Эти процессы сходны с каталитическими по механизму ускорения химических реакций, которые с участием соответствующих возбудителей идут по иному пути, чем в их отсутствие. Возбудителями служат световые излучения (фотохимические процессы), ионизирующие излучения высокой энергии (радиационно-химические процессы) и биохимические катализаторы – ферменты микроорганизмов.
Применение биохимических процессов в химической технологии имеет особенно большое будущее. В живой природе под действием высокоактивных биологических катализаторов – ферментов и гормонов – происходят всевозможные биохимические и каталитические реакции. Они происходят в атмосферных условиях (без повышения температуры, давления) с высоким выходом.
Техническая микробиология изучает новые биохимические методы производства самых разнообразных химических продуктов. Уже сейчас осуществлены на практике микробиологические синтезы антибиотиков, витаминов, гормонов. Особенно важное значение имеет использование биохимических методов для синтезе пищевых продуктов, в частности белков. Известно, что в мире ощущается недостаток белковых продуктов, и одним из основных путей расширения пищевых ресурсов является реализация производства белков биохимическими методами с помощью микроорганизмов. В промышленности давно используются следующие биохимические процессы – биологический синтез белковых кормовых дрожжей, различные формы брожения с получением спиртов и кислот, биологическая очистка сточных вод и т.п.
В настоящее время применяется синтез различных белковых материалов в промышленных масштабах народного хозяйства, в основном микробиологическим синтезом, ферментными системами микроорганизмов, а также промышленное использование микробиологического синтеза белков из легких масел, нормальных парафинов, метанола, этанола, уксусной кислоты и других органических соединений, получаемых преимущественно из нефти. Используя для микробиологического синтеза всего 4 % современной мировой добычи нефти, можно обеспечить белковый рацион 4 млрд. человек, т. е. почти все население земного шара.
С помощью некоторых бактерий, усваивающих водород, можно вовлечь в реакцию кислород и атмосферный диоксид углерода, при этом получить формальдегид и воду. Таким образом, бактерии синтезируют очень нужный химической промышленности формальдегид и очищают воздух от двуокиси углерода. Кроме того, сами бактерии могут быть использованы для производства кормов, так как наполовину состоят из полноценного белка.
Микробиологические процессы широко применяются в гидролизной промышленности при сбраживании сахаристых веществ в получении спиртов, виноделии, изготовлении кормовых дрожжей, в сыроварении, при обработке кож и т.п.
Биохимические процессы используются также для извлечения белков и углеводов из травы, древесных и сельскохозяйственных отходов, изготовления искусственной пищи из водорослей (таких, как хлорелла), синтеза пищевых масел, сахаров, жиров.
Радиационно-химические процессы происходят при действии ионизирующих излучений высокой энергии – электромагнитных излучений (рентгеновское излучение, a-излучение) и заряженных частиц высокой энергии (ускоренные электроны, b- и a- частицы, нейтроны). При облучении реагирующих веществ сначала происходит столкновение заряженных частиц с молекулами веществ с образованием нестабильных активированных молекул; последние распадаются на атомы или взаимодействуют с невозбужденными молекулами, образуя ионы и свободные радикалы, которые, взаимодействуя друг с другом или с непревращенными молекулами, образуют конечные продукты. Радиационно-химические процессы протекают с высокой скоростью, так как энергия активации резко снижается по сравнению с реакциями неактивированных молекул, энергетический барьер радиационно-химических реакций невелик (около 20 – 30 кДж/моль), поэтому радиационно-химические процессы могут осуществляться при относительно низких температурах.
В промышленности применяют многие реакции промышленного синтеза – галогенирования, сульфирования, окисления, присоединения по двойной связи и др. Большое значение радиационные методы имеют в технологии высокомолекулярных соединений, особенно в целях повышения механической прочности и термической стойкости полимеров путем «сшивания» макромолекул. В настоящее время применяется процесс радиационной вулканизации каучука; разработаны радиационно-химические методы производства прочных и термостойких изделий из полимеров (пленки, трубы, кабельная изоляция и др.).
Фотохимические реакции происходят в природе и сравнительно давно используются промышленностью. Фотохимическими называются реакции, вызываемые и ускоряемые действием света. Их элементарный механизм состоит в активации молекул при поглощении фотонов. Большинство промышленных фотохимических реакций происходит по цепному механизму, т. е. молекулы, поглотившие фотон, диссоциируют, и активированные атомы или группы атомов служат инициаторами вторичных реакций. По такому типу протекают галогенирование углеводородов и других веществ, синтез полистирола, сульфохлорирование парафинов и т. п. Природный фотосинтез требует непрерывного подвода световой энергии. Синтез углеводородов из диоксида углерода воздуха совершается под действием солнечного света, поглощаемого пигментом растений – хлорофиллом (аналог гемоглобина крови). Квант лучистой энергии, поступая в реакционную смесь при ее облучении, является «активной частицей», передающей свою энергию для возбуждения атомов и молекул. Величина кванта энергии должна быть соответствующей энергии активации, это определяется длиной волны излучения. Так, например, известно, что фотобумагу проявляют при красном свете, так как длина волны красного излучения большая, и квант энергии недостаточен для возбуждения реакции разложения бромида серебра.
Механизм фотохимических реакций может быть различен.
1. Реакция возможна, но идет с очень малой скоростью. Под действием излучения концентрация активных частиц увеличивается, реакция переходит в режим цепных и идет самопроизвольно с увеличивающейся скоростью. Например, смесь H 2 и Cl 2 может сохранятся очень долго, но при ультрафиолетовом облучении она реагирует со взрывом. Для реакций этого типа квантовый выход очень высокий. Квантовый выход – это отношение числа полученных молекул к числу поглощенных квантов энергии j.
2. Реакция невозможна без дополнительного поступления энергии в систему. Если эта энергия поступает в виде излучения, то квантовый выход близок или равен единице (фотосинтез в растениях).
Квантовый выход может быть и меньше единицы, если кванты лучистой энергии расходуются на побочные процессы. Примером применения фотохимических процессов в машиностроении и приборостроении является фототравление, когда под действием ультрафиолетового излучения ускоряется процесс растворения металла или полупроводника в тонком слое травителя.
При фотокаталитических процессах фотоны поглощаются не регентами, а катализаторами, ускоряющими химическую реакцию, то есть реакция ускоряется в результате суммарного действия катализатора и световой энергии.
Плазмохимические процессы возможны при сильном нагревании веществ, в процессе которого происходит термическая диссоциация, и молекулы газовой фазы разлагаются на атомы, превращающиеся затем в ионы. Плазма – это ионизированный газ, содержащий заряженные частицы: газовые ионы и свободные электроны. В химической промышленности используется низкотемпературная плазма, в которой кроме газовых ионов и свободных электронов содержатся недиссоциированные молекулы. Плазмохимические процессы интенсифицируют химические реакции, а потому являются перспективными. Плазмохимические процессы – получение ацетилена и технического водорода из метана природного газа; этилена и водорода из углеводородной нефти; синтез цианистого водорода из азота и углеводородов; получение пигментного диоксида титана и др.
Большое будущее имеет осуществление процесса прямого синтеза оксида азота в плазме из атмосферного воздуха. Этот способ заменит многостадийный метод синтеза и окисления аммиака.
Прогрессивные виды технологий
Необходимость постоянного обновления продукции в соответствии с требованиями рынка, решение экологических проблем и потребность в высокоэффективном производстве обусловливают не только постоянное совершенствование традиционных технологических процессов, но и создание новых технологий, список которых обширен. Возможно также сочетание в одном технологическом процессе сразу несколько технологий. В ряде случаев элементы новых технологий удачно дополняют традиционные технологические процессы, например, комбинированные технологии: магнитно-абразивная, плазменно-механическая, лазерно-механическая и другие.
К прогрессивным и наиболее значимым современным технологическим процессам относятся: электронно-лучевая, лазерная, мембранная технология и порошковая металлургия.
Среди множества новых технологий лазерная технология является одной из самых перспективных. Благодаря направленности и высокой концентрации лазерного луча удается выполнять технологические операции, невыполнимые каким-либо другим способом. С помощью лазера можно вырезать из любого материала детали сложнейшей конфигурации, причем с точностью до сотых долей миллиметра, раскраивать композитные и керамические материалы, тугоплавкие сплавы, которые вообще не поддаются резке каким-либо другим способом. Лазерный инструмент все чаще применяют вместо алмазного, так как он дешевле и во многих случаях может заменять алмаз.