Температура плавлення наночастинок

Залежність поверхневої енергії від розміру наночастинки визначає зв'язок між розміром частинки, з однієї сторони, і тиском насиченої пари над нею і температурою плавлення наночастинки, з другої сторони.

Залежність температури плавлення нанокристалічних частинок від розміру r можна записати у вигляді:

Т_м (r) = Т_м (1 – C/r),

Де С – постійна, яка залежить від густини і теплоти плавлення матеріалу і його поверхневої енергії.

Мінімальне число атомів в кластері дорівнює 2. Верхня границя числа атомів в кластері відповідає такому числу атомів, коли добавка ще одного атома уже не змінює властивості кластера.

Хімічні властивості кластера не змінюються, коли число атомів в ньому досягає 1 – 2 тисячі.

 

 

2. Технологія виробництва нанокристалічних матеріалів.

Одержання нанокристалічних матеріалів здійснюється наступними методами:

1. Конденсація на підкладку.

2. Компактування нанопорошків.

3. Кристалізація аморфних сплавів.

4. Інтенсивна пластична деформація.

5. Перетворення порядок – безпорядок.

Розглянемо метод кристалізації аморфних сплавів.

Аморфні фази (металеве скло) отримують різними методами, основою яких являється швидкий перехід компонентів сплава із рідкого стану в твердий. Металеві аморфні структури мають високу твердість, високу магнітну проникність, малу коерцитивну силу, високу міцність. Ці властивості можна ще покращити, якщо за допомогою кристалізації створити в аморфній фазі нанокристалічну структуру. Для цього стрічку аморфного металу відпалюють при певній температурі. Відпал здійснюють так, щоб виникло велике число центрів кристалізації, а швидкість росту кристалів була низькою. Бар’єром для росту кристалів слугує аморфна фаза.

Метод інтенсивної пластичної деформації. В цьому методі використовуються такі способи: прокатка, всестороння ковка, рівноканальне кутове пресування, кручення під гідростатичним тиском.

Відомо, що в процесі деформації в сплавах підвищується густина дислокацій, зменшення розміру зерен, збільшується концентрація точкових дифектів та дифектів упаковки. В той же час цей метод дозволяє отримувати матеріал з пракично безпористою структурою.

Перетворення порядок – безпорядок.

Ці перетворення здійснюються в сильнонестехіометричних структурах: карбідах М Су і нітрідах М Nу: (VC_{0, 875} - V₈ C₇).

 

 

Лекція13. Біотехнології таїх застосування

в народному господарстві

План

1. Етапи становлення біотехнології як науки та галузі виробництва.

2.Суть біотехнологічних процесів, їхня відмінність, переваги

і проблеми порівняно з традиційними технологічними процесами.

3.Типова схема біотехнологічного виробництва і Ті основні складові.

3.1.Живильні середовища— сировина біотехнологічних проце­сів.

3.2.Продуценти як основа біотехнологічних виробництв.

3.3.Процес ферментації.

3.4.Ферментатори або біореактори.

3.5.Виділення, очищення і концентрування продуктів ферментації.

3.6.Виробництво кормової мікробної біомаси як типовий при­клад біотехнологічного процесу.

4. Основні сфери застосування біотехнологій.

4.1.Харчова промисловість.

4.2.Медицина.

4.3.Сільське господарство.

4.4.Охорона навколишнього середовища, енергетика,
5. Біотехнологія і майбутнє,

Література 4, 5, 6

1. Етапи становлення біотехнології як науки та галузі виробництва

Біотехнологія (від грецького Ьіоз— життя, техно - мистецтво, майстерність і 1оgоs— слово, навчання)— це викорис­тання живих організмів і біологічних процесів у виробництві.

З найдавніших часів людина використовувала біотехнологічні процеси при хлібопечінні, приготуванні кисломолочних продук­тів, у виноробстві і т. д., але лише завдяки роботам Л. Пастера в середині XIX ст,, що довели зв'язок процесів шумування (бродін­ня) з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія одер­жала наукову основу, У 40—50-ті роки XX ст., коли був здійсне­ний біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалася ера антибіотиків, що дала поштовх розвитку мікробіологічного синте­зу і створенню мікробіологічної промисловості. У 60—70-ті роки XX ст. почала бурхливо розвиватися клітинна Інженерія. ЗІ ство­ренням у 3972 групою П. Берга в США першої гібридної молеку­ли ДНК іп vitro формально пов'язане народження генетичної ін­женерії, що відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли робити необхідні людині продукти і здійснювати необхідні процеси. Ці два напря­ми визначили образ нової біотехнології, що майже не має нічого спільного з тією примітивною біотехнологією, яку людина вико­ристовувала протягом тисячоліть. Показово, що в 70-ті роки одер­жав поширення і самий термін " біотехнологія". З цього часу біо­технологія нерозривно пов'язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією. За стислий період свого розвитку {25—30 років) сучасна біо­технологія не тільки домоглася істотних успіхів, а І продемонстру­вала необмежені можливості використання організмів і біологіч­них процесів у різноманітних галузях виробництва.

2. Суть біотехнологічних процесів, їх відмінності, переваги і проблеми порівняно з традиційними технологічними процесами

Існує багато визначень поняття " біотехнологія", у чомусь схожих, але інколи суттєво відмінних.

Найбільш повне таке визначення: біотехнологія — це застосуван­ня наукових та інженерних принципів для переробки речовин органіч­ної і неорганічної природи біологічними агентами з метою одержання цінних продуктів та послуг. Біологічними агентами можуть бути будь-які природні біокаталізатори - клітини мікроорганізмів, рос­лин чи тварин або ферменти, що містяться в них.

Чому ж клітини можуть легко перетворювати речовини будь-якої природи і при цьому таким чином, що з ними не в змозі конкурувати навіть завод з най­сучаснішою могутньою апаратурою? Справа в таму, що будь-яка клітина містить набір різноманітних біокаталізаторів — ферментів.

Ферменти - це спеціалізовані макромо­лекули білку, здатні каталізувати перетворення різних речовин. Реакції, що про­ходять при фізичних і хімічних умовах, сумісних з біологічним життям, були бне­можливі без ферментів. Підрахували, що фермент здатний здійснити 100 тис. молекулярних перетворень за хвилину, ці ж реакції без ферменту тривали б 10 млрд років!

Мільйони років біологічної еволюції довели до досконалості унікальну білко­ву структуру ферменту. Насамперед біокоталізатори — це високоспецифічні системи. Кожен фермент є каталізатором хімічної реакції певного типу. Ця уні­кальна здатність приводить до того, що реакції, які каталізуються ферментами, йдуть з 100%-м виходом і без побічних продуктів, чого неймовірно важко досягти без біокаталізатора. Саме завдяки найтоншій специфічності цього процесу мо­жлива сувора координація та впорядкованість тисяч реакцій, здійснюваних у жи­вій клітині.

Друга істотна перевага ферментів — їх висока каталітична активність. Напри­клад, амілаза, що каталізує розщеплення крохмалю, здійснює гідроліз 1Г10 моле­кул субстрату за хвилину. Присутній в еритроцитах фермент карбоангідраза за цей же час встигає з'єднати воєдино 36 млн молекул вуглекислого газу і води. І при цьому така фантастична ефективність каталізу реалізується в дуже помір­них, зпогляду хімії, зовнішніх умовах: невисока температура, фізіологічні значен­ня рН, нормальний атмосферний тиск.

Клітини мікроорганізмів мають унікальну властивість — здатність до швидкого росту і розмноження. Усього лише за 20—30 хв бактеріальна клітина збільшу­ється в розмірі вдвічі і поділяється навпіл. Клітина тваринного організму прохо­дить цей цикл за 24 години. Якщо зовнішні умови сприятливі для мікроорганізмів, розвиток клітини вступає у фазу інтенсивного розмноження і їхня чисельність зростає в геометричній прогресії. Якщо клітина цілиться через кожні 20 хв, за добу воно дасть потомство, що дорівнює 4, 7 ' 10¹¹ клітинам. Через таку швид­кість росту обмін речовин бактеріальної клітини відрізняється високою інтен­сивністю. Для забезпечення своїх біосинтетичних потреб бактерія зацікавле­на в надходженні живильних речовин ззовні з такою швидкістю, що не буде лімітувати нарощування маси клітин. А швидкість надходження речовин у клі­тину регулюється тонкою оболонкою — клітинною мембраною. Чим більша поверхня мембрани і менший внутрішній об'єм клітини, тим більша можливість надходження до неї живильних речовин в одиницю часу. Закони математики свідчать, що відношення зовнішньої поверхні до об'єму для структур типу сфе­ри різко зменшується при збільшенні її діаметра. Тому саме є дрібних клітинах мікроорганізмів цей параметр найбільший. Він дорівнює 12 х 10⁶ м^-1 для бак­терії, діаметр клітин якої 0, 5 мкм. У людини масою 90 кг цей параметр менше майже в мільйон разів. Ось чому нарощування мікробної біомаси йде темпа­ми, недоступними для тварин. Наприклад, корова, що важить 500 кг, за добу дає 0, 5 кг білка. За такий же час 500 — кілограмова маса клітин дріжджів син­тезує 50 т білкових речовин, а бактерії накопичують білок ще швидше, ніж дрі­жджі.

Завдяки специфічним властивостям мікроорганізмів істотні пе­реваги біотехнологій порівняно з традиційними видами технологій приводять до наступного:

• біотехнологічні процеси мають низьку енергоємність;

• майже безвідходні та екологічно чисті;

• не залежать від кліматичних умов, можуть проводитись протя­гом цілого року;

• використовують незначні площі, що суттєво порівняно з сільськогосподарським виробництвом;

• використовують стандартне устаткування і препарати.

У той же час розвиток промислової біотехнології (БТ) створює ряд екологічних проблем, що також повинно прийматися до уваги.

Особливістю БТ виробництва є невелике утворення твердих від­ходів при одночасному використанні великої кількості води і пові­тря (в аеробних процесах).

На будь-якому БТ виробництві постійно вирішується два за­вдання:

• промислова асептика— усунення потрапляння сторонньої мікрофлори в середину біореактора;

• виключення потрапляння мікробів— продуцентів у повітряні
чи водяні викиди, тобто охорона навколишнього середовища.

Хоча у БТ використовуються тільки непатогенні штами мікробів, потрапляння клітин у живому і навіть у вбитому вигляді в повітря­не середовище небажане, тому що може викликати алергічні реакції у населення. Для цього на підприємствах передбачено вологе очищення повітря, що виходить із всіх апаратів. Система водовикористання в БТ є більш складною, ніж навіть у хімічному виробництві, оскільки, крім оборотного водопостачання, необхідного для підтримки теплового режиму в біореакторах, по­трібна велика кількість технологічної води для приготування живильних середовищ з дотриманням вимог ДСТ, а також для проми­вання, елюірування та інше.

3. Типова схема біотехнологічного виробництва і її основні складові

За спрямованістю всі біотехнологічні виробництва мож­на умовно поділити на дві групи. Перша має на меті одержання мак­симально можливої кількості біомаси, а друга — максимум виходу продуктів життєдіяльності клітин. Продукти першої групи — хлібо­пекарські дріжджі, біомаса нежиттєздатних клітин як джерело кор­мового білка і вітамінів, спори з токсинами {препарати для захисту рослин від шкідників) і т. п. Виробництва другої групи продукують органічні кислоти, ферменти, амінокислоти, антибіотики та інше. При цьому клітини продуцента є відходом виробництва і підляга­ють утилізації.

Незважаючи на різні цілі, загальна схема біотехнологічного ви­робництва в обох випадках може бути представлена у вигляді таких стадій:

• підготовка живильного середовища для культивування проми­слового мікроорганізму— продуцента;

• одержання чистої культури продуцента;

• проведення основної ферментації— культивування продуцента;

• виділення та очищення кінцевого продукту;

• одержання товарних форм продукту.

Продуценти— штами мікроорганізмів, що мають найвищу про­дуктивність.

Штами — чиста культура мікроорганізму чи вірусу (неклітинна форма), одного чітко вираженого виду, що відрізняється від іншої культури того ж виду фізіологічними властивостями.

Нижче наведена біотехно.югічна система, що включає проду­цент, живильне середовише та культивування продуцента.

Особливу перевагу мають ферменти, (мобілізовані на носіях, що має істотні переваги: зростання стабільності, оптимізація рН для каталітичної активності, одержання більш чистих продуктів, полег­шення відновлення і повторного використання, зниження інгібіру-вання ферментів.

3.3. Процесферментації

Ефективність біотехнологічного виробництва визначається про­веденням процесу основної ферментації.

Ферментація — це сукупність послідовних операцій від внесення в заздалегідь приготовлене і нагріте до необхідної температури живиль­не середопище посівного матеріалу і до завершення процесу росту клі­тин чи біосинтезу цільового продукту.

По закінченню ферментації утворюється складна суміш, що складається з клітин продуцента, розчину неспожитих живильних компонентів і продуктів біосинтезу, що нагромадилися в середови­щі. Таку суміш називають культу -рал ьною рідиною.

Процес ферментації може здійснюватися двома способами:

• поверхневого культивування, коли вирощування виробничої куль-­
тури роблять у середовищі, що містить тверді частки субстрату;

• глибинного культивування, коли вирощування тієї ж культури
мікроорганізмів відбувається у всьому об'ємі рідкого живиль­ного середовища, що містить розчинений субстрат.

Більш розповсюдженим у мікробіологічній промисловості є ме­тод глибинного культивування, тому що він дозволяє за одиницю часу в одиниці об'єму виробляти більшу кількість цільового проду­кту порівняно з поверхневим способом.

Більшість культур мікроорганізмів, що використовуються у су­часному виробництві, є аеробними, тобто вимагають присутності кисню в середовищі, що досягається шляхом забезпечення необхід­ної концентрації розчиненого кисню в рідкому живильному середо­вищі. Крім того, застосовуються й анаеробні процеси.

Розрізняють такі види аеробної й анаеробної ферментації: гли­бинна, поверхнева, періодична, безупинна, з імобілізованим проду­центом, газова й ін.

Вид і спосіб проведення основної ферментації вибирається для кожного конкретного виробництва, виходячи з природи продуцен­та, заданої продуктивності, властивостей кінцевого продукту та ін­ших мотивів.

.4. Ферментатори або біореактори

Ферментацію здійснюють у ємкісних апаратах, що називаються ферментаторами, чи ферментерами, або біореакторами. Такий апарат повинен забезпечувати:

• ріст і розвиток популяції мікроорганізмів в об'ємі рідкої фази;

• підведення живильних речовин до клітин мікроорганізмів;

• відведення від мікробних клітин продуктів їхнього обміну ре­човин (метаболізму);

• відведення із середовища утвореного клітинами тепла.
Найпростіший ферментер складається з ємкості 1, що визначає робочий об'єм апарата, системи введення і виведення рідинних і газових потоків 2, системи перемішування 3, що забезпечує най­більш повне змішування компонентів живильного середовища, си­стеми диспергування повітря (при проведенні аеробних проце­сів) — барботера 4, пристроїв для відведення тепла чи нагрівання - змійовика 5 і сорочки 6.

 

 

 

Апарат для глибинного культивування

мікроорганізмів (ферментер):

/— ємкість; 2— система введення і

виведення рідинних і газових потоків;

З — система перемішування; 4 — барботер;

5— змійовик; 6— сорочка

 

Залежно від мети біотехнологічного виробництва - одержання клітин чи продуктів їхньої життєдіяльності - способи ведення основної ферментації трохи відрізняються. Якщо процес спрямова­ний на одержання біомаси, то призна­чення ферментації— отримати макси­мально можливу масу клітин, а у випадку одержання метаболітів їхнє нагромадження здійснюється одночас­но, причому максимуми утворення продуцента і цільового продукту зав­жди зміщені в часі. Тому тривалість ферментації в першому випадку зав­жди менше, ніж у другому.

Головна вимога до ферментато­рів — збереження стерильності, тому вони повинні бути герметичними, усі лінії трубопроводу повинні бути доступними для обробки гарячою парою.

Тип ферментатора для кожного біотехнологічного процесу виби­рають з урахуванням специфіки продуцента, властивостей середо­вища й економічних міркувань,

3.5. Виділення, очишення і концентруванняпродуктів ферментації

Культуральна рідина містить клітини і продукти їхньої життєді­яльності і виходить з ферментера у вигляді водної суспензії, для якої характерний, як правило, невисокий вміст основного компо­ненту і наявність багатьох домішок. На першому етапі в більшості виробництв проводять виділення завислих частинок. Якщо розчи­нені метаболіти не являють практичної цінності, то рідку фазу вва­жають відходом виробництва і направляють на очисну споруду, а переробці підлягає тільки сконцентрована біомаса.

Зазвичай для виділення й очищення продуктів ферментації ви­користовують відомі в хімічній технології методи й апаратуру. Ви­трати на ці операції можуть перевищувати витрати на приготуван­ня живильних середовищ і на ферментацію на 30—50 %. Найбільш широко застосовувані в БТ методи виділення й очищення продук­тів приведені в наступній таблиці.

Сутність методу	Застосування
Дистиляція (випаровування продукту з наступною конденсацією) Зневоднювання (випарювання, сушіння) Ліофілізація Виморожування (видалення льоду) Осадження у вигляді нерозчинних солей Кристалізація	Розчинники: ацетон, спирти Кормові концентрати, кормові антибіотики Закваски, вакіїини, гормони Ферменти Лимонна кислота, молочна кислота Глутаміновіі кислота

Останньою стадією технологічного циклу в мікробіологічному син­тезі є одержання товарної форми продукту. Стадія фасовки препаратів кормового і технологічного призначення полягає в упакуванні їх у тару, розміри і тип якої визначаються потребами замовника і власти­востями продукту.

Для препаратів медичного призначення стадія упакування ускла­днюється тим, що препарати повинні мати високий ступінь чисто­ти і дуже часто абсолютну стерильність. Це змушує використовува­ти спеціальну технологію, що дозволяє стерилізувати речовини і підготовлену для них тару, і проводити наповнення й упакування тари п асептичних умовах.

3.6. Виробництво кормової мікробної біомаси як типовийприклад біотехнелогічного процесу

Як вже вказувалося, до числа широковідомих виробництв, що по праву можуть вважатися біотехнологічними, належать хлібопечіння, виноробство, пивоваріння, одержання оцту, кисломолочних про­дуктів (кисляку, кумису, кефіру, йогурту та ін.). багато з них люд­ство реалізувало задовго до того, як були отримані перші уявлення про мікроорганізми, що є безпосередніми учасниками цих проце­сів. Продуцентами у цих виробництвах служили мікроорганізми, що випадково потрапили і розвинулися із самої сировини.

Прикладом сучасного БТ- виробництва може служити процес одержання кормової мікробної біомаси, чи як її ще називають — мікробіального білку, кормового білку, білково-вітамінного ком­плексу, кормових дріжджів. Цей продукт одержують за допомогою мікроорганізмів з відходів лісообробної промисловості, а також па­рафінів нафти.

Виробництво мікробної біомаси порівняно з альтернативними технологіями має такі переваги:

• мікроорганізми мають високу швидкість нагромадження біо­маси, що у 500-5000 разів вища, ніж відповідно у тварин і
рослин;

• мікробні клітини здатні накопичувати дуже велику кількість
білку (дріжджі - до 50 %, бактерії - до 60 % по масі);

• у біотехнології за рахунок високої специфічності мікроорганізмів відсутня багатостадійність, властива хімічним технологіям;

• процес вирощування мікроорганізмів протікає в м'яких умовах
при температурі 30-40 °С, як правило, при тиску, близькому
до атмосферного;

• технологічний процес одержання сухої біомаси менш трудо­
місткий порівняно з виробництвом сільськогосподарської про­дукції.

Крім того, необхідно зазначити, що сам технологічний процес одержання кормової біомаси мало залежить від виду використову­ваної сировини. За багатьма показниками неп продукт, як повно­цінний корм, такий самий чи навіть перевершує продукти рослин­ного чи тваринного походження. Наприклад, застосування тонни біомаси в птахівництві додатково дає 25—30 тис. штук яєць і півто­ри -• дві тонни м'яса птахів, при цьому заощаджується 5—7 т фуражного зерна. Ця ж кількість біомаси дає змогу збільшити виро­бництво свинини на 0, 8 т і скоротити витрати зерна на 3, 5—5 т. За живильною цінністю тонна кормової мікробної біомаси заміняє 8 т незбираного молока при вирощуванні телят.

Принципова схема одержання мікробної біомаси наведена нижче.

 

 

4. Основні сфери застосування біотехнології

Біотехнологія застосовується навколо нас у багатьох предметах щоденного вжитку- від одягу, який ми носимо, до сиру, який ми споживаємо.

Продукти БТ-промисловості можна умовно розділити на велико­тоннажні (етанол, дріжджі, органічні кислоти, фруктові сиропи) і продукти тонкого мікробного синтезу (медикаменти, ферменти, ан­тибіотики, вітаміни, гормони), амінокислотні і білкові харчові і кор­мові добавки та ін.

4.1. Харчова промисловість

Спектр продуктів харчування, що їх одержують за допомогою мікроорганізмів, великий: від хліба, йогурту, вина і пива, які виро­бляють із древніх часів за рахунок шумування, до новітнього виду харчового продукту — грибного білку мікопротеїну. Крім того, біотехнологія застосовується при виробництві багатьох харчових доба­вок. Наприклад, відомий підкислювач — лимонна кислота, який раніше одержували, віджимаючи сік з лимонів, сьогодні виробля­ється за участі штаму мікроорганізмів А. піgег шляхом зброджуван­ня меласи й гідролізатів, шо містять глюкозу. Головним підсилюва­чем смаку вважається натрієва сіль глутамінової кислоти, її можна одержати за допомогою Місroсоссиs gl иtатісus.

Величезний потенціал біотехнологія має і у боротьбі з голодом. Розвиток біотехнологій пропонує значні потенційні переваги для країн, що розвиваються, де понад мільярд жителів планети живуть у бідності і страждають від хронічного голоду. Через зростання вро­жайності та виведення культур, стійких до хвороб і посухи, біотех­нологія може зменшити брак їжі для населення планети, яке ста­ном на 2025 рік становитиме понад 8 мільярдів чоловік, що на ЗО % більше, ніж сьогодні.