Nowoczesne metody immobilizacji substancji aktywnych stosowanych w inżynierii chemicznej, Katowice

Celem powstania niniejszej książki było zestawienie aktualnej wiedzy na temat metod unieruchamiania różnych substancji aktywnych – katalizatorów, enzymów, związków aktywnych o właściwościach antyoksydacyjnych, antymikrobiologicznych, antykorozyjnych, a nawet drobnoustrojów, które mogą być stosowane w różnych procesach przemysłowych opartych na technologii chemicznej, biotechnologii, inżynierii chemicznej czy nanotechnologii. Zestawienie tej wiedzy jest ważne, ponieważ pomaga zobrazować zainteresowanym, jakie są najlepsze możliwości immobilizacji wybranych składników aktywnych, o konkretnych właściwościach i zastosowaniu. W opracowaniu omówiono i porównano najczęściej stosowane techniki immobilizacji mechanicznej, stanowiące największe zainteresowanie naukowców oraz przemysłu (na przykład freeze-drying czy spray drying), a także techniki, które dopiero zaczynają podbijać przemysł (electrospinning, solution blow spinning czy electro-blow spinning). Dokładne przedstawienie tych technik pozwoli nie tylko na zrozumienie zasad ich działania, ale także da możliwość praktycznego rozpatrzenia, która metoda może być wykorzystywana, aby w najlepszy z możliwych sposobów unieruchamiać i ochraniać konkretne związki aktywne czy inne materiały. Książka stanowi, jak dotąd, jedyne źródło informacji o tak szerokim spektrum, opisujące zarówno dostępne i znane techniki immobilizacji, jak i zestawienie materiałów stosowanych jako nośniki substancji aktywnych. Ponieważ większość monografii wydawanych w tej tematyce skupia się albo na poszczególnych technikach immobilizacji, albo konkretnych związkach aktywnych (na przykład tylko na enzymach) i metodach ich unieruchamiania, dlatego opracowanie może ułatwić czytelnikowi nie tylko zrozumienie metod immobilizacji mechanicznej, ale także porównać i wybrać tę, która umożliwi uzyskanie najlepszego efektu prac badawczych. SPIS TREŚCI Wprowadzenie ................................................................................................................................... 9 Rozdział 1 KRÓTKA HISTORIA NANOTECHNOLOGII, DEFINICJA, PODZIAŁ I PRZYCZYNY IMMOBILIZACJI............................................................................................................................ 11 1.1. Krótka historia nanotechnologii........................................................................................ 11 1.1.1. Metody wytwarzania włókien polimerowych ....................................................... 16 Metody wytwarzania „top-down” i „bottom-up” mikro- i nanowłókien .............. 16 Rysowanie włókien................................................................................................ 16 Synteza z wzorca ................................................................................................... 16 Separacja fazowa ................................................................................................... 17 Samoorganizowanie............................................................................................... 17 1.2. Immobilizacja ................................................................................................................... 17 1.2.1. Rodzaje immobilizacji ........................................................................................... 19 Immobilizacja fizyczna.......................................................................................... 19 Immobilizacja chemiczna ...................................................................................... 20 Immobilizacja mechaniczna .................................................................................. 21 1.3. Krótka historia wybranych technik immobilizacji mechanicznej..................................... 21 1.4. Przyczyny immobilizacji .................................................................................................. 23 Rozdział 2 ZWIĄZKI POLIMEROWE STOSOWANE DO UNIERUCHAMIANIA SUBSTANCJI AKTYWNYCH ............................................................................................................................... 25 2.1. Degradacja materiałów polimerowych ............................................................................. 29 Degradacja mechaniczna .................................................................................................. 34 Degradacja termiczna ....................................................................................................... 35 Fotodegradacja .................................................................................................................. 35 Degradacja ultradźwiękowa .............................................................................................. 36 Degradacja radiacyjna....................................................................................................... 36 Degradacja chemiczna ...................................................................................................... 37 Biodegradacja ................................................................................................................... 38 2.2. Syntetyczne degradowalne związki polimerowe .............................................................. 41 2.2.1. Polilaktyd............................................................................................................... 42 2.2.2. Poli(laktyd-ko-glikolid) ......................................................................................... 49 2.2.3. Poli(ε-kaprolakton) ................................................................................................ 51 2.2.4. Kwas poliwinylowy ............................................................................................... 53 2.2.5. Poliwinylopirolidon ............................................................................................... 56 2.2.6. Polieterosulfon....................................................................................................... 61 2.3. Związki polimerowe pochodzenia mikrobiologicznego ................................................... 64 2.3.1. Kwas polihydrooksymasłowy ............................................................................... 64 2.3.2. Kwas poli-γ-glutaminowy ..................................................................................... 66 2.4. Naturalne związki polimerowe ......................................................................................... 70 2.4.1. Polisacharydy jako naturalne biopolimery stosowane w immobilizacji skład- ników aktywnych................................................................................................... 71 Alginiany ............................................................................................................... 71 Celuloza ................................................................................................................. 76 Chityna i chitozan .................................................................................................. 78 Skrobia................................................................................................................... 85 Maltodekstryny ...................................................................................................... 87 Pullulan .................................................................................................................. 90 2.4.2. Lipidy jako naturalne biopolimery stosowane w immobilizacji składników ak- tywnych ................................................................................................................. 93 2.4.3. Białka jako naturalne biopolimery stosowane w immobilizacji substancji ak- tywnych ................................................................................................................. 97 Białka izolowane z grochu .................................................................................... 97 Białka jadalnych insektów................................................................................... 101 Białka z jedwabiu ................................................................................................ 106 Białka mleka ........................................................................................................ 110 Zeina .................................................................................................................... 113 Rozdział 3 WYBRANE METODY IMMOBILIZACJI MECHANICZNEJ ZWIĄZKÓW AKTYWNYCH ... 119 3.1. Atomizacja elektrohydrodynamiczna ............................................................................. 119 3.1.1. Czynniki charakteryzujące roztwory polimerowe mające wpływ na proces EHD .... 125 Rozpuszczalność polimerów ............................................................................... 126 Lotność (parowanie) roztworu ............................................................................ 127 Lepkość roztworu ................................................................................................ 127 Napięcie powierzchniowe ................................................................................... 128 Przewodność elektryczna roztworu ..................................................................... 129 3.1.2. Czynniki aparaturowe mające wpływ na proces EHD ........................................ 129 Napięcie elektryczne ........................................................................................... 129 Prędkość przepływu roztworu polimeru.............................................................. 131 Odległość pomiędzy iniektorem a kolektorem .................................................... 132 Typ i średnica końca iniektora ............................................................................. 132 Typ kolektora ....................................................................................................... 133 Warunki atmosferyczne ....................................................................................... 135 3.1.3. Technika melt electrospinning – modyfikacja konwencjonalnej metody EHD. .... 135 3.1.4. Wykorzystanie EHD w immobilizacji substancji aktywnych ............................. 137 3.2. Suszenie rozpyłowe w temperaturze pokojowej ............................................................. 138 3.2.1. Czynniki mające wpływ na średnicę włókien w procesie SBS ........................... 151 3.2.2. Typy kolektorów stosowane w procesie SBS ...................................................... 154 3.2.3. Typy iniektorów stosowane w procesie SBS....................................................... 155 3.2.4. Wpływ warunków otoczenia na proces SBS ....................................................... 157 3.2.5. Udoskonalenia i modyfikacje techniki SBS ........................................................ 158 Metoda CBS – coaxialne SBS lub współosiowe SBS ......................................... 158 Electro-blow spinning i electro-blow spraying – udoskonalenie techniki im- mobilizacji w celu wytwarzania materiałów funkcjonalnych ............................. 159 Melt blowing – uprzemysłowienie techniki SBS ................................................ 161 3.2.6. Wykorzystanie SBS w immobilizacji substancji aktywnych .............................. 164 3.3. Liofilizacja – freeze-drying ............................................................................................. 165 3.3.1. Najważniejsze elementy konstrukcyjne aparatury freeze-drying ........................ 167 Podstawowa komora liofilizatora ........................................................................ 167 Skraplacz ............................................................................................................. 168 System wytwarzania próżni................................................................................. 168 3.3.2. Zasada techniki freeze-drying ............................................................................. 168 3.3.3. Etapy liofilizacji................................................................................................... 169 Obróbka wstępna ................................................................................................. 169 Szybkie zamrażanie ............................................................................................. 170 Suszenie sublimacyjne......................................................................................... 170 Suszenie desorpcyjne........................................................................................... 171 Insulacja – „izolowanie od otoczenia” ................................................................ 171 3.3.4. Czynniki wpływające na proces freeze-drying.................................................... 172 Obróbka wstępna ................................................................................................. 172 Przenoszenie masy i ciepła w procesie freeze-drying ......................................... 173 Zamrażanie .......................................................................................................... 174 Temperatura ogrzewania...................................................................................... 174 3.3.5. Wykorzystanie liofilizacji w immobilizacji substancji aktywnych ..................... 174 3.4. Aerożele .......................................................................................................................... 175 3.4.1. Techniki wytwarzania włókien aerożelowych..................................................... 177 Przędzenie na mokro ........................................................................................... 177 Wytłaczanie włókien aerożelowych .................................................................... 180 Freeze-spinning ................................................................................................... 182 Przędzenie współosiowe na mokro ..................................................................... 183 3.4.2. Wykorzystanie aerożeli w immobilizacji substancji aktywnych ......................... 185 3.5. Wysokotemperaturowe suszenie rozpyłowe ................................................................... 186 3.5.1. Modelowe projektowanie procesów SD.............................................................. 190 3.5.2. Nano spray drying ............................................................................................... 193 3.5.3. Wykorzystanie spray drying w immobilizacji substancji aktywnych ................. 196 Rozdział 4 PORÓWNANIE WYBRANYCH METOD MECHANICZNEJ IMMOBILIZACJI SUB- STANCJI AKTYWNYCH ............................................................................................................. 199 Podsumowanie ............................................................................................................................... 203 Literatura .....................................................................................................................................205