Chemické Inženýrství—také odkazoval se na jako procesní inženýrství je obor strojírenství nanášení fyzikálních a biologických věd, matematiky a ekonomie výroby a transformace chemických látek, energie a materiálů. Tradičně se skládá z transportu tepla, hmoty a hybnosti, kinetiky a reakčního inženýrství, chemické termodynamiky, řídicí a dynamické simulace, separace a jednotkových operací. Konvenčně vyvinut a aplikován pro petro-chemický a těžký chemický průmysl, chemické inženýrství se rychle vyvinul s aplikacemi v mnoha oblastech, včetně změny klimatu, environmentální systémy, biomedicínské, nové materiály a komplexní systémy.

V roce 2003, zpráva „Mimo molekulární hranic: výzvy pro chemické vědy a chemické inženýrství“ pověření Národní Rady pro Výzkum z Americké Národní Akademie a předsedá Profesoři Breslow a Tirrell byl propuštěn (National Research Council, 2003). Studie zkoumala stav chemické vědy: kde jsme, jak jsme dospěli k tomuto stavu a kam směřujeme? Dospěl k závěru, že věda je stále interdisciplinárnější. To také identifikován trend směrem k silné integraci od molekulární úrovně až po chemické inženýrství a „vznik křižovatkách chemické vědy s všechny přírodní vědy, zemědělství, životního prostředí, vědy a medicíny, jakož i s materiály vědy, fyzika, informační technologie a mnoha dalších oblastech strojírenství.“O deset let později byla tato vize do značné míry realizována a takzvané“ molekulární inženýrství“, které integruje chemické inženýrství se všemi vědami, je nyní realitou. Tyto rychle se rozšiřující křižovatky široké škály vědních oblastí s inženýrstvím jsou novými hranicemi chemického inženýrství.

hranice ve vědě a inženýrství jsou mobilní a neustále se rozšiřují nelineárním a stochastickým způsobem. Jakýkoli pokus zmapovat hranice znalostí je obtížné cvičení, které je obvykle zastaralé před jeho zveřejněním. Pravděpodobně výhodnější alternativou je napadnout hranice: posunout jejich hranice, dokud nedojde k nějaké reakci: zda odmítnutí komunitou nebo nějaký pokrok následuje v přírůstkových nebo kvantových krocích.

Další přístup k vymezení hranice chemického inženýrství je, aby zvážila chemické reakce, které poznamenaly vývoj lidstva je současný životní úroveň a témata v současné době zásadní, aby se zajistilo, že přijatelné normy jsou distribuovány rovnoměrně po celém světě, aniž by katastrofální dopad na globální klima a ekosystémy. Jaká je nejdůležitější chemická reakce, která zasáhla lidstvo? A co bude další? Jaké jsou nejvýznamnější chemické technologie potřebné k zajištění rozšíření přijatelné životní úrovně při minimalizaci dopadů na životní prostředí?

vezměte si jen jeden z mnoha možných kandidátů na titul „Nejdůležitější Chemický Proces,“ Haber-Bosch reakce, která produkuje amoniak reakcí atmosférického dusíku s vodíkem, umožnila lidstvu projít 2 miliardy obyvatel bariéru a dostat se na současnou globální populaci přibližně o 7 miliard (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Amoniak je klíčovou složkou hnojiva pro dobrý růst rostlin. Až do příchodu Haber-Bosh proces v roce 1913, zemědělství provozováno pod dusíku-omezené podmínky pěstování orné půdy dostatečně krmit pouze 2 miliardy lidí. Vývoj nízkonákladových hnojiv umožnil novou éru růstu výnosů plodin i lidských nutričních standardů tím, že unikl omezením stanoveným přírodními procesy fixace dusíku. Výsledkem byla zemědělská revoluce.

Další příklad chemické procesy s širokou sociální význam ve vývoji antibiotik, vakcín a imunologie, který dal lidstvu mnohem lepší kontrolu nad mikrobiálních patogenů, což umožňuje delší a lepší lidské životy. Ještě třetí oblast chemie je naše chápání polovodičové materiály a jak k masové produkci je s mimořádnou přesností, která je základem moderní mikroelektroniky, počítačové vědy a World Wide Web. Tyto chemické a elektronické technologie účinně oddělena paměť/úložiště funkce lidského mozku z jeho analytické schopnosti, čímž osvobozující své pravomoci, zaměřit se na kreativitu a připojení v způsoby, které předchozí generace nedokázal představit. Stále sofistikovanější aplikace matematických principů na jevy z fyziky, chemie a biologických věd, od atomární úrovni k intergalaktické váhy, nám umožní lépe pochopit přírodní a antropogenní jevy a buď ovládat, nebo se připravit na změny, které jsou mimo naši kontrolu.

Langer a Tirrell, z MIT a Caltech, respektive, mají propagoval inženýrský přístup k biomateriálů pro lékařské použití, dokonce tlačí hranice onkologie a tkáňové inženýrství (Langer a Tirrell, 2004; Karp a Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird a kol. ukázalo se, že molekulární inženýrství povrchu ovlivňuje nejen chování kapalných kapiček s povrchem v rovnováze, ale také jejich dynamickou interakci (Bird et al., 2013).

při řešení průmyslových a praktických problémů často také zpochybňujeme hranice v chemickém inženýrství. Chemické inženýrství představuje jak aplikaci vědy, tak vazbu mezi chemií, společností a průmyslem. Studie chemického inženýrství často posouvají hranice chemie aplikací modelových systémů a rovnic vyvinutých s dobře vychovanými systémy na složité průmyslové výzvy. Inženýrský přístup hodnotí a kvantifikuje relativní význam kombinovaných, antagonistických nebo synergických systémů. S cílem minimalizovat hřiště depozice v papírenství, jsme nedávno zkoumali vliv soli, smyku, a pH na hřišti koagulace zjistit vliv ion-specifičnost a non-ideální chování s shear (Lee et al., 2012). Ve vývoji papír diagnostika pro psaní krve, jsme kvantifikované bio-specifické reverzibilní srážení červených krvinek a používá adsorpce, tak eluce, filtraci a chromatografii rozvíjet praktické technologie. Tato aplikovaná studie zdůraznila mezeru ve znalostech o dynamické interakci protilátek a makromolekul s povrchy (Khan et al ., 2010; Al-Tamimi a kol., 2012).

jaké jsou tedy nové hranice, které je třeba zpochybnit? Z multidimenzionálního přístupu založeného na terénu a aplikaci jsou následující:

Reakce Inženýrství

• Kombinace organických, anorganických a biochemická katalýza snížení energetické aktivace, zvýšení selektivity, snížit spotřebu energie, vedlejší produkty (oddělení) a nahradit toxická organická rozpouštědla a činidla na bázi vzácných prvků reakce ve vodném nebo bio na bázi rozpouštědel pomocí zelené chemické principy.

• Využití fotosyntézy pro konverzi sluneční energie a CO2 do glukózy, ligno-celulózové polymery a jejich meziproduktů pomocí enzymatické katalyzátory a/nebo vodné systémy.

• porozumět a optimalizovat přenos hmoty, přenos energie, rozsah a selektivitu reakcí v medicíně. Aplikace zahrnují selektivní destrukci rakovinných buněk, bakterií, hub a virů (infekce) a regulaci imunologických reakcí.

• Prediktivní reakce strojírenství nastavení rychlosti reaktantu a produktu odstranění podle kinetiky reakce na minimalizaci vedlejších reakcí, čímž se separace jednodušší a efektivnější.

operace jednotek a dopravní jevy

• selektivnější, specifické a nízkoenergetické separační procesy pro systémy plyn-plyn a kapalina-kapalina.

• vysoký tok a anti-znečišťující reverzní osmóza a membránové separace.

• zlepšila separaci tepelně citlivých chemických látek s podobnými body varu pomocí frakční destilace nebo jiných prostředků.

• lepší metody čerpání a transportu suspenzí pevných látek v kapalinách-zejména při vysokém obsahu pevných látek.

Biomedicínského

• Rozvíjet inženýrský přístup k modelu a regulovat (ovládání) chování a funkce lidského těla a duševních procesů.

• aplikujte simulační a kontrolní strategie na různé hierarchie biologických systémů, od DNA a RNA, buňky, tkání a orgánů až po lidské tělo, aby se zlepšila kvalita života lidem s genetickými a souvisejícími poruchami.

• minimálně invazivní senzory pro kontrolu krevního tlaku, koncentrace lipidů v krvi a srdeční frekvence.

• nanotechnologie pro selektivitu v onkologii a podávání léků.

• biotechnologie a vylepšené biomateriály pro regeneraci orgánů.

energie

• nízká cena energie je klíčem ke zlepšení životní úrovně většiny lidí v méně rozvinutých zemích. S antropogenní emise skleníkových plynů, což způsobuje pomalý, ale stabilní globální oteplování—dostatečně prokázané skutečnosti—hlavním úkolem je produkovat čisté energie s minimálním dopadem na životní prostředí. Chemičtí inženýři jsou povinni ověřit a zajistit, aby energetické bilance a termodynamika byly ekonomicky nejlépe dosažitelné. Výroba chemických látek z obnovitelných zdroj a pomocí zelené chemie je rozšíření výzvu, a znovu chemical engineers úřadující odpovědnost je odhalit procesy a reakce s pozitivní termodynamika a energetické bilance, pak optimalizovat tyto procesy, aktivní spolupráce s ekonomy, vědci v oblasti životního prostředí a společnosti jako celku.

• nákladově efektivní skladování sluneční energie (včetně sluneční energie obsažené ve větrných a oceánských proudech) umožňující distribuci v době špičkové lidské poptávky zůstává kritickým problémem. Vývoj reverzibilních procesů pro ukládání a využití energie, které mají rychlé spouštěcí A vypínací vlastnosti, je proto prvořadý.

• Při rychlé a řízené uvolňování velkého množství (především) elektrické energie je důležitá při plnění potřeb společnosti, nemělo by se zapomínat, že tam by byl obrovský přínos v zachycování a ukládání solární energie v způsoby, které napodobují přírodní fotosyntetických procesů, tak, že solární energie je uložena v chemické vazby, spíše než jako tepelné, nebo elektronické starosti oddělení. Pokud „umělá“ fotosyntetická reakce, do které je sluneční energie „čerpána“, spotřebovává oxid uhličitý, pak by bylo jasně dosaženo dvou hlavních cílů v jediném technickém pokroku. V této souvislosti je třeba připomenout, že při reakci oxidu uhelnatého s kyslíkem je vysoce exotermní, reverzní reakci, a sice, tepelná disociace oxidu uhličitého na oxid uhelnatý a kyslík, může dojít na různé teploty, které může být dosaženo v solární pece (Nigara a Vichřice, 1986). Zbývající technologické mezery jsou vývoj pokročilých žáruvzdorných materiálů, které vydrží teploty potřebné k řízení reakce, výměny tepla a účinné separace reakčních produktů. Rozpouštění oxidu uhelnatého ve vodném alkáliích za vzniku formátů alkalických kovů se jeví jako slibný přístup.

Materiál

• Víceškálových inženýrství: propojení nano, mikro a mezo váhy na makro rozsahu, v obou materiálů a procesů bude základem pro velkou většinu problémů uvedených výše.

• aby nanotechnologie pokročila, bude nezbytné molekulární inženýrství pomocí vylepšených molekulárně dynamických simulací.

• Použití materiálů, které lze znovu zpracovat do podobné výrobky, nebo pokud to není možné, do kaskády produkty s nižší hodnotou, s koncovými produkty jsou zcela biologicky odbouratelné.

• vyvinout materiály a kompozity z nízkoenergetických procesů lepším porozuměním struktur komponent od atomové stupnice po makroskopické vlastnosti. Je třeba zaměřit se na výměnu komoditních aplikací energeticky náročných betonů a kovů.

Zelené Chemikálie,

• principy zelené chemie byly dobře propagoval (Anastas a Warner, 1998). Maximální využití musí být z obnovitelných surovin, s využitím všech komponent. Protože biomasa má nízkou hustotu energie ve srovnání s fosilních zdrojů uhlíku, energie, účinnost zpracování biomasy vyžadují kritické přehodnocení, včetně vývoje menší mobilní zpracování rostlin, které mohou být přijata do oblastí, kde se biomasa je k dispozici na sezónním základě. Takové přezkoumání by nemělo vyloučit možné sociální a komunitní výhody.

• klíčovým faktorem pro lepší využití biomasy bude vývoj nových chemických drah, které se více inteligentní využití struktury polysacharidy a ligniny. V této souvislosti bimolecular mechanismy, podle kterých určité druhy hmyzu v rodinách Hemiptera, Hymenoptera může manipulovat diferenciaci buněk a tvorbu tkáně u vyšších rostlin v jejich prospěch, tím, že indukuje tvorbu hálky a související, často vysoce nařídil ochrannou konstrukcí, vyrobený hostitelské rostliny si zaslouží podrobné multidisciplinární obor.

• Zatímco řada užitečných enzymů, které jsou nyní vyrábí, izolovány a použity v průmyslovém měřítku, sazby, za které katalyzují procesy jsou obvykle omezeny tepelné nestability a denaturace pomocí povrchově aktivních látek a pohyb pH mimo neutrální rozsah. Chemické inženýři se tradičně používá teplo, tlak, pH, k urychlení chemických reakcí, přesto studium molekulární biologie extremofilní organismy a jejich enzymy, které se zřejmě vyvinuly tak, aby vydržely extrémní teploty, tlaky a pH se pohybuje, které se vyskytují v hlubokém oceánu otvory a sopečné bazény se zdá být v plenkách.

pokrok v chemickém inženýrství byl často postupný. Zpočátku se narodil z manželství mezi strojírenství a aplikované chemie, chemické inženýrství rozrostla do plnohodnotného široká disciplína, která se neustále hledají nové výzvy. Jedna oblast, ve které mnoho z těchto problémů jsou zaměřeny zdokonalených technologií k využití hmoty a energie v způsoby, které vytvářejí nové produkty, jako jsou orgány, systémy akumulace energie, molekulárně inženýrství kompozitů, atd. Úzce související oblastí je optimalizace procesů s cílem zajistit, aby stávající i nové produkty byly vyráběny nejúčinnějším a nejudržitelnějším způsobem-z hlediska energie a vedlejších produktů. Třetí oblastí problémů je budování nových zařízení a úpravy starších takové, které mají jasný sociální licence k provozování a využívání technologií, na kterých společnost závisí poskytnout přijatelné životní úrovně.

mnoho z nejzajímavějších a plodných výzev na hranicích chemického inženýrství zahrnuje integraci chemického inženýrství s chemií, fyzikou a biologií doprovázenou redefinicí kontrolního objemu. V duchu této filosofie bude prvním výzkumným tématem hranic v chemickém inženýrství aplikace principů chemického inženýrství na onkologii se zaměřením na nanotechnologie.