Substráty jsou látky účastnící se reakce, které podléhají chemickým přeměnám. Produkty jsou zase hmotnými efekty takových přeměn. Podléhají řadě chemických zákonů a pravidel. Přesto stojí za to se na substráty a produkty podívat šířeji – v kontextu procesů v průmyslovém měřítku.
Co je to substrát a produkt chemické reakce?
Substrát je v chemii název používaný pro látky, chemické sloučeniny, prvky nebo ionty, které procházejí přeměnami během reakcí zahrnujících chemické procesy. Produkty jsou výsledkem těchto přeměn. V průmyslových procesech se nejčastěji vyskytuje několik produktů. Kromě hlavních produktů vznikají procesy také tzv. vedlejší produkty. Ty se zase mohou stát substráty pro další technologické procesy. Substráty a produkty v chemických procesech jsou velmi důležité v laboratorním i průmyslovém měřítku. Tyto procesy podléhají řadě zákonů, pravidel a zásad. Tady jsou některé z nich:
- Chemická rovnováha
Jde o dynamický stav související s vratnou chemickou reakcí, kdy rychlost přeměny substrátů na produkty je stejná jako u reverzního procesu, tedy při přeměně produktů na substráty. To platí za specifických podmínek včetně koncentrace, teploty a tlaku. Když nastane chemická rovnováha, koncentrace substrátů a produktů jsou stejné. Je však třeba mít na paměti, že se nejedná o trvalý stav. Povaha chemické rovnováhy je dynamická. I nepatrný zásah do podmínek reakce ji mění.
- Le Chatelierův princip (zákon rovnováhy)
Le Chatelierův princip říká, že když je systém v chemické rovnováze vystaven specifickému podnětu (např. změně teploty), podmínky probíhající reakce se změní tak, že částečně působí proti aplikované změně. Také koncentrace substrátů a produktů ovlivňuje chemickou rovnováhu. Jakákoli změna množství kterékoli ze složek mění ustavenou rovnováhu. Pokud je ze systému odstraněn jeden produkt, systém zareaguje tak, že určité množství substrátu zareaguje a dojde k rekonstituci odstraněné látky. Podobná situace nastane, když je ze systému odstraněn substrát. Le Chatelierův princip umožňuje (zejména v technologických procesech) řídit průběh chemického procesu. Může být použit buď ke zvýšení účinnosti probíhající reakce nebo k potlačení nežádoucích reakcí.
- Rychlost chemické reakce
Rychlost chemické reakce nebo procesu je definována jako snížení molární koncentrace substrátů nebo zvýšení molární koncentrace produktů za časovou jednotku. Hodnota reakční rychlosti se určuje experimentálně, měřením změn koncentrace reaktantů v čase. Rychlost chemické reakce je ovlivněna koncentrací substrátů. Reakční rychlost je přímo úměrná koncentraci reaktantů.
Substráty a produkty v chemicko-technologických procesech
Převést koncept chemického procesu z laboratorního do průmyslového měřítka je náročný úkol. Jeho součástí je mimo jiné i adekvátní výběr substrátů (surovin). Získání substrátů by mělo být nákladově efektivní, v souladu s ekologickými zásadami a všemi požadovanými postupy pro jejich předchozí zpracování (např. čištění vytěžených kovových rud). V chemické technologii musí být proces také přezkoumán z hlediska produktů, které mají být získány, protože kromě hlavního produktu (hlavních produktů) se často tvoří takzvané vedlejší produkty. Běžným řešením je umístění instalací, které produkují různé komponenty blízko sebe. Nežádoucí vedlejší produkt v jednom procesu může být klíčovou surovinou v jiné technologii. Rovněž se doporučuje, aby substráty, které neprošly reakcí, byly recyklovány ve smyčce. Výše uvedené principy a řada dalších pravidel umožňují provádět technologické procesy mnohem efektivněji a při nižších energetických nákladech. Pro chemicko-technologické procesy je pro každé zařízení vypracována materiálová bilance. Udává množství spotřebovaných nebo vyrobených materiálů, tj. substrátů a produktů. Materiálová bilance tvoří základ pro návrh a vývoj ekonomického účtu pro existující nebo plánovaný chemický proces. Je založen na principu zachování hmoty. Dobře připravená materiálová bilance poskytuje jasný přehled o množství potřebných substrátů, množství získaných produktů a zohledňuje vznik odpadu. Graficky to lze znázornit pomocí Sankeyova diagramu.
Význam substrátů a produktů v kontextu zelené chemie
Ropa je dnes primární surovinou v chemii. Biomasa a další substráty, které lze získat z obnovitelných zdrojů a odpovídají tak principům zelené chemie , jsou stále důležitější. Očekává se, že trend bude pokračovat i v následujících letech. Biomasa je důležitá nejen jako surovina pro energetické účely, ale lze ji efektivně využít i k získávání chemikálií, jako jsou přísady do léčiv , kosmetiky a potravin. Pokrok v technologiích zpracování biomasy umožňuje získávat z ní materiály a chemikálie s vysokou přidanou hodnotou. Stejně dynamický je i vývoj metod získávání substrátů zejména z částí rostlin, jako jsou stonky, listy nebo kořeny. Nyní jsme například schopni syntetizovat nanočástice stříbra pomocí extraktů z listů zelí. Zejména u velkoobjemových procesů je důležitou otázkou nakládání s vedlejšími produkty vznikajícími při chemických procesech. Bude výhodné získat materiály, které jsou snadno biologicky rozložitelné . Na významu nabývají například degradovatelné polymery. Jedná se o polymery, které se mohou v prostředí rozkládat mnohem rychleji než běžné polymery. Mohou degradovat, když jsou vystaveny záření, mikroorganismům, enzymům nebo určitým chemikáliím.
