124744 (598609), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

которое, как видно из приведенного уравнения, зависит от отношения констант (k_0/k₁) и отношения концентраций ([H₂O] / [Гл]). Последнее тем выше, чем выше исходное мольное отношение вода: оксид этилена. Для получения приемлемого выхода этиленгликоля (90%) в промышленном некаталитическом процессе приходится использовать большой избыток воды по отношению к оксиду этилена (исходное мольное отношение [H₂O] _0/[ОЭ] ₀ = 18, или не более 12 вес. % оксида этилена в исходном водном растворе). На стадии выделения гликолей вся избыточная вода (9 т на одну тонну гликолей) подлежит выпарке после реакции, что требует значительных энергетических затрат.

Уменьшить эти затраты можно путем применения селективного катализатора, существенно ускоряющего основную реакцию и не оказывающего влияния на скорость побочных реакций гликолей с оксидом этилена. При этом скорость основной реакции будет пропорциональна концентрации катализатора (Кат), а приведенное выше отношение скоростей основной и побочной реакций для каталитического процесса будет иметь вид

Как следует из этого выражения, отношение [H₂O] / [Гл] (или, что то же, [H₂O] _0/[ОЭ] ₀) можно уменьшить увеличив путем создания необходимой для этого концентрации катализатора. Так, если для некаталитической реакции при k_0/k₁ = 1/2,3 = 0,435 90% -ный выход гликоля достигается при мольном отношении [H₂O] _0/[ОЭ] ₀ = 18, то для каталитической реакции при (k₀ + k₀ [Кат]) / k₁ = 4,35 такой же выход гликоля будет получен при десятикратном снижении избытка воды и соответствующем снижении энергетических затрат на стадии выделения готового продукта.

Селективные катализаторы реакции гидратации оксида этилена удалось найти в результате недавно проведенных исследований детального механизма каталитических и некаталитических реакций оксида этилена в растворах [5]. Такими катализаторами оказались соли слабых кислот (CH₃COONa, HCOONa, NaHCO₃, Na₂CO₃, Na₂HPO₄ и др.). Механизм катализа этими солями состоит в следующем. В водном растворе молекула оксида этилена активируется путем образования водородной связи с водой:

Смещение электронов связи C-O в образующемся комплексе к кислороду благоприятствует последующей нуклеофильной атаке молекулой воды на атом углерода с образованием этиленгликоля по некаталитической реакции:

Аналогичная нуклеофильная атака этиленгликолем приводит к образованию побочного диэтиленгликоля

Также образуются три-, тетра - и полигликоли.

В присутствии солей слабых кислот возможна нуклеофильная атака анионом, что приводит к промежуточному образованию соответствующего эфира этиленгликоля. Например:

Эти эфиры неустойчивы и быстро гидролизуются с образованием этиленгликоля и регенерацией аниона

Сложение двух последних реакций дает реакцию гидратации оксида этилена, селективно катализируемую анионом бикарбоната:

Поскольку скорость всего процесса лимитируется первой стадией, кинетическое уравнение каталитической реакции имеет вид или с учетом параллельно протекающей некаталитической реакции получаем уравнение, соответствующее приведенному выше уравнению (15):

или с учётом параллельно протекающей некаталитической реакции получаем уравнение, соответствующее приведённому выше уравнению (15):

На скорость побочных реакций (r₁) нуклеофильный катализатор никакого влияния не оказывает, что создает условия для существенного повышения селективности.

Каждая соль слабой кислоты характеризуется своим значением каталитической константы, и, регулируя концентрацию катализатора [Кат], легко получить отношение, необходимое для требуемого выхода этиленгликоля при заданном исходном мольном отношении [H₂O] _0/[ОЭ] ₀. Все эти данные позволяют найти условия осуществления промышленного процесса при низких мольных отношениях [H₂O] _0/[ОЭ] ₀, обеспечивающих существенное снижение энергетических затрат (до десяти раз) на стадии выделения готового продукта. Успешная опытная проверка процесса позволила приступить к его промышленному осуществлению.

Валерий Федорович Швец, доктор химических наук, профессор Российского химико-технологического университета им.Д.И. Менделеева, зав. кафедрой технологии основного органического и нефтехимического синтеза. Область научных интересов: исследования в области кинетики, катализа и механизма органических реакций, моделирование и оптимизация на этой основе промышленных реакторов и технологических схем. Автор более 180 научных работ и трех учебников для вузов.

Биологические процессы, используемые в технологии

Биологические процессы, "подсмотренные" человеком в природе и реализованные в промышленном производстве, получили название биотехнологических.

Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых используются живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.

Термин биотехнология возник еще в начале XX века, однако биотехнологические процессы человечество использует с глубокой древности. Можно выделить такие сферы практической деятельности человека, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, силосование кормов, которые базируются на биотехнологических принципах. Выделяют две группы отраслей, которые охватывает биотехнология:

• отрасли, занятые производством промышленной продукции;

• производство продовольствия, выращивание дрожжей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов; увеличение продуктивности сельского хозяйства; фармацевтическая промышленность, защита окружающей среды и уменьшение ее загрязненности (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отходов, изготовление компоста).

Биотехнология - это новый этап современных биологических знаний и технологического опыта.

Возникнув на стыке различных направлений - микробиологии, биохимии, биофизики, генетики и других наук, базируясь на достижениях фундаментальных исследований, биотехнология стала одним из важнейших факторов развития общественного производства. Она создает возможность получения с помощью легкодоступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей.

Биотехнология сегодня - это многопрофильная и комплексная отрасль производства. Она включает в себя:

• традиционную биотехнологию, основанную на реализации процессов брожения;

• современную биотехнологию, реализованную в процессах микробиологического синтеза, генетической и клеточной инженерии, инженерной энзимологии (белковой инженерии).

К достоинствам биологических процессов относится то, что они используют возобновляемое сырье (биомасса), протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, 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.

Брожение (ферментация) - процесс расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, на более простые соединения под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Этот процесс может осуществляться как с участием кислорода (аэробный процесс), так и без участия кислорода (анаэробный процесс).

Известны различные типы брожения. Они классифицируются или по субстратам, которые подвергаются разложению (например, пектиновое брожение клетчатки и др.), или, чаще, по конечным продуктам: спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др., протекающие в основном анаэробно.

Как сказано выше, одним из основных субстратов многих типов брожения служат углеводы, многостадийно расщепляющиеся в анаэробных условиях под действием ферментов.

Спиртовое брожение осуществляется в основном с помощью дрожжей ряда Saccharomyces и бактерий ряда Zimomonas и завершается образованием этилового спирта.

Этот вид брожения протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этанола (в основном из зерна ржи) - для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности.

В присутствии кислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается.

Видоизмененным типом спиртового брожения является глицериновое брожение.

Молочнокислое брожение вызывается бактериями Lactobacillus и Streptococcus. Молочнокислое брожение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефир, простокваша и др.), квашении овощей (например, капусты), силосовании кормов для животных (в сельском хозяйстве). Пропионово-кислое брожение протекает под действием пропионово-кислых бактерий. Оно используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров.

Масляно-кислое брожение осуществляется бактерией ряда Clostridium и приводит к порче пищевых продуктов, вспучиванию сыра и банок с консервами. Раньше оно использовалось для получения масляной кислоты, бутилового спирта и ацетона.

Метановое брожение начинается с разложения сложных веществ, например целлюлозы, до одно - или двухуглеродных молекул (СО2, НСООН, СН3СООН и др.), которое осуществляют микроорганизмы, живущие в симбиозе (сожительство) с метанообразующими бактериями. Последние и синтезируют метан.

В природе метановое брожение встречается в заболоченных водоемах. Оно используется в промышленности и бытовых очистных сооружениях для обезвреживания органических веществ сточных вод. Образующиеся при этом метан в смеси с углекислым газом используется в качестве топлива.

Под действием некоторых аэробных микроорганизмов протекает брожение, при котором углеродный скелет исходного вещества (субстрата) не подвергается изменениям. К одному из таких видов брожения относится образование уксусной кислоты из этанола (уксуснокислое брожение) под действием т. н. уксуснокислых бактерий.

Микробиологический синтез (промышленная микробиология) - наука, изучающая промышленное получение веществ с помощью микроорганизмов.

Одна из важнейших проблем современности - восполнение дефицита белка на Земле. Чтобы получить необходимое количество белка, необходимо повысить продуктивность растениеводства и животноводства, организовать производство питательных веществ путем микробиологического синтеза. Эти задачи успешно решает промышленная микробиология.

Возможности микробиологической промышленности широко используются в медицине. Одним из мощных современных средств борьбы с инфекциями являются вакцины, производимые путем микробиологического синтеза.

В последнее время в мировой сельскохозяйственной практике все большее внимание уделяется биологическому методу защиты возделываемых культур от вредителей и болезней. Создаются новые бактериальные удобрения и безвредные для окружающей среды средства борьбы с насекомыми-вредителями.

Характеристики

Список файлов книги