Химико-технологический процесс и его содержание (стр. 5 из 6)
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 k0/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.