Етилен: свойства, употреба, влияние върху узряването и присъствие в природата

Какво е етилен?

Етилен Това е органично химично съединение с формула C2H4, Известен също като етен, Това е а безцветен, запалим газ с характерен сладък и мек аромат, класифициран като най-простият алкен заради неговата двойна въглерод-въглеродна връзкаТова съединение е от съществено значение както в индустриалната химия, така и в биологичните процеси, тъй като действа като газообразен растителен хормон който регулира множество физиологични процеси в растенията.

На молекулярно ниво, Етиленът се състои от два въглеродни атома и четири водородни атома. Поради планарната си структура и наличието на двойна връзка, всички атоми в молекулата лежат в една и съща равнина, а ъгълът между водородните атоми е приблизително 117,4°, много близо до идеалния за sp² хибридизиран въглерод. Тази конфигурация благоприятства реактивността на етилена, особено към електрофили, което обяснява многобройните му индустриални приложения.

В природата, Етиленът е единственият фитохормон с газообразна природа. и участва в процеси като узряване на плодовете, стареене и окапване на листата и цветоветеПо този начин, етиленът е много повече от просто химично съединение: той е съществен участник в жизнения цикъл на растенията и стълб на съвременната химическа индустрия.

Физични и химични свойства на етилена

Етиленът представлява серия от физични и химични свойства които определят както поведението им в природата, така и промишленото им приложение:

• Външен вид: безцветен газ.
• Плътност: 1,178 кг/м³ при стандартна температура и налягане.
• Точка на топене: приблизително –169 °C.
• Точка на кипене: около –104°C.
• Разтворимост във вода: смесим, макар и в ниски концентрации.
• Възпаление: Лесно запалим, с граници на експлозивност между 2,7% и 36% във въздуха.
• Реактивност: Двойната му връзка го прави много реактивен спрямо електрофили, което го използва в множество химични синтези.

Тези характеристики правят етилена сравнително лесен за работа в контролирана среда, но изискват строги мерки за безопасност. безопасност, особено поради запалимостта му.

Молекулярна структура и реактивност

Планарната структура на молекулата, с нейните копланарни атоми, позволява на двойната връзка да действа като област с висока електронна плътност. Това улеснява реакции на присъединяване (особено електрофили), поради което етиленът е толкова ценен като суровина в химическата промишленост. UV-Vis спектърът на етилена се използва за тестване на теоретични методи поради неговата спектроскопска простота.

Шестте атома в копланарната структура правят молекулата подходяща за използване в процеси, катализирани от преходни метали, които могат да взаимодействат с π-орбиталите на двойната връзка.

За какво се използва етиленът?

Етилен Той играе ключова роля както в биологичните процеси на растенията, така и в множество промишлени сектори. Употребата му може да се класифицира основно в две широки области: промишлени приложения y биологични функции.

Промишлени приложения на етилена

Етилен Това е едно от най-широко произвежданите органични съединения в световен мащаб. Значението му се състои в неговата универсалност като суровина в химическата промишленост, където основните му приложения включват:

• Производство на полиетилен: Повече от 50% от световното производство на етилен се използва за производството на тази пластмаса, която се използва широко в торби, контейнери, бутилки, тръби и кабелни покрития.
• Синтез на разтворители и лепила: Етиленът е основата за получаване на етиленгликол и етилбензен, и двата от съществено значение за производството на разтворители, лепила и текстилни влакна като полиестер.
• Автомобилна и строителна индустрия: Използва се за производството на синтетичен каучук, който е от съществено значение за гумите, уплътненията и изолационните материали.
• Химическо производство: Като например етиленов оксид (прекурсор на повърхностноактивни вещества и детергенти), етиленгликол (антифриз), етилбензен (полистирен) и други.
• Заваряване и рязане на метали: Поради високата си запалимост, той се използва като горивен газ при процесите на заваряване и рязане на метали.

Биологични функции на етилена в природата

Етилен се откроява като a растителен хормон е от съществено значение и действието му засяга почти всяка фаза от развитието на растенията. Някои от най-важните му функции включват:

• Зреене на плодовете: Етиленът ускорява узряването и е отговорен за промените в цвета, текстурата и вкуса на много плодове.
• Стареене и абсцесия: Той участва в опадането на листата, цветовете и плодовете, както и в стареенето или стареенето на растенията.
• Реакция на стрес: Произвежда се в по-големи количества, когато има рани, воден стрес, наводнения, топлина или инфекции, помагайки на растението да се адаптира към неблагоприятни условия.
• Покълване и развитие: Етиленът участва в покълването на семената, образуването на корените и кореновите власинки, както и в прекъсването на покоя на пъпките при някои видове.
• Регулация на вегетативните процеси: Той предизвиква епинастия (изкривяване надолу на младите стъбла), увеличава дебелината на стъблото и инхибира удължаването му, в зависимост от вида и етапа на развитие.

Регулира всички фази от жизнения цикъл на растението, от поникване до смърт и разлагане на тъканите.

Как се произвежда етилен?

Етиленът може да се получи и от двете от естествена форма в живи организми, като например чрез промишлени процесиНека разгледаме и двата случая:

Естествена биосинтеза в растенията и микроорганизмите

В растенияЕтиленът се произвежда във всички органи, с по-голяма интензивност в меристематичните области (зони на активно клетъчно делене), зрелите органи, в отговор на рани, стрес от околната среда или по време на съзряване и стареене.

Процесът на биосинтеза на етилен в растенията включва трансформацията на аминокиселината метионин в S-аденозилметионин (SAM), което води до образуването на междинен продукт, наречен 1-аминоциклопропил-1-карбоксилна киселина (ACC), катализиран от ензима ACC синтаза. Този междинен продукт впоследствие се окислява от ензима ACC оксидаза, генерирайки етилен, въглероден диоксид и циановодородна киселинаТака полученият етилен действа като вътреклетъчен и извънклетъчен сигнал, регулирайки множество гени и физиологични реакции.

В допълнение към висшите растения, различни микроорганизми —включително някои бактерии и гъбички — могат да синтезират етилен като част от метаболитния си цикъл. Съществуват фитопатогенни гъби, като например Ботритис които се образуват по време на разлагането на растенията.

Промишлено производство

Промишленото производство на етилен е от съществено значение за задоволяване на световното търсене на полиетилен и други химикали. Основният използван метод е термичен крекинг на въглеводороди (наричан още парокрекинг). Този процес се състои от следното:

1. Избор на базов въглеводород: Те използват главно природен газ (етан, пропан) или нафта, получена от петрол.
2. Нагряване при високи температури: Избраните въглеводороди се подлагат на температури над 800°C, за да се разкъсат молекулните връзки.
3. Разделяне и охлаждане: Полученият етиленов газ се отделя, охлажда и кондензира.
4. Пречистване: Примесите се отстраняват и се получава етилен с висока чистота, готов за промишлена употреба.

Къде се намира етиленът в природата?

El етилен Той присъства в различни среди и източници, както естествени, така и изкуствени:

• Зреещи плодове и зеленчуци: Плодове в климактериума (като ябълки, банани, круши, домати, авокадо и смокини) произвеждат големи количества етилен, докато узряват. Някои, като ябълките, могат да произведат до 2500 μL/литър.
• Стареещи цветове и листа: По време на стареенето и есента, растенията и цветята произвеждат етилен в по-големи количества.
• Стъбла и корени: Вегетативните органи, които растат или са под стрес, са допълнителни източници на етилен.
• Микроорганизми и гъбички: Многобройни микроорганизми генерират етилен чрез разграждане на органична материя.
• Изкуствени източници: Изгарянето на синтетични материали, автомобилните изгорели газове, изгарянето на боклук, цигареният дим и някои промишлени съоръжения могат да отделят етилен в околната среда.

В индустриите след прибиране на реколтата и транспорта етиленът е особено проблематичен, тъй като може да се натрупва в затворени камери и контейнери, ускорявайки узряването и разграждането на нетрайни продукти.

Влияние на етилена върху плодове, зеленчуци, цветя и околната среда

Етилен Той действа като ключов регулатор на живота след прибиране на реколтата и качеството на растителните продукти. Основните му ефекти включват:

• Ускорено съзряване: Наличието на етилен предизвиква бързо узряване, промяна на цвета (от зелен към жълт или червен), омекване и развитие на аромати и вкусове в плодовете.
• Намаляване на полезния живот: Натрупването на етилен при съхранение в хладилник или по време на транспортиране може драстично да намали качеството и срока на годност на плодове, зеленчуци и отрязани цветя.
• Разпространение на патогени: В присъствието на етилен, някои гъбички и бактерии могат да се размножават по-бързо, ускорявайки развалянето на растителните продукти.
• Стареене на растителните органи: Етиленът насърчава стареенето и окапването на листата, венчелистчетата и плодовете.
• Промяна на вкуса и текстурата: В някои случаи етиленът може да промени негативно вкуса (например, да направи морковите горчиви, ако се съхраняват до ябълки).

Практическо доказателство за неговия ефект е добре познатата фраза: „Една лоша ябълка разваля целия букет“, тъй като узрелият плод – чрез отделяне на етилен – ускорява узряването и гниенето на други плодове около него.

Технологии за контрол и управление на етилен

Хранителната промишленост е разработила различни стратегии и технологии за контрол на производството и ефектите на етилена по време на съхранението, транспортирането и търговията с плодове и цветя:

• Контролирана атмосфера (AC): Те се състоят в промяна на концентрацията на кислород, въглероден диоксид и етилен в складовите камери, за да се намали скоростта на дишане и да се забави узряването.
• Етиленови пречистватели: Използване на филтри, съдържащи калиев перманганат или бромиран въглен, за абсорбиране на газа и поддържане на ниски нива, осигурявайки по-дълъг срок на годност на вашите продукти.
• Инхибитори на синтеза на етилен: Химикали като аминоетоксивинилглицин (AVG) блокират производството на етилен преди прибиране на реколтата, като временно забавят узряването.
• Инхибитори на действието на етилена: El 1-метилциклопропен (1-MCP) блокира етиленовите рецептори в растителните тъкани, като неутрализира реакцията към хормона, дори ако той е наличен.
• Съхранение при оптимални условия: Контролирането на температурата и влажността минимизира производството и ефектите на етилена.

Тези техники са от съществено значение за износа и международния маркетинг на плодове и цветя, както и за намаляване на отпадъците след прибиране на реколтата.

Стимулиране и потискане на зреенето с етилен

Контролирането на етилена позволява не само забавяне на узряването, но и ускорете го, когато е търговски изгодно:

• Индуцирано узряване: Екзогенното приложение на етилен или регулатори, които го освобождават (като 2-хлороетилфосфонова киселина, по-известна като етефон) е често срещана практика за ускоряване на узряването и развиване на цвета и вкуса на банани, банани, авокадо, круши и домати след прибиране на реколтата.
• Търговско оцветяване: Етиленът помага за елиминирането на хлорофила в кожата на цитрусовите плодове (портокали), като по този начин осигурява по-привлекателен цвят за потребителя, без да променя вътрешната им зрялост.

Ефективността на индуцираното узряване зависи от фактори като вида, степента на развитие на плодовете, температурата, влажността, концентрацията на етилен и времето на експозиция.

Разлики между климактерични и неклимактерични плодове

Не всички плодове реагират по един и същи начин на етилена. Има две основни категории:

• Климактерични плодове: Това са тези, които продължават да узряват и увеличават производството на етилен дори след като са отстранени от растението. Примери: ябълки, банани, круши, домати, смокини, авокадо.
• Неклимактерични плодове: Те не показват значително увеличение на производството на етилен след прибиране на реколтата и не узряват, ако се отстранят зелени (цитрусови плодове, грозде, дини, чушки, череши).

Това разграничение е от съществено значение за обработката след прибиране на реколтата и международния маркетинг.

Роля на етилена в селското стопанство и хранителните технологии

Манипулация с етилен Това е основен инструмент в съвременното земеделие и хранително-вкусовата промишленост. Той позволява:

• Удължаване на срока на годност на селскостопанските продукти чрез контролиране на тяхната концентрация.
• Адаптиране на предлагането към търговското търсене ускоряване или забавяне на съзряването.
• Намалете икономическите загуби свързани с презряване и влошаване на състоянието.
• Оптимизиране на транспорта и износа на плодове, зеленчуци и цветя.

Освен това, разбирането на физиологията на етилена е позволило разработването на биотехнологични решения за...

Изберете сортове с по-голяма устойчивост на отрицателни ефекти или със специфичен капацитет за производство на етилен.

Опасности и рискове от етилена за здравето и безопасността

Етиленът не е токсичен за хората. в обичайните концентрации, но има рискове, свързани с употребата и съхранението му:

• Запалимост и експлозивност: Основният риск е високата му запалимост. В затворени среди или в случай на теч, той може да причини експлозии при наличие на искри или пламъци.
• Инхалационна токсичност при високи концентрации: Въпреки че се счита за нискотоксично, излагането на високи нива може да причини замаяност, умора, главоболие, объркване и в екстремни случаи загуба на съзнание.

Адекватните вентилационни системи и газови детектори са жизненоважни в промишлени среди, където се работи с етилен, в допълнение към използването на лични предпазни средства (ЛПС) и протоколи за химическа безопасност.

Източници на етилен в градска и индустриална среда

Освен от растителни източници, етиленът може да присъства и в градска и промишлена среда в резултат на:

• Емисии от автомобили: Изгорелите газове от превозните средства съдържат етилен, което допринася за натрупването му в градска атмосфера или в затворени контейнери.
• Изгаряне на синтетични материали: Независимо дали чрез изгаряне на боклук или чрез промишлени емисии.
• Флуоресцентни лампи и цигарен дим.

Замърсяването с етилен може да има икономически последици, ускорявайки загубата на продукти по време на транспортиране или съхранение.

Как да измерваме и контролираме етилен в селскостопанска и промишлена среда

Контролът на етилена изисква постоянно наблюдение и специфични технологии:

• Детектори за етилен: Специфични сензори, способни да измерват много ниски концентрации (в диапазона от части на милиард, ppb).
• Филтри с калиев перманганат: Те отстраняват и окисляват етилена от въздуха и обикновено се използват в хладилни складове и контейнери.
• Сифони и принудителна вентилация: Системи за извличане и подновяване на въздуха за предотвратяване на опасно натрупване на газове.

Изборът на най-подходящия метод зависи от вида на продукта, условията на съхранение и изискванията за качество.