3.6.7.Каталитические процессы

Основу каталитических процессов составляет катализ – наиболее эффективное и рациональное средство ускорения многих химических реакций.

Катализ (от греч. katalysis - разрушение) введен в науку И. Берцелиусом еще в 1835 году. Он оказался не только средством увеличения производительности аппаратуры, но и способом повышения качества полученные продуктов.

Различают положительные и отрицательные катализ, в зависимости от того, ускоряет катализатор реакцию или замедляет ее. Как правило, термин «катализ» определяется как ускорение реакции, в то время как вещества, замедляющие реакцию, называются ингибиторами.

Важными компонентами промышленных катализаторов являются промоторы – вещества, добавление которых к катализатору в малых количествах (обычно доли процента) увеличивает его активность, селективность или устойчивость.

Вещества, действие которых на катализатор приводит к снижению его активности или полному прекращению каталитического действия, называются каталитическими ядами.

В качестве катализаторов в промышленности чаще всего применяют платину, железо, никель, кобальт и их оксиды, оксид ванадия (V), алюмосиликаты, некоторые минеральные кислоты и соли; они используются как в окислительно-восстановительных, так и кислотно-основном.

Катализом называется увеличение скорости химических реакций или их возбуждение при действии веществ-катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточные химические взаимодействия с реагентами, но затем восстанавливают свой химический состав после окончания акта (действия) катализа.

Все каталитические реакции относятся к самопроизвольным процессам, т.е. протекают в направлении убыли энергии Гиббса системы (см. разд. 3.6.4). Со временем катализатор изменяется и после определенного срока может полностью необратимо потерять свою активность.

Активностью катализатора считается мера ускоряющего действия его на ту или иную реакцию.

В соответствии с принципом фазового состояния реагента и катализатора каталитические процессы подразделяются на гомогенные и гетерогенные.

В случае гомогенного катализа и катализатор, и реагенты находятся в одной фазе – газовой или жидкой. При гетерогенном катализе реагенты, катализатор или продукты реакции находятся в разных фазах; в этом случае чаще применяются твердые катализаторы.

Каталитические процессы, вызванные переносом электронов, относятся к окислительно-восстановительному катализу.

Окислительно-восстановительный катализ применяется в производстве аммиака, азотной кислоты, серной кислоты и др.

К кислотно-основному катализу относятся каталитический крекинг, гидратация, дегидрация, многие реакции изомеризации, конденсации органических веществ.

В промышленности встречается и так называемый полифункциональный катализ, в котором имеет место совмещение рассмотренных выше двух важнейших видов катализа.

3.7.Биологические процессы, используемые в технологии

Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых используются живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Подобные процессы были известны еще с древних времен: хлебопечение, приготовление вина, пива, сыра, уксуса, молочных продуктов, способы обработки кожи, растительных волокон и др. Научные же основы биотехнологии были заложены в ХIХ веке французским ученым А. Пастером (1822-1895), положившим начало микробиологии.

Биопромышленность, в основе которой лежит биотехнология, производит кормовые и пищевые белки, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, органические кислоты (например, лимонную, изолимонную, уксусную и др.), регуляторы роста растений, многие пестициды, лечебные и иммунные препараты для человека и животных.

К важнейшим процессам биотехнологии относятся брожение, (ферментация), микробиологический синтез (промышленная биотехнология), термическая обработка и др. Новые же направления физико-химической биологии, получившие развитие во второй половине ХХ столетия, значительно расширили возможности процессов биотехнологии, особенно генной и клеточной инженерии. Последняя получила распространение в сельскохозяйственном производстве при выведении, например, безвирусных растений, получении кормов и т.п.

К достоинствам биологических процессов относится то, что они используют возобновляемое сырье (биомасса), протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, например, нормальном давлении), с меньшим числом технологических стадий (этапов), их отходы доступны последующей переработке. Особенно выгодно применение биотехнологических процессов (экономически и технологически) в случае производства относительно дорогих, но малотоннажных продуктов. Они же лежат и в основе пищевой промышленности.

Сегодня биотехнология рассматривается как наука, возникшая на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии и растениеводства. Она описывает уникальные возможности практического использования результатов исследований в этой области. Она же стремительно выдвигается и на передний край научно-технологического прогресса. Этому способствует два обстоятельства. С одной стороны, бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики, позволило использовать потенциал живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. С другой стороны наблюдается острая практическая потребность в новых технологических процессах, призванных ликвидировать нехватку продовольствия, минеральных ресурсов, улучшить состояние здравоохранения и охраны окружающей среды. Биотехнология практически уже вносит немалую лепту и, вероятно, внесет и в будущем решающий вклад в решение этих важнейших проблем человечества.