РОЛЬ ДАВЛЕНИЯ В ЖИДКОФАЗНЫХ И ТВЕРДОФАЗНЫХ ПРОЦЕССАХ

Для процессов, протекающих вжидкой фазе, при­менение повышенного давления эффективно лишь при его значениях более 200 МПа. Примером может служить жидкофазная гидратация этилена при получении этило­вого спирта (С₂Н₄ + Н₂ОàС₂Н₅ОН) либо его полиме­ризация в производстве полиэтилена высокого давления. В последнем случае уже при давлении 200 МПа и темпе­ратуре 200 °С плотность газообразного этилена очень близка к плотности жидкости. В существующих техноло­гических процессах производства полиэтилена давление достигает 300 МПа. Подобное повышение давления бла­гоприятствует образованию полиэтилена большей плот­ности, уменьшает разветвленность и количество непре­дельных групп в структуре макромолекул.

Однако при таком давлении влияние температуры и агрегатного состояния проявляется в очень противоре­чивой форме. С одной стороны, повышение температуры ускоряет распад инициатора и увеличивает скорость по­лимеризации, с другой — с повышением температуры уменьшается молекулярная масса и плотность полимера, в результате качество полиэтилена высокого давления как одного из лучших диэлектриков для высокочастот­ной техники несколько ухудшается. Фазовое состояние реакционной смеси также влияет на эффективность про­цесса. В гомофазной системе Ж - Ж преобладают про­цессы роста молекулярной цепи с образованием неболь­шого числа коротких боковых ответвлений. В гетерофазной системе Г — Ж — Т образуется большое число молекул с длинными боковыми ответвлениями, сильно ухудшающими качество полимера. По этой причине по­лимеризацию этилена под высоким давлением проводят в гомофазной системе Ж — Ж, а подготовительные и за­вершающие операции — в гетерофазных системах типа Г-Ж либо Ж - Т.

Другая область применения высокого давления — жидкофазная пропитка пористых материалов и изделий. Применение для этой цели высокого гидростатического давления (3000 МПа) в многих отраслях промышленно­сти сокращает продолжительность пропитки с несколь­ких суток до 10-30 с. В ряде случаев удается совмеще­нием нескольких технологических операций одновремен­но с пропиткой производить уплотнение и формообразо­вание (профилирование). Например, древесину железно­дорожных шпал, мебельных изделий, шахтного крепеж­ного леса обрабатывать антисептиками, консервантами, синтетическими смолами или лаками. Это исключает длительную и энергоемкую сушку, позволяет использо­вать плохосмазываемые и даже высоковязкие жидкости без подогрева. Ориентировочный годовой экономический эффект от использования этого способа только в лесо­обрабатывающей промышленности оценивается в 10 млн. руб. В настоящее время пропиткой пористых материалов и изделий жидкостью под высоким гидроста­тическим давлением осуществляют консервирование и гидролиз древесины, изготовление древесных пласти­ков, изготовление высоковольтных пленочных конденса­торов, антифрикционной металлокерамики и т. д.

Для процессов, протекающих в твердой фазе, ввиду незначительной сжимаемости твердых тел эффек­тивными являются лишь сверхвысокие давления ~ 10000 — 250000 МПа. При таких больших сжатиях про­исходит перестройка электронных оболочек атомов, де­формация молекул и сдвиг фазов'ого равновесия. Как правило, это заканчивается образованием новых химиче­ских связей, которые обладают большой прочностью. Подобный принцип воздействия на вещество положен в основу создания новых материалов с необходимыми свойствами. Сейчас сверхтвердые материалы типа эльбе-ра, боразона и синтетических алмазов получают при тем­пературах 1600 — 2400 °С целенаправленными полиморф­ными превращениями в кристаллической структуре. Так, графит в результате перегруппировки атомов углерода в кристаллической решетке переходит в синтетический алмаз. Гексагональная структура нитрида бора транс­формируется до кубической, что придает полученным кристаллам твердость, превышающую твердость алмаза.

Техника получения сверхвысоких давлений уже сейчас обеспечивает возможность сжатия материалов до 10⁶ — 10⁸ МПа. Это открывает большие возможности по­лучения совершенно новых сплавов большой твердости, прочности и жесткости либо создания неметаллических материалов с металлическими свойствами. Например, серый чугун после его обработки высоким давлением на­поминает по механическим характеристикам высокосорт­ную сталь, а неметаллы (сера, иод) и металлоиды (напри­мер, селен) приобретают ярко выраженные металличе­ские свойства.

Таким образом, сверхвысокие давления значительно расширяют диапазон возможностей в создании новых материалов и прогрессивной технологии их переработки. В будущем обработка высоким давлением станет такой же обычной, как и современные высокотемпературные процессы.

Глава 9 БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящее время все большее значение приобретает применение биохимических процессов в различных отрас­лях народного хозяйства, для производства продукции, используемой в медицине, сельском хозяйстве и раз­личных отраслях промышленности.

Под биотехнологическими процессами понимается техническое использование биохимических процессов, протекающих в живой клетке.

Большинство биохимических реакций в организме являются каталитическими. Чтобы процессы в живых клетках протекали с большей скоростью в неопти­мальных условиях (отсутствие высокой температуры и высокого давления), нужны биологические катализа­торы, по своей эффективности значительно превышаю­щие катализаторы, используемые промышленностью.

Биологические катализаторы характеризуются такими свойствами, как высокая активность и селективность, большая скорость превращений, сравнительно низкая температура процессов (20 — 40 °С), отсутствие необходи­мости повышенного давления. Использование принципов биологического катализа, осуществляемого природой, в промышленном масштабе позволяет по-новому пере­строить целые отрасли промышленности, значительно расширяет ресурсы для сельского хозяйства и ассорти­мент лекарственных препаратов.

Биологическими катализаторами являются синтези­руемые в организмах ферменты (или энзимы), гормоны, а также вносимые извне витамины. Наибольшее значение для науки и техники имеет ферментативный катализ. Из­вестны технологические процессы, основанные на приме­нении ферментов в качестве технических катализаторов. Однако таких процессов в промышленности мало, меха­низм ферментативных превращений недостаточно изучен, а ферменты, выделенные из клетки и находящиеся в «изолированном» виде, достаточно дороги, высокочув­ствительны, легко разрушаются и т. д.

В промышленности биологические процессы осущест­вляются при помощи микроорганизмов, в состав клеток которых, также как и в состав других живых клеток, вхо­дят белки, ферменты, аминокислоты, липиды, витамины и другие органические вещества. В результате активности находящихся в клетке ферментов не только увеличивает­ся биомасса клеток, но и синтезируются различные ценные внеклеточные вещества. Биомассу можно исполь­зовать как источник получения пищевых продуктов (дрожжи) и в животноводстве.

При оптимальных условиях в промышленности мож­но получить до 100 г/л сухой биомассы. Бактерии за сут­ки могут переработать объем веществ, в 30 — 40 раз пре­вышающий массу самих клеток. При выращивании кор­мовых дрожжей в 1 м³ питательной среды за 1 ч можно получить около 3 кг биомассы дрожжевых клеток в пере­счете на сухое вещество. Это означает, что за сутки с ка­ждого 1 м³ аппарата (биохимического реактора) можно • получить около 30 кг белков. Для получения такого же количества животных белков в сутки необходимо дер­жать 100 коров, а для производства такого же количества растительных белков потребовалось бы 18 га посевов гороха.

Огромное значение для интенсификации сельского хо­зяйства имеют микробиологические процессы производ­ства кормовых дрожжей, бактериальных удобрений, бактериальных средств защиты растений. Биотехнологиче­ские процессы (молочно-кислое, дрожжевое, спиртовое, виннокислое брожение) веками используются человеком в пищевой промышленности. Большое применение имеет микробиологический процесс производства аминокислот (лизина, триптофана, глутаминовой кислоты и др.), липидов, полисахаридов, витаминов, гормонов, антибиотиков и ферментных препаратов. В перечисленных областях ми­кробиологические методы высокоэффективны и не имеют себе равных.

В последнее время получили широкое распростране­ние микробиологические процессы производства органи­ческих кислот, спиртов, растворителей, микробиологиче­ская очистка сточных вод, т. е. процессы, ранее тради­ционно осуществляемые химическими, физико-химиче­скими и физическими методами.

По сравнению с химическими и физико-химическими микробиологические процессы имеют ряд преимуществ: реакции протекают при сравнительно низкой температу­ре, нормальном давлении, в сравнительно простом по конструкции оборудовании. Благодаря этому упрощается технологический процесс, снижаются капиталовложения и эксплуатационные расходы.

Для культивирования микроорганизмов обычно ис­пользуют дешевое и недефицитное сырье, например по­бочные продукты промышленности и сточные воды. В качестве источников сырья в микробиологическом син­тезе широко используют нефть, продукты и отходы ее переработки, природный газ, сапропель (озерный ил), ме­лассу, представляющую собой побочный продукт сахар­ной промышленности, молочную сыворотку, являющую­ся отходом при производстве сыра, казеина и творога, а также отходы производства основной химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Основанные на процессах жизнедеятельности микро­бов, микробиологические процессы подразделяются на аэробные, идущие в атмосфере кислорода, и на анаэ­робные — в отсутствии последнего. В технике наиболь­шее значение имеют аэробные процессы. Задачи совре­менной микробиологии настолько разнообразны, что в настоящее время из нее выделился ряд специальных дисциплин: техническая, пищевая, сельскохозяйственная, медицинская, санитарная микробиология и т. д.