NOWOCZESNE METODY IMMOBILIZACJI SUBSTANCJI AKTYWNYCH STOSOWANYCH W INŻYNIERII CHEMICZNEJ MATERIAŁOWEJ I ŚRODOWISKA

Nowoczesne metody immobilizacji substancji aktywnych stosowanych w inżynierii chemicznej, materiałowej i środowiska
Sabina Wilkanowicz

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