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 промышленности : 
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 магис-
терской диссертации. При этом следует иметь в виду, что биотехно-
логическая промышленность предъявляет особые требования к ма-
териалам для изготовления биореакторов, массо- и теплообмен-
ного оборудования, поскольку оно используется при выпуске
пищевых продуктов и биологически активных соединений.

Материаловедение подробно рассматривается в нескольких

учебных курсах при обучении студентов специальности «Биотех-
нология» на стадии бакалавриата. Однако в магистратуре по специ-
альности «Биотехнология» проходят обучение студенты других
естественно-научных специальностей, у которых в программе обу-
чения на стадии бакалавриата отсутствовали дисциплины, связан-
ные с выбором материалов в промышленности. Поэтому они долж-
ны восполнить эти знания в ходе самостоятельной работы. Кроме
того, при подготовке курсового проекта по модулю «Моделирова-
ние биотехнологических процессов» студентам необходимы спра-
вочные данные для проведения расчетов.

Данное учебное пособие позволяет решить эти задачи; основы

материаловедения приводятся здесь в максимально доступной фор-
ме с дополнением в виде справочных таблиц по основным свой-
ствам материалов. При обучении в магистратуре знания должны
быть закреплены и дополнены методами проектирования техноло-
гического оборудования.

Пособие может быть использовано при подготовке курсового

проекта по модулю и магистерской диссертации, а также для прак-
тических 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, рассмот-
рена 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 ме-
тоды, 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: метал-
лические материалы, керамические и полимерные. Кроме того, раз-
личные материалы могут быть объединены для создания компо-
зитных материалов, которые выделяются в отдельный, четвертый
класс. В рамках каждого из этих классов материалы дополнитель-
но группируются на основе их химического состава или опреде-
ленных физических или механических свойств. Композитные ма-
териалы часто группируются по типам или способу их изготовле-
ния. 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 температу-
ры плавления, тепловую и электрическую проводимость и вязкость.
Из периодической таблицы видно, что большое количество эле-
ментов классифицируются как металлы. Ниже приведены приме-
ры 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 промыш-
ленности;

• алюминий – алюминий и его сплавы, легко формуются, име-

ют низкую плотность, относительно недороги и пригодны для пов-
торного использования;

• медь – медь и медные сплавы, обладают рядом свойств, ко-

торые делают их незаменимыми в биотехнологической промыш-
ленности, 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 плот-
ность компонента является важным критерием или когда требует-
ся 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 мате-
риалы имеют свободные электроны, которые могут свободно пере-
мещаться от одного атома к другому. Существование этих свобод-
ных 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 ме-
талла. Наличие свободных электронов предопределяет и такие
свойства металлов, как высокая теплопроводность и механическая
пластичность. Конкретные свойства металлов будут более под-
робно рассмотрены в соответствующих параграфах.

1.2. Керамические материалы

Керамика традиционно определяется как неорганическое, неме-

таллическое твердое вещество, которое получено из порошкообраз-
ных материалов, сформировано в продукты посредством примене-
ния высоких температур и характеризуется такими свойствами,
как твердость, прочность, низкая электропроводность и хрупкость.
Слово «керамика» происходит от греч. «керамикос» – глина. Кера-
мические материалы обычно являются кристаллическими по сво-
ей природе и представляют собой соединения, образованные меж-
ду металлическими и неметаллическими элементами, такими как
алюминий и кислород (оксид алюминия, Al2O3), кальций и кисло-
род (оксид кальция, СаО), кремний и азот (нитрид кремния, Si3N4).

В зависимости от способа получения керамика может быть

плотной или легкой. Как правило, керамические материалы демон-
стрируют 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 маг-
нитными свойствами. Керамика более устойчива к высоким тем-
пературам и суровым условиям окружающей среды, чем металлы
и полимеры.

Благодаря широкому спектру свойств керамические материа-

лы используются во многих областях. Основные типы материа-
лов, 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 про-
мышленности);

– стекло и стекловолокно (оконное стекло, стеклянная посуда,

оптическое стекло, специальные виды стекол, стекловата, оптичес-
кие волокна);

– абразивные материалы, натуральные (гранат, алмаз) и синте-

тические (карбид кремния, алмаз, плавленый глинозем). Абразивы
используются для шлифовки, резки, полировки, притирки или об-
работки 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 сверх-
проводники);

– 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 ма-
териалах, именно поэтому керамика является хрупкой, а металлы
пластичными. Отсутствие обобществленных электронов в боль-
шинстве типов керамических материалов приводит к их низкой
электропроводности.

В биотехнологической промышленности керамические мате-

риалы широко используются в качестве конструкционного материа-
ла для изготовления реакторов малого объема, труб, смотровых окон,
для нанесения покрытий (эмалированное оборудование) и произ-
водства 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 пов-
торяющихся элементов. Промышленно важными полимерными ма-
териалами являются пластмассы и эластомеры. Пластмассы пред-
ставляют собой большую и разнообразную группу синтетических
материалов, которые обрабатываются путем экструзии или формо-
вания. 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 то-
го, как они структурно и химически связаны. Термопластичные по-
лимеры включают четыре наиболее важных товарных материала:
полиэтилен, полипропилен, полистирол и поливинилхлорид, кро-
ме того, существует ряд специализированных инженерных поли-
меров, таких как тетрафторполиэтилен. Термин «термопласт» ука-
зывает на то, что эти материалы плавятся при нагревании и могут
обрабатываться различными способами формования и экструзии.
В противоположность этим материалам «термореактивные» поли-

меры не могут быть расплавлены или переплавлены, так как обра-
зуют трехмерную сеть. Термореактивные полимеры включают ал-
кидные смолы, амино- и фенольные смолы, эпоксидные смолы, по-
лиуретаны и ненасыщенные полиэфиры.

Эластомеры или каучуки отличаются тем, что могут быть уп-

ругодеформированы при приложении к ним силы и могут вернуть-
ся к их первоначальной форме при снятии нагрузки. Подобно реак-
топластам эластомеры имеют трехмерную структуру, в которой от-
дельные полимерные цепи соединены ковалентными мостиками.
Однако в каучуках эти цепи свернуты к клубки, способные рас-
правляться при приложении к материалу механической нагрузки.

Полимеры обладают многими свойствами, которые делают их

привлекательными для использования в биотехнологической про-
мышленности. Так, большинство полимеров имеют меньшую
удельную плотность, чем металлы или керамика, они могут хорошо
противостоять атмосферным и другим видам коррозии, обеспечи-
вают хорошую совместимость с биологическими объектами и де-
монстрируют низкую проводимость электрического тока.

Полимерная молекула представляет собой длинную цепь ко-

валентно связанных атомов, а вторичные связи (ионные, водород-
ные) затем удерживают группы полимерных цепей вместе, обра-
зуя полимерный материал. В промышленности до сих пор исполь-
зуют природные полимеры, такие как натуральный каучук,
целлюлоза, гуммиарабик, различные камеди. Однако большинство
полимеров получают с помощью органического синтеза путем раз-
работки оптимальной комбинации атомов и взаимного расположе-
ния цепочек, которые они образуют. Эти полимеры в основном про-
изводятся из нефти или природного газа, но в последнее время ра-
стет использование возобновляемых органических веществ.

По своим механическим свойствам некоторые полимеры пре-

восходят металлы. В качестве примера можно привести ариламид-
ное волокно под торговой маркой «кевлар». Этот материал исполь-
зуется для армирования пуленепробиваемых жилетов, сильных/
облегченных рам и подводных кабелей, которые в 20 раз прочнее
стали.