Материаловедение в биотехнологии и пищевой промышленности

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2018

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

М. А. Миронов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

В БИОТЕХНОЛОГИИ

И ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета

в качестве учебно-методического пособия для студентов вуза,

обучающихся по направлению подготовки

19.04.01 «Биотехнология»

УДК 606(07)
        M641

Учебно-методическое пособие включает теоретические разделы курса

«Проектирование биотехнологических производств» о выборе материалов
для биотехнологии, а также справочные данные о свойствах различных материалов. Пособие разделено на разделы, посвященные физическим, химическим
и механическим свойствам материалов, а также критериям подбора материалов в биотехнологии. Приводятся классификация материалов, справочные таблицы, данные о коррозионной стойкости материалов и методы проведения механических испытаний.

Адресовано студентам всех форм обучения. Может быть использовано

для подготовки к практическим занятиям, а также для выполнения курсового
проекта и сдачи зачета или экзамена по дисциплине «Проектирование биотехнологических производств».

Миронов, М. А.

Материаловедение в биотехнологии и пищевой промыш
ленности : учеб.-метод. пособие / М. А. Миронов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург :
Изд-во Урал. ун-та, 2018. – 86 с.

ISBN 978-5-7996-2427-9

M641

ISBN 978-5-7996-2427-9

Р е ц е н з е н т ы:

научно-технический совет ООО «НПО БиоМикрогели»

(генеральный директор кандидат технических наук А. А. Елагин);

С. А. Романова, кандидат химических наук,

региональный представитель ООО «Берингер Ингельхайм»

УДК 606(07)

© Уральский федеральный университет, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ............................................................................................................ 4

1. Общая классификация материалов,
применяемых в биотехнологических производствах .................................... 5

1.1. Металлические материалы ........................................................................ 6
1.2. Керамические материалы ......................................................................... 7
1.3. Полимерные материалы ............................................................................ 9
1.4. Композитные материалы ......................................................................... 11

2. Физические свойства материалов ............................................................... 13

2.1. Температуры фазовой трансформации ............................................... 13
2.2. Удельная плотность ..................................................................................... 21
2.3. Теплопроводность ..................................................................................... 26
2.4. Линейный коэффициент теплового расширения ............................... 34
2.5. Электрическая проводимость ................................................................. 37

3. Химические свойства материалов.
Устойчивость к коррозии  .................................................................................. 41

4. Механические свойства материалов .......................................................... 51

4.1. Механические свойства материалов под действием нагрузки ......... 52
4.2. Ударная прочность материалов .............................................................. 66
4.3. Твердость материалов ............................................................................... 68

5. Особенности выбора материалов в биотехнологии ................................. 77

Список рекомендуемой литературы ................................................................ 84

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедение – необходимая база для успешного обуче
ния инженерным специальностям. Правильный выбор материалов
обязателен при выполнении курсовых работ и подготовке магистерской диссертации. При этом следует иметь в виду, что биотехнологическая промышленность предъявляет особые требования к материалам для изготовления биореакторов, массо- и теплообменного оборудования, поскольку оно используется при выпуске
пищевых продуктов и биологически активных соединений.

Материаловедение подробно рассматривается в нескольких

учебных курсах при обучении студентов специальности «Биотехнология» на стадии бакалавриата. Однако в магистратуре по специальности «Биотехнология» проходят обучение студенты других
естественно-научных специальностей, у которых в программе обучения на стадии бакалавриата отсутствовали дисциплины, связанные с выбором материалов в промышленности. Поэтому они должны восполнить эти знания в ходе самостоятельной работы. Кроме
того, при подготовке курсового проекта по модулю «Моделирование биотехнологических процессов» студентам необходимы справочные данные для проведения расчетов.

Данное учебное пособие позволяет решить эти задачи; основы

материаловедения приводятся здесь в максимально доступной форме с дополнением в виде справочных таблиц по основным свойствам материалов. При обучении в магистратуре знания должны
быть закреплены и дополнены методами проектирования технологического оборудования.

Пособие может быть использовано при подготовке курсового

проекта по модулю и магистерской диссертации, а также для практических занятий с преподавателем.

1.  ОБЩАЯ  КЛАССИФИКАЦИЯ

МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ

В  БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  ПРОИЗВОДСТВАХ

В данном параграфе приведена краткая характеристика четы
рех основных классов технических материалов. Кроме того, рассмотрена структура материалов на атомном уровне, так как именно
особенности электронных уровней атома придают материалам их
характерные свойства. Также будут рассмотрены некоторые из свойств,
которые важны для структурных характеристик материала, и методы, применяемые для модификации этих свойств.

Существуют тысячи материалов, доступных для использова
ния в инженерных приложениях. Большинство из них относятся
к одному из трех классов, которые значительно отличаются друг
от друга по характеру сил атомного связывания в материале: металлические материалы, керамические и полимерные. Кроме того, различные материалы могут быть объединены для создания композитных материалов, которые выделяются в отдельный, четвертый
класс. В рамках каждого из этих классов материалы дополнительно группируются на основе их химического состава или определенных физических или механических свойств. Композитные материалы часто группируются по типам или способу их изготовления. Ниже приведена общепринятая классификация материалов
в рамках этих четырех общих классов:

Металлы

 Черные металлы и сплавы

(сталь, чугун, ферросплавы)

 Цветные металлы и их сплавы

(алюминий, медь, титан и т. д.)

 Редкие металлы

Полимеры

 Термопласты
 Реактопласты
 Эластомеры

Каждая из этих общих групп далее будет рассмотрена более

подробно.

1.1. Металлические материалы

На металлы приходится около двух третей всех элементов и око
ло 24 % массы планеты. Металлы обладают многими полезными
свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, тепловую и электрическую проводимость и вязкость.
Из периодической таблицы видно, что большое количество элементов классифицируются как металлы. Ниже приведены примеры наиболее широко используемых металлов и краткий обзор их
свойств.

Общие металлические материалы:
• железо/сталь – сплавы на основе железа (стали), используют
ся в качестве основного конструкционного материала в промышленности;

• алюминий – алюминий и его сплавы, легко формуются, име
ют низкую плотность, относительно недороги и пригодны для повторного использования;

• медь – медь и медные сплавы, обладают рядом свойств, ко
торые делают их незаменимыми в биотехнологической промышленности, включая высокую электрическую и теплопроводность,
высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость;

• титан – титановые сплавы, используются для прочности

при более высоких температурах (~ 500 °С), когда удельная плотность компонента является важным критерием или когда требуется хорошая коррозионная стойкость;

Керамика

 Стекло
 Фарфор
 Техническая керамика
 Графит

Композиты

 Армированные пластмассы
 Металлокомпозиты
 Керамокомпозиты

• никель – никелевые сплавы, используются для еще более вы
соких температур (~ 800–1000 °С) или когда требуется хорошая
коррозионная стойкость;

• редкие металлы – ниобий, тантал и сплавы на их основе, ис
пользуются для работы при высоких температурах (> 1000 °С).

Ключевой особенностью, которая отличает металлы от неме
таллов, является их электронное строение. Металлические материалы имеют свободные электроны, которые могут свободно перемещаться от одного атома к другому. Существование этих свободных электронов влечет ряд глубоких последствий для свойств
металлических материалов. Например, металлические материалы
способны быть хорошими электрическими проводниками, потому
что свободные электроны могут легко перемещаться внутри металла. Наличие свободных электронов предопределяет и такие
свойства металлов, как высокая теплопроводность и механическая
пластичность. Конкретные свойства металлов будут более подробно рассмотрены в соответствующих параграфах.

1.2. Керамические материалы

Керамика традиционно определяется как неорганическое, неме
таллическое твердое вещество, которое получено из порошкообразных материалов, сформировано в продукты посредством применения высоких температур и характеризуется такими свойствами,
как твердость, прочность, низкая электропроводность и хрупкость.
Слово «керамика» происходит от греч. «керамикос» – глина. Керамические материалы обычно являются кристаллическими по своей природе и представляют собой соединения, образованные между металлическими и неметаллическими элементами, такими как
алюминий и кислород (оксид алюминия, Al2O3), кальций и кислород (оксид кальция, СаО), кремний и азот (нитрид кремния, Si3N4).

В зависимости от способа получения керамика может быть

плотной или легкой. Как правило, керамические материалы демонстрируют отличную прочность и твердость, однако они обычно
хрупки по своей природе. В зависимости от способа формирования

различные виды керамики могут быть использованы в качестве
изоляторов, а также электропроводящих материалов. Некоторые
виды керамики, например сверхпроводники, также обладают магнитными свойствами. Керамика более устойчива к высоким температурам и суровым условиям окружающей среды, чем металлы
и полимеры.

Благодаря широкому спектру свойств керамические материа
лы используются во многих областях. Основные типы материалов, которые производит керамическая промышленность:

– изделия из строительной глины (кирпич, канализационные

трубы, кровельные и настенные плитки, дымовые прокладки);

– фаянс и фарфор (посуда, напольная и настенная плитка, элек
трический фарфор);

– огнеупорные материалы (кирпич и монолитные продукты, ис
пользуемые в металлургии, стекольной, нефтяной и химической промышленности);

– стекло и стекловолокно (оконное стекло, стеклянная посуда,

оптическое стекло, специальные виды стекол, стекловата, оптические волокна);

– абразивные материалы, натуральные (гранат, алмаз) и синте
тические (карбид кремния, алмаз, плавленый глинозем). Абразивы
используются для шлифовки, резки, полировки, притирки или обработки материалов под давлением;

– цементы (для строительства дорог, мостов, зданий, плотин);
– специальные виды керамики:

– конструкционная керамика (изнашиваемые детали, биоке
рамика, режущий инструмент и компоненты двигателей);

– электрическая керамика (конденсаторы, изоляторы, подлож
ки, интегральные схемы, пьезоэлектрики, магниты и сверхпроводники);

– керамические покрытия (компоненты двигателей, режущие

инструменты и промышленные детали);

– макро- и мезопористые материалы (химические фильтры,

мембраны, катализаторы и подложки для катализаторов).

Атомы в керамических материалах удерживаются вместе ком
бинацией ковалентных и ионных связей. Ковалентные и ионные
связи в керамике намного сильнее, чем связи в металлических материалах, именно поэтому керамика является хрупкой, а металлы
пластичными. Отсутствие обобществленных электронов в большинстве типов керамических материалов приводит к их низкой
электропроводности.

В биотехнологической промышленности керамические мате
риалы широко используются в качестве конструкционного материала для изготовления реакторов малого объема, труб, смотровых окон,
для нанесения покрытий (эмалированное оборудование) и производства фильтров для очистки воздуха и культуральных жидкостей.

1.3. Полимерные материалы

Полимерное твердое вещество можно рассматривать как мате
риал, который содержит большое количество химически связанных
цепей или узлов, которые соединены между собой. «Полимер» –
букв. «много частей», что говорит о наличии в его структуре повторяющихся элементов. Промышленно важными полимерными материалами являются пластмассы и эластомеры. Пластмассы представляют собой большую и разнообразную группу синтетических
материалов, которые обрабатываются путем экструзии или формования. Так же как существуют различные типы металлов, таких как
алюминий и медь, существует много видов пластмасс, таких как
полиэтилен и нейлон. Полимерные пластмассы можно разделить
на два класса – термопласты и реактопласты в зависимости от того, как они структурно и химически связаны. Термопластичные полимеры включают четыре наиболее важных товарных материала:
полиэтилен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид, кроме того, существует ряд специализированных инженерных полимеров, таких как тетрафторполиэтилен. Термин «термопласт» указывает на то, что эти материалы плавятся при нагревании и могут
обрабатываться различными способами формования и экструзии.
В противоположность этим материалам «термореактивные» поли