם תחליב של מי ביצה ושמן). חומרים כימיים משטחים ביולוגיים מגיעים מלקטינים ונגזרותיהם, המשפרים את האיכות ואת הטעם בנוסף.

בחקלאות

בחקלאות משתמשים בביצועים פעילים לניהול ביולוגי של פתוגנים (פטריות, חיידקים, נגיפים) בגידולים.

שימוש נוסף במוצרי ביו-פעילים בחקלאות הוא הגברת הזמינות של חומרים מזינים מהאדמה.

הפניות

1. Banat, IM, Makkar, RS ו- Cameotra, SS (2000). יישומים מסחריים פוטנציאליים של פעילי שטח מיקרוביאליים. טכנולוגיה מיקרוביולוגית יישומית. 53 (5): 495-508.
2. קמוטרה, אס.אס ומקרר, RS (2004). יישומים אחרונים של פעילי ביו-כריתה כמולקולות ביולוגיות ואימונולוגיות. הדעות הנוכחיות במיקרוביולוגיה. 7 (3): 262-266.
3. חן, ש.י, וויי, י.ח. וצ'אנג, JS (2007). תסיסה אצווה עם אציליות חוזרות ונשנות על בסיס pH לייצור רמנוליפידים עם Pseudomonas aeruginosa ילידים יישומי מיקרוביולוגיה ביוטכנולוגיה. 76 (1): 67-74.
4. מוליגן, CN (2005). יישומים סביבתיים לחומרים פעילים כביכול. זיהום סביבתי. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. טאנג, ג'יי, הוא, ג'יי, שין, ש., הו, ח. ויו, ט (2018). חומרים משטחים ביולוגיים שיפרו את סילוק המתכות הכבדות מהבוצה בטיפול האלקטרוקינטטי. כתב עת להנדסה כימית. 334 (15): 2579-2592. doi: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.