نقش و کاربرد کاتالیست های پیشرفته در صنعت

مقدمه

در دنیای علم و صنعت، کاتالیست، یکی از مفاهیم مهم و پرکاربرد در زمینه شیمی و فرآیندهای شیمیایی است. این مواد که به تنهایی در واکنش ها شرکت نمی کنند، به عنوان عوامل تسریع کننده و اصلاح کننده در واکنش های شیمیایی استفاده می شوند. کاتالیست یک فرآیند بسیار مهم با اهمیت عملی برای تولید انرژی، توسعه پایدار، تولید مواد غذایی و حفاظت از محیط زیست و تصفیه آب است. فرآیندهای کاتالیستی تقریبا 90 درصد محصولات را در صنایع تولید می کنند. از این رو از اهمیت اقتصادی و استراتژیک بالایی برخوردار است و همین امر آن را به یک حوزه به سرعت در حال توسعه تبدیل می کنند. بنابراین، این شماره از نشریه اکسیژن به تفصیل و بررسی مفهوم کاتالیست ها، اهمیت و نقش و کاربرد آن ها در سه صنعت مهم نفت و پتروشیمی، صنایع دارویی و غذایی می پردازیم.

مفهوم کاتالیست 

کاتالیست ها موادی هستند که برای سرعت بخشیدن یا کنترل واکنش های شیمیایی استفاده می شوند. این مواد بدون آنکه خود در پایان واکنش تغییری کنند، با کاهش انرژی فعال سازی مورد نیاز برای واکنش، سرعت واکنش ها را افزایش می دهند و محصولات بهبود یافته تولید کند. در واقع کاتالیست ها مانند یک سوئیچ بین مولکول های فعال عمل می کنند و نقش مهمی در ایجاد پیوندهای شیمیایی بین آن ها دارند.

انواع کاتالیست های صنعتی

کاتالیست های صنعتی با توجه به کاربردشان به چهار گروه زیر تقسیم می شوند.

در واکنش های کاتالیست همگن، بر خلاف کاتالیست های ناهمگن، کاتالیست و واکنش دهنده ها در فازهای مشترک هستند. این کاتالیست ها معمولا با بسترهای موجود در حلال حل می شوند. به عنوان مثال، در واکنش هایی مانند هیدروسیلیلاسیون و هیدروسیاناسیون.

در واکنش های اتوکاتالیستی، یکی از محصولات واکنش به طور خودکار به عنوان کاتالیست عمل می کند. این محصول، سرعت واکنش را افزایش می دهد.

بیوکاتالیست یا کاتالیست زیستی، در بدن انسان وجود دارد و بر واکنش های بیوشیمیایی تاثیر می گذارد اکثر آن ها ساختار پروتئینی دارند و یکی از مهم ترین کاتالیست های زیستی آنزیم ها هستند.

اهمیت کاتالیست

در قدیم استفاده از کاتالیست های صنعتی و این محصولات به اندازه امروز معروف نبودند اما به مرور زمان، با پیشرفت صنایع و درک اهمیت کاتالیست ها استفاده از آن ها بسیار رایج شده است. جالب است بدانید در صورت نبودن کاتالیست های صنعتی، بسیاری از محصولات حیاتی مورد نیاز بشر تولید نمی شد.

به همین دلیل دانشمندان زیادی در حال تحقیق در زمینه تولید کاتالیست های صنعتی هستند تا نوع جدیدی از این محصول را در اختیار صنایع مختلف قرار دهند. این الماس پنهان گنجینه ای است که نقش های زیادی در صنایع و فرآیندهای مختلف دارد.

کاربرد کاتالیست در صنعت نفت و پتروشیمی

کاتالیست ها نقش بسیار مهمی در صنایع مدرن پالایش نفت و پایه پتروشیمی ایفا می کنند، زیرا تقاضا و ویژگی های بازار محصولات نفتی و پتروشیمی به طور مداوم در حال تغییر است. با افزایش نرخ تبدیل نفت خام به محصولات سبک تر و استاندارد، تعداد کاتالیست ها و فرآیندهای کاتالیستی نیز در حال افزایش است که چالش های جدیدی را برای فناوری کاتالیست، در هر زمینه ای ایجاد می کند. به ویژه در زمینه شیمی سبز، استفاده بهتر از منابع نفتی و تقاضا برای سوخت های حمل و نقل پاک تر از مسائل کلیدی است.

پالایشگاه های نفت به فرآیندهای کاتالیستی مختلفی برای تبدیل نفت خام به محصولات مصرفی مانند نفت گاز، نفت سفید و نفت کوره، گاز مایع (LPG) و بنزین نیاز دارند. مهم ترین و پرکاربردترین کاتالیست های صنعت پالایش کشور به دو بخش فرایند‎های تبدیلی و واحد تولید محصولات منطبق با استانداردهای کیفی و زیست محیط. تقسیم می شوند: 

کاتالیست های پتروشیمی

سال ها پیش، حوزه پتروشیمی با افزودن ساده آب به پروپیلن برای تولید ایزوپروپیل الکل آغاز شد. در حال حاضر، صنعت چند میلیارد دلاری پتروشیمی، طیف وسیعی از محصولات شیمیایی و تقریبا تمام واکنش های آلی اساسی مانند هیدروژناسیون، آلکیلاسیون، جایگزینی، پلیمریزاسیون و غیره را پوشش می دهد.

پیشرفت های عمده در زمینه کاتالیست ، همواره از پیشرفت های عظیم در پتروشیمی حمایت کرده است. به طور دقیق تر کاتالیست های پتروشیمی، واکنش ها را در فرآیندهایی مانند کراکینگ، اصلاح، پلیمریزاسیون، هیدروژناسیون و هیدروژن زدایی بهینه می کنند و باعث افزایش راندمان تولید می شوند.

کاتالیست های پتروشیمی به شکل مایع، جامد یا گاز موجود هستند و به عنوان عاملی برای تسریع و کنترل واکنش های شیمیایی در فرآیندهای پتروشیمی استفاده می شوند. این مواد معمولا متشکل از سیلیس، فلزات، اکسیدهای فلزی، کربن فعال و آلومینا هستند که می توانند برای افزایش کارایی کاتالیست ها نیز به آن اضافه شوند. کاربردهای کاتالیست های پتروشیمی در صنعت پتروشیمی بسیار گسترده است که می توان به تولید پلاستیک، رنگ، رزین، تولید فرآورده های نفتی و تولید کودهای شیمیایی اشاره کرد

فرآیندهای پتروشیمی، به طورکلی یه دو دسته پلیمری و غیر پلیمری تقسیم می شوند. از کاتالیست های غیر پلیمری می توان به هیدروژن زدایی، اتیلن به اکسید اتیلن، رفرمینگ خشک، آروماتیزاسیون و ... اشاره کرد و از کاتالیست های پلیمری می توان تری اتیلن آمین، اکسید آنتیموان، PMH، کبالت را نام برد.

کاربرد کاتالیست در صنعت داروسازی

در صنعت داروسازی از کاتالیست ها در تولید انواع داروها و ترکیبات پزشکی استفاده می شوند. این مواد می توانند روند تولید داروها را تسهیل کرده و به کیفیت بهتر آن ها کمک کنند. به ‎عنوان مثال، اولین استفاده شناخته شده از فلز برم ، کاربرد آن به عنوان یک آرام بخش بود، امروزه هم در داروها و هم به عنوان کاتالیست برای تولید دارو استفاده می شود.

در سنتز نامتقارن نیز که انانتیومر منفرد فعال را تولید می کند، تولید تجاری داروی ضد پارکینسون، با استفاده از یک کاتالیست فلزی رودیوم متصل به لیگاندهای فسفین کایرال توسعه داده شد.

نمونه جدیدی که نانوکاتالیست مغناطیسی قابل بازیافت نامیده می شود، علاوه بر کاهش قابل توجه هزینه ها در صنعت داروسازی، منجر به حذف استفاده از کاتالیست های سمی و گران قیمت می شود. استفاده از پوسته تخم مرغ به عنوان یک کاتالیست زیست سازگار در تسریع فرآیند تولید ترکیب آلی1/8-دیوکسو-اکتاهیدروکسانتانیک یک مثال عالی است، زیرا پوسته متخلخل تخم مرغ، در مقیاس نانو عملکرد متفاوتی را نشان می دهد. این ذرات دارای خواص بازی و محافظتی قوی هستند که می توانند نانوذرات اکسید آهن مغناطیسی را در حضور نمک آهن (II) بدون استفاده از جو بی اثر و عوامل کاهنده سنتز کنند. این نانوذرات مغناطیسی سنتز شده با روش هم رسوبی، ابتدا بر روی نانوپودر تولید شده از پوسته تخم مرغ تثبیت شده و در نتیجه یک نانوکامپوزیت سرامیکی مغناطیسی پرکاربرد را تشکیل می دهد تصاویر آنالیز میکروسکوپی و همچنین طرح واکنش در زیر ارائه شده است.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی و طرح واکنش نانوکامپوزیت سرامیکی

تعدادی از واکنش های شیمیایی وجود دارد که از معرف های استوکیومتری استفاده می کنند و از این رو روش های تولید دارویی تمایل به تولید مقادیر نسبتا زیادی زباله در هر کیلوگرم محصول نهایی دارند. با معرفی یک سیستم کاتالیست جدید و نوآوری های مختلف در کاتال، صنعت API خود را به یک صنعت شیمیایی پاک تبدیل می کند. بنابراین، برای حل این مشکلات، به عنوان بخشی از یک همکاری پیشگام با شرکت داروسازی F. Hoffmann-La Roche، دانشمندان PSI در حال کار بر روی توسعه نوعی کاتالیست به نام MOFs هستند که می تواند روش های تولید دارو را بسیار کارآمدتر کند. در این پروژه، آن ها در حال بررسی کاتالیزورهای کلاسی به نام MOF هستند که مخفف چارچوب های آلی-فلزی است. یکی از ویژگی های اصلی این مواد جامد منافذ و سطح وسیع آن هاست. مارکو رانوکیاری، شیمیدان PSI و یکی از تیم تحقیقاتی پروژه مشترک، می گوید: «یک گرم ماده MOF می تواند سطحی قابل مقایسه با چندین زمین فوتبال داشته باشد. منافذ بزرگ حاوی سطوح فعالی هستند که مولکول ها می توانند روی آن ها بچسبند. از سوی دیگر، MOFها به صورت جامدات کریستالی در محلول باقی می مانند. در تولید API، بلورهای کوچک را می توان از مخلوط واکنش بسیار راحت تر فیلتر کرد در تصویر زیر نمونه هایی از این نوع کاتالیزورهای ناهمگن مورد استفاده در تحقیقات مشترک را مشاهده می کنید.

کاربرد کاتالیست در صنایع غذایی

پیش بینی می شود با توجه به افزایش 70 درصدی جمعیت جهان در سال 2050 همراه با مشکلات اقلیمی و درگیری های جهانی، تقاضا برای غذا در جهان 32 درصد افزایش یابد. کاتالیست های آنزیمی امیدوارکننده ترین زمینه تحقیقات کاتالیستی است که توانایی حل مشکل غذا در جهان را دارد.

آنزیم ها عمدتا مولکول های پروتئینی هستند و به عنوان کاتالیست می توانند واکنش های بیولوژیکی را میلیون ها بار سرعت بخشند، به طوریکه واکنش هایی که در غیاب آنزیم ها اتفاق می افتد حدود یک سال طول می کشد؛ در حظور آن ها می تواند در کسری از ثانیه تکمیل شود.

آنزیم ها بخش جدایی ناپذیر از صنایع مختلف مانند ، غذا، چرم، خوراک دام، نساجی، مواد شوینده و سوخت زیستی هستند. این نشان دهنده تاثیر صنعتی آنزیم ها است.کاتالیست های آنزیمی، اغلب در بخش های مختلف غذایی (تولید و مصرف) و دفع زباله های صنعتی استفاده می شوند و با پیشرفت تکنولوژی، آنزیم های جدید با طیف وسیعی از کاربردها و خواص توسعه یافته اند این حوزه های کاربردی جدید هنوز در حال بررسی هستند. با این حال، استفاده از آنزیم ها در فرآیندهای صنایع غذایی دارای یک سری معایب مانند قیمت بالای آنزیم ها و همچنین تغییر در خواص و ماهیت کاتالیست؛ به دلیل حساس بودن به شرایط محیطی هستند. تثبیت آنزیم ، روی یک تکیه گاه جامد با استفاده از یک کاتالیست ناهمگن روشی است که می تواند با بازیافت آنزیم ها، بر این مشکل نیز غلبه کند.

سمیه نجفی، نشریه علمی اکسیژن، شماره دوم، خرداد 1403، صفحه 66 تا 77, دانشگاه تبریز، مدیر مسئول: نسیم نوشین، سر دبیر: سما رادمهر