9.1. Основні відомості про біохемічні процеси

Біохемічними називають такі технологічні процеси, в ході яких головним рушієм є вибрані мікроорганізми.

Мікроорганізми - це бактерії та мікроскопічні грибки. Мікро­організми можуть жити у різних середовищах: одні з них для життя не потребують кисню їх називають анаеробами, інші без кисню не можуть жити. Ці мікроорганізми називають аеробами. Є ще й такі, які прекрасно почувають себе у ядерному реакторі. Існують мікроорганізми, які живуть у вакуумі, а також такі, що витримують тиск понад 100 МПа. У технології найчастіше використовують мікроорганізми - аероби.

Біохемічні процеси є основою біотехнологїі.

Біотехнологією називають науку про отримання продукції з використанням біохемічних процесів.

Біотехнологія грунтується на досягненнях біохемії, мікробіології, молекулярної біології і широко використовується в харчовій, фармацевтичній, гірничорудній і хемічній промисловостях, у процесі очищення стічних вод тощо.

Плодами біотехнології користуються давно: бродіння тіста спричинюють дріжджові грибки, скисання молока - молочно-кислі бактерії тощо.

Наукове розуміння цих процесів прийшло лише в XIX ст. завдяки праць французького вченого Луї Пастера. Та лише через сторіччя після цього відкриття мікроскопічні грибки і бактерії стали використовувати у промисловості.

При використанні повітря та кисню електроди необхідно захищати від руйнування (окисненням) або виготовляти з цирконію чи гафнію.

Плазмотрони можуть бути різної конструкції. Деякі з них зображено на рис. 15.

Залежно від конструкції плазмотрона на виході із сопла отримують плазмовий потік або плазмову дугу.

Для отримання плазмового потоку використовують плазмо­трон, схему якого показано на рис. 15,а. У плазмотроні дуга 2 горить між електродом 5 і соплом 4, сюди ж подають плазмотвірний газ. Нагрівання виробів / плазмо­вим потоком, що відокремлюється від дуги застосовують при нанесен­ні покрить (плазмове напилення) та гартування виробів, виготовле­них із вуглецевих сталей.

Плазмову дугу отримують за допомогою плазмотрона, схема якого показана на рис. 15,6. Тут дуга вгорить між електродом 5 і виробом /, а потік плазми збігається із стовпом дуги. Таку плазмову дугу використовують під час різання.

Температура плазми може змінюватись від 10³ до 5-Ю⁴ °С. Це за­лежить від сили струму, виду плазмового газу, його кількості, а також конструкції плазмотрона. Під час роботи плазмотрон безперервно охолоджують водою, яка циркулює каналами З сопла 4.

Ш//ШШ У////////////,

Рис. 15. Схеми плазмотронів для

отримання: а - плазмового потоку; б- плазмової дуги

Проте слід пам'ятати, що обладнання, за допомогою якого отримують плазму, має високий рівень шуму. Крім того, для отримання плазми по­трібна значно більша напруга, ніж для отримання електричної дуги.

Радіаційно-хемічні

Радіаційно-хемічними називають такі технологічні проце­си, в ході яких головним рушієм є х-промені, у-промені, електрони, протони, нейтрони, а і /3-частинки тощо.

Джерелом отримання цих випромінювань є реактори, прискорювачі частинок, радіоактивні ізотопи тощо.

Під дією йонізуючого випромінювання з внутрішніх оболонок атомів сировини вибиваються електрони, що спричиняє глибокі хемічні перетворення у сировині.

Радіаційно-хемічні процеси широко використовують у технології для отримання речовин з наперед заданими властивостями та речовин, яких іншим способом отримати неможливо.

Процеси, що відбуваються при опромінюванні речовин (сировини), поділяються на три стадії.

На першій стадії заряджені частинки зіштовхуються з молекулами сировини, унаслідок чого змінюється їх енергетичний стан; молекули сировини набувають енергії, частинки втрачають її.

На другій стадії збуджені молекули розпадаються або взаємодіють з іншими молекулами, внаслідок чого утворюються, йони, атоми та радикали, тобто проміжні активні частинки.

На третій стадії активні частинки, які утворились на другій стадії, взаємодіють між собою або з оточуючими їх молекулами внаслідок чого утворюються молекули продукції.

Радіаційно-хемічні процеси використовують у процесі полімеризації та вулканізації великомолекулярних сполук, синтезу деяких речовин, очищення стічних вод, твердих і газових відходів промислових під­приємств тощо.

Радіаційну полімеризацію проводять за низьких температур під дією /?-частинок і Г-променів. Мономери перебувають у твердій, рідинній і газовій фазах. Полімеризацію зарядженими частинками використовують при виробництві надчистих полімерів, необхідних у медицині та напівпровідниковій електроніці. Полімеризують етилен, тетрафторетилен тощо. Внаслідок радіаційної полімеризації етилену отримують термо­стійкий електроізоляційний матеріял - поліетилен:

пСН₂ = СН₂ (- СН₂ - СН₂ -)„.

Полімеризуючи тетрафторетилен, отримують фторопласт-4:

пСР₂ = си₂ (- СИ₂ - си₂ -)_п.

Радіаційна вулканізація каучуку, порівняно з традиційним способом, який проводять за температури 180-200°С і тиску 15-20 МПа,, має велике техніко-економічне значення, оскільки трудомісткість і енергомісткість менші, а якість отриманої продукції ліпша.

Радіаційно-хемічний синтез широко використовують для виготовлен­ня речовин, необхідних у процесі виробництва мийних засобів, поверхнево-активних речовин, мастил, отрутохемікатів тощо.

Радіаційно-хемічне очищення води та побутових і промислових відходів застосовують дуже широко. При опромінюванні природна вода дезінфікується і з неї виходять гази; стічні води очищають від фенолу, поверхнево-активних речовин тощо. Тверді відходи після радіаційно- хемічного очищення використовують у сільському господарстві як добрива. Широко використовують у промисловості радіаційне очищення викидних газів від оксидів сірки, азоту тощо.

Основні недоліки радіаційно-хемічних процесів - згубний вплив радіації на працівників, які обслуговують' джерела випромінювання, і необхідність обов'язкового схоронення радіоактивних відходів (стронцію, цезію тощо).

Під час роботи з радіоактивними речовинами і експлуатації ядерних реакторів слід дотримуватися усіх правил техніки безпеки щодо захисту від дії радіоактивного випромінювання. Кожний працівник з обслуги повинен мати індивідуальний дозиметр, який контролює дозу випроміню­вання, що отримує людина. Роботу з радіоактивними речовинами треба виконувати за допомогою спеціальних приладів-маніпуляторів. У приміщеннях, в яких працюють з радіоактивними речовинами, необхідно встановити безперервну вентиляцію. 110

Фотохемічні процеси

Фотохемічними називають такі технологічні процеси, які спричиняються світлом або відбуваються під його дією.

Механізм фотохемічних процесів грунтується на активації молекул реагуючих речовин (складових сировини) при поглинанні ними порцій світлової енергії. При поглинанні світла змінюється електронна структура молекули; електрони на зовнішніх оболонках атомів збуджуються і молекули стають здатними до перетворення.

Фотохемічні процеси поділяють на три групи.

До першої групи належать ті процеси, які після поглинання реагуючими речовинами (сировиною) світлової енергії проходять самохіть. Для цих процесів світло є лише збудником. Ці процеси застосовують, наприклад, при хлоруванні вуглеводнів, синтезі полімерів, утворенні хлористого водню тощо.

При фотохемічному хлоруванні вуглеводнів молекули хлору під впливом світлової енергії дисоціюють на атоми і утворюються хлорпохідні вуглеводні. Наприклад, при хлоруванні метану (СН₄) відбуваються ланцюгові реакції з утворенням хлорпохідних метану: хлористого метилу (СН₃СІ), хлористого метилену (СН₂С1₂), хлороформу (СНС1₃), чотирихлористого вуглецю (СС1₄).

сн_Л + сі₂ CH.fi + с/₂ -> ch₂cl₂ +

+ сі₂ СНС1₃ + с/₂ -4 сс/₄.

Після конденсації отримані хлорпохідні метану надходять на ректи­фікацію та відокремлення складників, а гази повертаються на хлорування.

У промисловості хлорування метану проводять у два заходи: спочатку термічним хлоруванням метану отримують хлористий метил (СН₃С1) і хлористий метилен (СН₂С1_г). Потім фотохемічним хлоруванням хлористого метилену (СН₂С1₂) отримують хлороформ (СНСІ₃) і чотирихлористий вуглець (ССІ₄).

Реакція між воднем (Н₂) і хлором (С1₂) з утворенням хлористого водню (НС1) за звичайних умов проходить дуже повільно:

н₂ + а₂ -> 2неї.

При освітленні сонячним промінням реакція між воднем і хлором відбувається бурхливо і може статися вибух.

Друга група фотохемічних процесів потребує безперервного підведення світлової енергії до реагуючих речовин. Як тільки подача світла припиняється, процес зупиняється. Такі фотохемічні процеси відбуваються у живих організмах, рослинах, сонячних батареях, фотосправі тощо.

Наприклад, процес природного фотосинтезу в рослинах грунтується на поглинанні світла хлорофілом і виділенні кисню:

тСО_г + пН₂0 ^с,Іітю ) (С0₂)_т(Н₂0)_п + тО_г .

Фотохемічні процеси цієї групи лежать в основі виготовлення фотографій. Світло потрапляє на поверхню фотоматеріялів (плівку чи папір) спричиняє розкладання хлористого срібла:

2А#С/ ^світло ) 2А# + С1₂ .

До третьої групи належать процеси, при яких світло поглинається не реагуючими речовинами, а каталізатором, який прискорює процес. Такі процеси називаються фотокаталізними.

Роль фотокаталізаторів можуть виконувати оксиди металів. Ці процеси лежать в основі виробництва органічних речовин тощо.

Велика кількість продукції, яку виробляють за допомогою фотохемічних процесів, може бути отримана іншими процесами (наприклад, термічним). Проте перевагу надають фотохемічним, оскільки легко регулюється швидкість реакції, отримують дуже чисту продукцію, малі затрати енергії тощо.

Лазерні процеси

Лазерними називають такі технологічні процеси, в ході яких головним рушієм є монохроматичне проміння.