Электрохимические процессы

Электрохимическими процессами называют такие технологические процессы, в ходе которых электрическая энергия превращается в химическую и, наоборот, химическая - в электрическую.

Преобразование химической энергии в электрическую имеет место в гальванических элементах. Вследствие такого перехода гальванический элемент становится источником постоянного тока.

Если электрическую энергию ввести в химическую систему (раствор или расплав) в виде постоянного тока с помощью электродов, то возникнут химические процессы, которые называют электролизом.

В 30-х годах XIX ст. английский физик Майкл Фарадей открыл законы электролиза. Уже из первых опытов выяснилось, что электролиз имеет большое практическое значение. Тем не менее отсутствие мощных источников постоянного тока замедлили его развитие. После изобретения мощной динамомашины в 1870 г., которая вырабатывала постоянный ток, начали строить электрохимические предприятия, на которые рафинировали медь. С течением времени начали строить заводы для производства алюминия, хлора и т.п.

Электролизом водных растворов получают продукцию неорганической химии: водород, кислород, хлор, едкий натр и др.

Электролиз расплавленных солей используют для производства легких, трудноплавких металлов, рафинирования металлов и получения сплавов. Такие металлы, как алюминий, магний, натрий литий получают лишь электрохимическим способом.

Металлообрабатывающая промышленность использует электрохимические процессы для изготовления изделий из твердых металлов и сплавов, изготовления и размножения металлических копий (гальванопластика) и нанесения покрытий из чистых металлов и сплавов на поверхности металлических изделий.

Главный недостаток электрохимических процессов - большие затраты электроэнергии, стоимость которой составляет основную часть себестоимости продукции. Именно поэтому на предприятиях, где используют электрохимические процессы, необходимо рационально использовать электрическую энергию.

Электрохимические процессы происходят в агрегатах, которые называют электролизерами. Они состоят из ванны, выложенной изнутри кислотостойкими материалами, электродов (анода и катода), вспомогательных механизмов и устройств. Через электролит (раствор или расплав), которым заполняют ванную, от положительного электрода (анода) к отрицательному (катоду) проходит постоянный электрический ток.

Электроды могут быть твердыми (например, изготовленные из меди, железа, графита и т.п.) и жидкими (из ртути).

На аноде происходят реакции растворения или окисления металла, на катоде - его выделение или восстановление. Например, в процессе электролиза водного раствора хлорида натрия (NаСl) на аноде выделяется хлор, а на катоде – водород; в процессе рафинирования меди анод, изготовленный из червленой меди, растворяется, а на катоде выделяется чистая медь. Вследствие чего размеры анода уменьшаются, а катода увеличиваются. Примеси переходят в электролит.

Биохимические процессы

Биохимическими называют такие технологические процессы, в ходе которых главным двигателем являются выбранные микроорганизмы.

Микроорганизмы - это бактерии и микроскопические грибки. Микроорганизмы могут жить в разных средах: одни из них для жизни не требуют кислорода - анаэробы, другие без кислорода не могут жить – аэробы. Есть еще и такие, которые прекрасно чувствуют себя в ядерном реакторе. Существуют микроорганизмы, которые живут в вакууме, а также такие, которые выдерживают давление свыше 100 Мпа. В технологии наиболее частое используют микроорганизмы – аэробы.

Биохимические процессы служат основой биотехнологии - науки о получении продукции с использованием биохимических процессов.

Биотехнология основывается на достижениях биохимии, микробиологии, молекулярной биологии и широко используется в пищевой, фармацевтической, горнорудной и химической промышленностях, в процессе очищения сточных вод и т.п.

Плодами биотехнологии пользуются давно: брожению теста содействуют дрожжевые грибки, скисанию молока - молочнокислые бактерии и т.п.

Научное понимание этих процессов пришло лишь в XIX ст. благодаря работе французского ученого Луи Пастера. И лишь через столетие после этого открытия микроскопические грибки и бактерии стали использовать в промышленности.

Сегодня с помощью микроорганизмов получают разнообразнейшую продукцию: антибиотики, витамины, аминокислоты и белки, микробиологические средства защиты растений, спирты, животные корма и т.п. Интерес к биотехнологии постоянно возрастает.

Микробиологические процессы происходят в основном при невысоких температуре и давлении в довольно простом по конструкции оборудовании: благодаря этому упрощается технологический процесс, уменьшаются капиталовложения и эксплуатационные затраты.

Для культивирования микроорганизмов используют дешевое сырье, например, сточные воды, побочную продукцию промышленных предприятий.

Сырьем для микробиологического синтеза выступают нефть и ее компоненты, природный газ, сыворотка, полученная при производстве сыра, а также отходы целлюлозно-бумажной промышленности.

Технологический процесс микробиологического синтеза многостадийный:

• приготовление и стерилизация питательной среды,

• сохранение микроорганизмов и их размножение в лаборатории

• получение микроорганизмов в цехе,

• брожение,

• выделение продукции,

• упаковка и сохранение готовой продукции.

Основной стадией является брожение. Этот процесс проходит в агрегатах, где содержится сырье. Здесь созданы все необходимые условия для нормального прохождения процесса: стерильность среды, постоянное перемешивание, аэрирование, соответствующая температура.

Белками называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Белки бывают естественного и искусственного происхождения. В мире ощущается недостаток естественных белков, поэтому их получают искусственным способом. Одним из важнейших направлений развития биотехнологии является усовершенствование белков и увеличение их количества.

Кормовые белки получают из сырья растительного и минерального происхождения. Из растительного сырья получают гидролизные дрожжи, а из минерального - белково-витаминный концентрат (БВК). Гидролизные дрожжи очень распространены в природе, в особенности там, где есть сахаристые вещества (ягоды, фрукты, молочные продукты и т.п.). Для производства дрожжей необходимо иметь питательную среду, в которой их можно было бы выращивать. Питательную среду получают гидролизом растительного сырья (например, соломы). В процессе гидролиза целлюлоза, которая содержится в этом сырье, расщепляется и переходит в раствор, а лигнин (от лат «Ііgпит» - дерево: составная часть ствола дерева, стеблей растений) остается твердой. Процесс гидролиза энергоемкий, и несмотря на присутствие катализаторов (соляной, серной и других кислот) происходит при условии нагревания сырья при температуре 180°С. Полученный гидролизат (кислый раствор сахаров) нейтрализуют - и питательная среда готова для выращивания микроорганизмов в бродильниках. Полученную дрожжевую биомассу концентрируют, нагревают, высушивают и пакуют. Из одной тонны отходов древесины можно получить до 250 кг кормовых дрожжей, а из такого самого количества кукурузных до 280 кг.

Белково-витаминный концентрат вырабатывают из очищенных парафинов, природного газа, этилового спирта и т.п., к которым добавляют элементы минерального питания: азот, фосфор, калий, железо, цинк, и т.п.. Кроме того, питательная среда содержит в микродозах молибден, медь, кобальт, кальций, никель, серу и т.п.. Недостаточность в питательной среде какого-нибудь элемента из группы минерального питания служит причиной изменения развития клеток и их состава.

Природный газ является лучшим сырьем для производства БВК, чем парафины, поскольку в биомассе содержится до 70% сырого протеина (от греч. - первое место). Протеин - это простой белок, а БВК, полученный из этилового спирта – более качественный.

Биохимические процессы позво­лили бы перестроить целые отрасли: пищевую и химическую промышленность, сельское хозяйство. Однако еще не решены проблемы фиксации атмосферного азота синтеза белков, жиров и углеводов, использования оксида углерода из атмосферы для органического синтеза и некоторые другие.