Bio-Tenside: Produktion und Anwendungen

Dr. Ashish Verma, Berater für Bioverfahrenstechnik bei Kolabtree, schreibt über die Herstellung und Anwendung von Biotensiden.

Der Begriff Tensid ist eine Mischung aus surfenace handelnive agent. Tenside sind in der Regel organische Verbindungen, die amphiphil sind, d. h. sie enthalten sowohl hydrophobe Gruppen (ihre "Schwänze") als auch hydrophile Gruppen (ihre "Köpfe"). Daher sind sie sowohl in organischen Lösungsmitteln als auch in Wasser löslich. Der Begriff Tensid wurde 1950 von Antara Products geprägt.

Tenside verringern die Oberflächenspannung von Wasser, indem sie an der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche adsorbieren. Sie verringern auch die Grenzflächenspannung zwischen Öl und Wasser durch Adsorption an der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche. Viele Tenside können sich auch in der Gesamtlösung zu Aggregaten zusammenschließen. Beispiele für solche Aggregate sind Bläschen und Mizellen. Die Konzentration, bei der Tenside beginnen, Mizellen zu bilden, wird als kritische Mizellenkonzentration (CMC) bezeichnet. Wenn sich Mizellen in Wasser bilden, bilden ihre Schwänze einen Kern, der ein Öltröpfchen einkapseln kann, und ihre (ionischen/polaren) Köpfe bilden eine äußere Hülle, die einen günstigen Kontakt mit Wasser aufrechterhält.

Global surfactant demand increases day by day due to its large application in various sectors such as enhanced oil recovery, soil and aquifer remediation, foods, pharmaceuticals, Kosmetik, herbicides, pesticides, leather industries, house hold, paint industries etc. Global surfactants market demand was 15.93 million tons in 2014 and is expected to reach 24.19 million tons by 2022, growing at a CAGR of 5.4% from 2015 to 2022.

Herstellung von Biotensiden

Fast alle derzeit verwendeten synthetischen Tenside sind chemisch abgeleitet von Erdöl. Diese Verbindungen sind in der Regel giftig für die Umwelt und können bei ihrer Zersetzung giftige Chemikalien freisetzen. Sie sind giftig für die menschliche Haut und auch ihre Nebenprodukte können umweltschädlich sein, da sie persistent (biologisch nicht abbaubar) sind und die Bodenfruchtbarkeit beeinträchtigen sowie die Gewässer verschmutzen können. Trotz dieser Nachteile nimmt ihre Verwendung weltweit sowohl in der Industrie als auch in Haushalten täglich zu.

Hier kommen die Biotenside ins Spiel. Biotenside sind oberflächenaktive Verbindungen, die von lebenden Zellen produziert werden. Ihre Beschaffenheit und ihre Fähigkeit, die Oberflächenspannung zu verringern, hängen von der Art und dem Stamm des verwendeten Mikroorganismus (Bakterien, Hefe, Pilze) und dem verfügbaren Nährstoffsubstrat für das Zellwachstum ab.

Mikrobielle Tenside/Biotenside sind oberflächenaktive Stoffwechselprodukte, die von Mikroorganismen produziert werden, wenn sie auf wassermischbaren oder öligen Substraten wachsen: Sie bleiben entweder an den mikrobiellen Zelloberflächen haften oder werden in die Kulturbrühe sezerniert. 

Mikrobielle Tenside stellen eine vielfältige Gruppe oberflächenaktiver Moleküle dar und kommen in einer Vielzahl chemischer Strukturen vor, z. B. Glykolipide, Lipopeptide und Lipoproteine, Fettsäuren, neutrale Lipide, Phospholipide sowie polymere und partikuläre Strukturen. Zu den Merkmalen, die sie zu kommerziell vielversprechenden Alternativen zu chemisch synthetisierten Tensiden machen, gehören ihre geringere Toxizität, ihre bessere biologische Abbaubarkeit und damit ihre bessere Umweltverträglichkeit, ihre besseren Schaumeigenschaften (nützlich bei der Verarbeitung von Mineralien) und ihre stabile Aktivität bei extremen pH-Werten, Salzgehalten und Temperaturen.

Die Aktivitäten von Biotensiden lassen sich durch Messung der Veränderungen der Ober- und Grenzflächenspannung, der Stabilisierung oder Destabilisierung von Emulsionen und des hydrophil-lipophilen Gleichgewichts (HLB) bestimmen. Die Oberflächenspannung an den Grenzflächen Luft/Wasser und Öl/Wasser kann leicht mit einem Tensiometer gemessen werden. Biotenside haben einzigartige Eigenschaften, die chemisch-synthetische Tenside nicht haben, wie z. B. eine hohe Oberflächenaktivität, Umweltfreundlichkeit, geringere Toxizität, biologische Abbaubarkeit, ökologische Verträglichkeit, gute antimikrobielle Aktivität und sie verlieren ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen, pH-Werten und Salzgehalten nicht. Sie finden breite Anwendung in der mikrobiell unterstützten Ölgewinnung (MEOR), der Landwirtschaft, der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie. Rohöl und Erdölprodukte sind heute die Hauptquelle für Kohlenwasserstoffverunreinigungen im Boden und in der Meeresumwelt. Da diese Schadstoffe in Wasser unlöslich sind, ist ihre Entfernung aus der Umwelt sehr schwierig. Der biologische Abbau von Kohlenwasserstoffen durch Mikroorganismen ist eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, sie aus dem Boden und der Meeresumwelt zu entfernen.  

Der Weltmarkt für Biotenside wird bis 2020 voraussichtlich 2.308,8 Mio. USD erreichen. Die zunehmende Vorliebe der Verbraucher für biobasierte Produkte, insbesondere in Europa und Nordamerika, dürfte die Verbreitung von Biotensiden erhöhen. Der globale Markt für Biotenside wird bis 2020 voraussichtlich 462 Kilotonnen erreichen und von 2014 bis 2020 mit einer CAGR von 4,3% wachsen (https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/biosurfactants-industry).

Europa war der größte regionale Markt für Biotenside mit einem Verbrauch von 178,9 Kilotonnen im Jahr 2013. Nordamerika war 2013 der zweitgrößte Verbraucher von Biotensiden mit einem Anteil von über einem Viertel. 

Der asiatisch-pazifische Raum war 2013 ein relativ kleiner Markt, wird aber im Prognosezeitraum aufgrund der wachsenden Anwendungsindustrie in der Region voraussichtlich einen beträchtlichen Anteil gewinnen. Länder wie Indien und China haben eine große Präsenz in der Textil-, Landwirtschafts- und Körperpflegeindustrie, was den Markt voraussichtlich vergrößern wird. Nachfrage nach Biotensiden in den nächsten sechs Jahren. 

Anwendungen von Biotensiden

Die Anwendungen von Biotensiden befinden sich jedoch noch im Entwicklungsstadium der industriellen Ebene. Die Entwicklung der Anwendung von Biotensiden in der Industrie konzentriert sich hauptsächlich auf eine hohe Ausbeute bei der Produktion von Biotensiden und auf die Herstellung hochaktiver Biotenside mit spezifischen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen. Biotenside haben wichtige Anwendungen in erdölverwandten Industrien wie z.B.:

• Enhanced Oil Recovery,
• Reinigung von Ölverschmutzungen,
• Säuberung eines mit Öl kontaminierten Tankers,
• Kontrolle der Viskosität
• Öl-Emulgierung, und
• Entfernung von Rohöl aus Schlämmen.

In Anbetracht des breiten Anwendungspotenzials von Biotensiden ist es wichtig, ihre Produktion auf kommerzieller Ebene zu verbessern, und auch eine Vielzahl verschiedener Mikroorganismen kann Biotenside mit unterschiedlichen chemischen Strukturen und Oberflächeneigenschaften produzieren. Es ist vorteilhafter, wenn die Produktion von Biotensiden durch Mikroorganismen erfolgt, die auf mit Wasser nicht mischbaren Substraten wachsen, indem sie mit der Phasengrenzfläche zwischen zwei Phasen in einem heterogenen System. Biotenside verstärken die Emulgierung von Kohlenwasserstoffen, um Kohlenwasserstoffverunreinigungen zu lösen und ihre Verfügbarkeit für Mikroben zu erhöhen, so dass dieses Phänomen mikrobielles Wachstum auf mit Wasser nicht mischbaren Kohlenstoffquellen ermöglicht.

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