Wiązanie azotu

1. TECHNOLOGICZNE KAMIENIE MILOWE W PRODUKCJI SPOŻYWCZEJ i UPRAWACH ROLNYCH IV.1. Nawozy i substancje wzbogacające glebę Wiązanie azotu Wiązania azotu jest procesem, w którym naturalne mikroorganizmy przekształcają azot pochodzący ze związkównieorganicznych w łatwo przyswajalne formy organiczne, np.: białka, które następnie wchodzą w łańcuch pokarmowy roślin. W wielu przypadkach azot znajdujący się w glebie, szczególnie w formie azotanów nie wystarcza do intensywnego wzrostu plonów. Opracowano dotychczas wiele procesów umożliwiających wytwarzanie nawozówazotowych, jak choćby słynny „proces Habera-Boscha syntezy amoniaku”. Kolejnym znaczącym osiągnięciem w dziedzinie „chemii gleby”, było opracowanie w 1956 roku przez Kjeldahla metody automatycznej analizy procentowej zawartości azotu organicznego w glebie. Cykl azotowy Guzki w korzeniu Proces Habera-Bosha Pod koniec XIX wieku zapewnienie wystarczającej ilości jedzenia szybko rosnącej populacji stało się prawdziwym problemem. Zawartość azotu w gruntach rolnych spadła drastycznie, a problem otrzymania sztucznych nawozów pozostał nierozwiązany. Niektóry naukowcy przewidywaniu nawet głód na skale światową. Panaceum na te obawy miał być proces produkcji azotowych związkóworganicznych z azotu zawartego w powietrzu atmosferycznym. Założenie to zrealizowano w 1908 w Niemczech, gdzie Fritz Haber opracował proces produkcji amoniaku. Synteza odbywała się pod wysokim ciśnieniem i temperaturą w obecności żelaza, jako katalizatora. Carl Bosch, chemik z firmy „ВASF” (Badische Anilin & Soda-Fabrik) w 1913 dopracował ten proces tak, aby możliwy był na skalę przemysłową. Opracowanie tej syntezy i jej komercjalizacja umożliwiły zwiększenie produktywności rolnictwa i spokojny rozwójludzkości w XX wieku. Fritz Haber Postępy w rozwoju chemicznego nawożenia Od 1913 roku nawozy sztuczne były produkowane na duża skalę i umożliwiły drastyczny wzrost produkcji żywności. Innowacje w tej dziedzinie wprowadzane są nieustannie od samego początku. Dla przykładu: w 1930 roku wprowadzono na rynek nawozy granulowane, natomiast w 1965 w Ameryce wprowadzono nawozy sztuczne w postaci roztworów W latach siedemdziesiątych, wprowadzono bezpieczne i łatwe w użyciu nawozy, które można było stosować w warunkach domowych. Najnowsze usprawnienia obejmują opracowanie nawozówo wydłużonym czasie uwalniania, co zapobiega zbytniemu użyźnieniu gleby i eutrofizacji. „Zielona Rewolucja” i rośliny hybrydowe Od lat siedemdziesiątych XX wieku, tworzone są rośliny hybrydowe, które umożliwiają poprawę ilości i jakości produkowanego pożywienia. Chemia organiczna bardzo pomaga w identyfikowaniu pożądanych cech i umożliwia otrzymanie roślin, które maksymalne wykorzystują azot dostarczany w postaci nawozu. Te innowacje doprowadziły do tak zwanej „Zielonej Rewolucji”, która rozpoczęła się w 1943 roku, kiedy to Meksyk stał się samowystarczalny w zakresie produkcji pszenicy Od 1964, duża część populacji Azji korzysta z zalet roślin hybrydowych i najnowszych osiągnięć chemii nawozówsztucznych. Obecnie Amerykańscy farmerzy mogą korzystać z nowych odmian kukurydzy i ziemniaków, które zawierają w swoich liściach i łodygach środki ochrony roślin.

2. TECHNOLOGICZNE KAMIENIE MILOWE W PRODUKCJI SPOŻYWCZEJ i UPRAWACH ROLNYCH IV.2. Ochrona plonów i stosowanie środków ochrony roślin Metoda Bordeaux i fungicydy W 1882 roku, francuski botanik Pierre M. A. Millardet zastosował wodny roztwórsiarczanu miedzi i wodorotlenku wapnia (mieszanina Bordeaux), aby efektywnie zwalczać pleśń pustoszącą francuskie winnice. Mieszanina Bordeaux, po dziś dzien, pozwala kontrolować populacje grzybów, które atakują plony. Środek ten uważany jest za pierwszy, stosowany na dużą skalę fungicyd i niewątpliwie zrewolucjonizował on techniki chemicznej ochrony plonów. Kolejnymi kamieniami milowym w chemii fungicydówbyło wprowadzenie na rynek w 1934 substancji zawierających w swojej strukturze fragment ditiokarboaminianowy oraz zastosowanie fungicydówstrobilurinowych w roku 1996. DDT i pestycydy Zadaniem pestycydówjest ochrona plonówprzed niebezpiecznymi grzybami, insektami oraz chwastami. W 1939 roku Paul Mueller opracował, do walki ze stonką ziemniaczaną, niedrogi insektycyd DDT (dichlorodifenylotrichloroetan). DDT i inne podobne środki pomagały kontrolować populacje szkodnikówi walczyć z chorobami przenoszonymi przez insekty przez ok. 20 lat. W latasz sześćdziesiątych XX wieku dostrzeżono jak duże zagrożenie dla środowiska i ludzkiego zdrowia niesie DDT. Dowiedziono, że insekty są w stanie uodpornić się na tej związek. Spowodowało to opracowanie nowych substancji i wycofanie DDT z użytku. Dzisiaj, stosowane w małych ilościach, bezpieczne i przyjazne środowisku pestycydy umożliwiają rolnikom wysokie zyski. DDT w walce z malarią DDT powoduje zmniejszenie grubości skorupki jajka Ochrona trzody Leczenie choróbzwierząt, zarówno przez szczepionki jak i leki, zwiększyło ilość i jakość produkowanego pożywienia. W 1881 roku, Louis Pasteur opracował technikę szczepienia zwierząt w celu wywołania u nich odporności na wąglika. W 1981, wprowadzono na rynek „Ivermectin”, czyli lek antypasożytniczy, który efektywnie walczył z wszelkiego rodzaju roztoczami, robakami i pasożytami zwierząt. Ostatnie badania w tej dziedzinie obejmują opracowanie leku na zwyrodnienie gąbczaste u bydła (choroba szalonych krów), które najprawdopodobniej powodowane jest przez białko znajdujące się w pożywieniu zwierząt. Louis Pasteur Automatyzacja gospodarstw rolnych Równolegle z rozwojem chemii rolniczej rozwija się, także automatyzacja gospodarstw rolnych. Proces ten dramatycznie zwiększa wydajność i produktywność tych jednostek. Napędzany silnikiem Diesla traktor został wymyślony przez amerykańskiego konstruktora Benjamina Holta, w 1904 roku. Dzisiaj traktory, spulchniacze gleby, kombajny, maszyny nawadniające czy wyszukane urządzenia elektroniczne opierają się na chemicznych innowacjach w dziedzinach takich jak petrochemia, inżynieria materiałowa, technologia gumy i opon oraz metody obliczeniowe. Nowoczesny kombajn Traktor unowocześniony przez Holta

3. TECHNOLOGICZNE KAMIENIE MILOWE W PRODUKCJI SPOŻYWCZEJ i UPRAWACH ROLNYCH IV.3. Przetwarzanie, transport i ochrona żywności Sacharyna i słodziki Chemiczne słodziki umożliwiają diabetykom i osobom odchudzającym się kontrolowanie poziomu cukru we krwi. W roku 1901, John F. Quenny jako pierwszy zsyntezował sztuczny słodzik: Sacharynę. W 1967, produkcja syropu kukurydzianego o wysokiej zawartości fruktozy (do 42%), przy użyciu enzymów, umożliwiła zwiększenie jego słodkości i umożliwiło zastosowanie słodzikóww większości napojów. Aspartam pierwszy raz sprzedano w Stanach Zjednoczonych w 1985; jest to niskokaloryczny, intensywny słodzik, popularnie nazywany „NutraSweet”, odkryty w 1955 roku jako potencjalny lek na raka. Witaminy i minerały Zrozumienie biochemii produktówspożywczych zrewolucjonizowało żywienie człowieka poprzez umożliwienie opracowania lekówna niedobory substancji odżywczych i witamin. Chemia w tej dziedzinie też jest bardzo pomocna, przykładem może być określenie właściwości witamin. Witamina A (beta-karoten) została wyizolowana w 1913 roku z masła i jajek. Substancja ta okazała się kluczowa dla procesu widzenie i ochrony nabłonka. Jej chemiczna struktura została określona w 1931, a pierwszy raz zsyntezowano ją w 1947 roku. Węgierski biochemik Albert Szent-Györgyi wyizolował kwas askorbinowy z nadnerczy w 1928 roku. Dzisiaj ta substancja jest popularnie zwana witaminą C. W 2001 roku w Azji, genetycznie zmodyfikowany „złoty ryż”, produkujący pro-witaminę A, umożliwił walkę ze ślepotą i innymi chorobami wywołanymi deficytem tej witaminy. Postępy w ochronie i wytwarzaniu żywności Korzenie nauki o chemii żywności sięgają dziewiętnastowiecznych badań Niemca Justusa Liebiga, kty jako pierwszy uzyskał ekstrakt z mięsa. Postępy w konserwowaniu i wytwarzaniu żywności umożliwiają pozyskiwanie produkt wysoce przetworzonych. Chemia żywności napędza rozw przemysłu i umożliwia opracowanie nowych technik przerobu produkt spożywczych. Nowe technologie umożliwiają przedłużenie świeżości jedzenia, są to między innymi: liofilizacja (1906), głębokie mrożenie (1920), wstępne gotowanie mrożonego jedzenia (1939) i produkcja koncentrat z płyn (1946). Plakat reklamujący wynalazek Liebiga – mięso o wydłużonym okresie spożycia. Ochrona żywności i kontrola jakości Każdy surowy czy przygotowany do spożycia produkt może zostać skażony i spowodować problemy zdrowotne człowieka. Do takiego skażenia może dojść na etapie przygotowania, smażenia, podawania czy nawet przechowywania. Chemia pomaga rozwiązać problemy bezpieczeństwa żywności, wliczając w to szybkie test do określania zawartości szkodliwych mikrobóbi kontroli epidemii choróbprzenoszonych przez kontakt z żywnością. Występowanie takich choróbzostało zredukowane w Stanach Zjednoczonych o 20% w latach 1997-1999.

4. TECHNOLOGICZNE KAMIENIE MILOWE W PRODUKCJI SPOŻYWCZEJ i UPRAWACH ROLNYCH IV.4. Przechowywanie żywności Pakowanie Technologia pakowania jedzenia w plastikowe, metalowe, szklane i ceramiczne pojemniki umożliwia zachowywanie świeżości podczas transportu, sprzedaży i przygotowywania dań. Ralph Wiley w latach trzydziestych XX wieku opracował polimer o nazwie „Saran”, natomiast folia spożywcza do zastosowań domowych została wprowadzona w roku 1953. Takie rozwiązanie gwarantowało ochronę przed tlenem, wilgocią, zapachami i czynnikami chemicznym w każdych warunkach. Folia „Saran” jest to kopolimer chlorku winylidenu i chlorku winylu. Kolejnymi innowacjami było wprowadzenie w latach sześćdziesiątych metalowych puszek do przechowywania żywności i przetworóworaz poli(tereftalanu etylenu) (PET), którego używa się do produkcji pojemników podlegających recyklingowi. Chłodziwa i freony Od roku 1918, kiedy to lodówki znalazły się w użytku domowym, umożliwiają one bezpieczne transportowanie i przechowywanie żywności. Jednak na początki lat 20 XXI wieku, urządzenia te nie cieszyły się duża popularności ze względu na toksyczny dwutlenek siarki używany jako chłodziwo. Rozwiązaniem okazał sie Freon 12, czyli chlorofluorometan (czy też CFC i CCl2F2). Związki te zostały otrzymane przez Thomasa Midgley i Charlesa Ketteringa w 1931 roku. Lodówki szybko stały się standardem w większości domów, restauracjach i sklepach z warzywami. Teraz freony nie są używane ze względu na rolę jaka pełnią w niszczeniu warstwy ozonowej. „Icebox” (1890) i współczesna lodówka Kuchenki mikrofalowe Wiele innowacji, które pojawiły się w XX wieku, umożliwiło zredukowanie ilości pracy wkładanej w przygotowanie posiłków. Jednym z takich pomysłów, związanym z naukami chemicznymi, było odkrycie kuchenki mikrofalowej. W 1945 roku, Percy L. Spencer stojąc w pobliżu działającego radaru w Raytheon zauważył, że czekoladowy batonik w jego kieszeni zaczął się topić. Zafascynowany tym odkryciem powtórzył doświadczenie z użyciem popcornu i w ten sposóbpowstała pierwsza kuchenka mikrofalowa. Jego „Radarange” zadebiutował jeszcze w tej samej dekadzie w wielu kuchniach. Dzisiaj, magnetrony (przekaźniki fal mikrofalowych z czasówII Wojny Światowej) są sercami każdej kuchenki. Cząsteczka kwasu chlorowego (I) Czysta woda Rozwój chemii pozwolił na usprawnienie procesówuzdatniania wody i oczyszczania jej z bakterii, wirusówi szkodliwych zanieczyszczeń. Główne innowacje dotyczą zastosowanie węgla, jako adsorbentu pochłaniającego zapach i związki psujące smak oraz zastosowanie dodatków, które zmiękczają wodę i usuwają metale ciężkie. Poza tym nowe technologie umożliwiają efektywne oczyszczanie i dostarczanie wody do odbiorców. Dezynfekcja przy użyciu chloru jest stosowana od 1910 roku, a wybielacze do zastosowań domowych zostały wprowadzone już w 1913. Środki dezynfekcyjne oparte na chlorze cały czas stanowią bardzo dobrą ochronę kuchni i jedzenia przez szkodliwymi bakteriami i wirusami.