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

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