Biosurfattanti: Produzione e applicazioni

Dr. Ashish Verma, consulente di ingegneria biochimica su Kolabtree, scrive sulla produzione e le applicazioni dei biosurfattanti.

Il termine tensioattivo è una miscela di surface agireive agent. I tensioattivi sono di solito composti organici che sono anfifilici, cioè contengono sia gruppi idrofobici (le loro "code") che gruppi idrofili (le loro "teste"). Pertanto, sono solubili sia in solventi organici che in acqua. Il termine tensioattivo è stato coniato da Antara products nel 1950.

I tensioattivi riducono la tensione superficiale dell'acqua adsorbendo all'interfaccia liquido-gas. Riducono anche la tensione interfacciale tra olio e acqua adsorbendo all'interfaccia liquido-liquido. Molti tensioattivi possono anche assemblarsi in soluzione bulk in aggregati. Esempi di tali aggregati sono le vescicole e le micelle. La concentrazione alla quale i tensioattivi iniziano a formare micelle è nota come concentrazione critica delle micelle o CMC. Quando le micelle si formano in acqua, le loro code formano un nucleo che può incapsulare una goccia d'olio, e le loro teste (ioniche/polari) formano un guscio esterno che mantiene un contatto favorevole con l'acqua.

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, cosmetici, 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.

Produzione di biosurfattanti

Quasi tutti i tensioattivi sintetici attualmente in uso sono chimicamente derivati da petrolio. Questi composti sono solitamente tossici per l'ambiente, e possono rilasciare sostanze chimiche tossiche quando si decompongono, sono tossici per la pelle umana e anche i loro sottoprodotti possono essere pericolosi per l'ambiente, a causa della loro natura persistente (non biodegradabile) possono influenzare negativamente la fertilità del suolo e anche contaminare i corpi idrici. Nonostante questi svantaggi, il loro uso aumenta di giorno in giorno a livello globale sia nelle industrie che nelle famiglie.

È qui che entrano in gioco i biosurfattanti. I biosurfattanti sono composti tensioattivi prodotti da cellule viventi. La loro natura e le loro capacità di ridurre la tensione superficiale dipendono dal tipo e dal ceppo di microrganismo (batteri, lieviti, funghi) utilizzato e dal substrato nutriente disponibile per la crescita cellulare.

I tensioattivi microbici/biosurfattanti sono metaboliti tensioattivi prodotti dai microrganismi quando crescono su substrati miscibili con l'acqua o oleosi: essi rimangono aderenti alle superfici delle cellule microbiche o vengono secreti nel brodo di coltura. 

I tensioattivi microbici costituiscono un gruppo diversificato di molecole tensioattive e sono noti per una varietà di strutture chimiche, come glicolipidi, lipopeptidi e lipoproteine, acidi grassi, lipidi neutri, fosfolipidi e strutture polimeriche e particellari. Le caratteristiche che li rendono commercialmente promettenti alternative ai tensioattivi sintetizzati chimicamente sono la loro minore tossicità, la maggiore biodegradabilità e, quindi, la maggiore compatibilità ambientale, le migliori proprietà schiumogene (utili nella lavorazione dei minerali) e l'attività stabile agli estremi di pH, salinità e temperatura.

Le attività dei biosurfattanti possono essere determinate misurando i cambiamenti nelle tensioni superficiali e interfacciali, la stabilizzazione o destabilizzazione delle emulsioni e l'equilibrio idrofilo-lipofilo (HLB). La tensione superficiale alle interfacce aria/acqua e olio/acqua può essere facilmente misurata con un tensiometro. I biosurfattanti hanno proprietà uniche che i tensioattivi sintetizzati chimicamente non hanno, come l'alta attività di superficie, la compatibilità ambientale, la minore tossicità, la biodegradabilità, l'accettabilità ecologica, la buona attività antimicrobica e non perdono le proprietà fisico-chimiche a diverse temperature, pH e livelli di salinità. Sono ampiamente utilizzati nel recupero microbico del petrolio (MEOR), nell'agricoltura, nel cibo, nei cosmetici e nelle industrie farmaceutiche. Oggi il petrolio greggio e i prodotti petroliferi sono la principale fonte di idrocarburi inquinanti per il suolo e gli ambienti marini. A causa della natura insolubile di questi inquinanti in acqua, la loro rimozione dall'ambiente è molto difficile. La biodegradazione degli idrocarburi da parte dei microrganismi è uno dei modi promettenti per rimuoverli dal suolo e dall'ambiente marino.  

Il mercato globale dei biosurfattanti dovrebbe raggiungere 2.308,8 milioni di dollari entro il 2020. La crescente preferenza dei consumatori verso l'uso di prodotti a base biologica, in particolare in Europa e Nord America, dovrebbe aumentare la penetrazione dei biosurfattanti. Il mercato globale dei biosurfattanti dovrebbe raggiungere 462 kilo tonnellate entro il 2020, crescendo ad un CAGR di 4.3% dal 2014 al 2020 (https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/biosurfactants-industry).

L'Europa è stata il più grande mercato regionale per i biosurfattanti, con un consumo di 178,9 kilo tonnellate nel 2013. Il Nord America è stato il secondo maggior consumatore di biosurfattanti nel 2013 con una quota di oltre un quarto. 

Asia Pacifico era un mercato relativamente piccolo nel 2013, ma si prevede di guadagnare una quota considerevole durante il periodo di previsione a causa della crescente industria di applicazione nella regione. Paesi come l'India e la Cina hanno ampia presenza di industria tessile, agricola e di cura personale che si prevede di aumentare il domanda di biosurfattanti nei prossimi sei anni. 

Applicazioni dei biosurfattanti

Le applicazioni dei biosurfattanti, tuttavia, sono ancora in fase di sviluppo a livello industriale. Lo sviluppo dell'applicazione dei biosurfattanti nelle industrie si concentra principalmente sull'alta resa di produzione dei biosurfattanti e sulla produzione di biosurfattanti altamente attivi con proprietà specifiche per applicazioni specifiche. I biosurfattanti hanno importanti applicazioni nelle industrie legate al petrolio come:

• Recupero migliorato del petrolio,
• Pulizia delle fuoriuscite di petrolio,
• Pulizia delle petroliere contaminate dal petrolio,
• Controllo della viscosità
• Emulsificazione dell'olio, e
• Rimozione del petrolio greggio dai fanghi.

Considerando le ampie applicazioni potenziali dei biosurfattanti, è importante migliorare la sua produzione a livello commerciale e anche un'ampia varietà di diversi microrganismi può produrre biosurfattanti con diverse strutture chimiche e proprietà di superficie. È più vantaggioso quando la produzione di biosurfattanti attraverso i microrganismi quando crescono su substrati immiscibili in acqua interagendo con il confine di fase tra due fasi in un sistema eterogeneo. I biosurfattanti migliorano l'emulsificazione degli idrocarburi per solubilizzare i contaminanti idrocarburici e aumentare la loro disponibilità per i microbi e di conseguenza questo fenomeno permette la crescita microbica su una fonte di carbonio immiscibile in acqua.

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