Kemiteknik—også kaldet procesteknik—er den gren af teknik, der anvender fysisk og biovidenskab, matematik og økonomi til produktion og transformation af kemikalier, energi og materialer. Traditionelt består den af varme -, masse-og momentumtransport, kinetik og reaktionsteknik, kemisk termodynamik, kontrol og dynamisk simulering, separation og enhedsoperationer. Konventionelt udviklet og anvendt til den petrokemiske og den tunge kemiske industri, Kemiteknik har hurtigt udviklet sig med applikationer inden for en lang række områder, herunder klimaændringer, miljøsystemer, biomedicinske, nye materialer og komplekse systemer.

i 2003 blev rapporten “Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering” mandat af National Research Council of the American National Academies og ledet af professorer Breslav og Tirrell blev frigivet (National Research Council, 2003). Undersøgelsen undersøgte status for kemisk videnskab: hvor er vi, hvordan ankom vi til denne tilstand, og hvor er vi på vej hen? Det konkluderede, at videnskaben er blevet mere og mere tværfaglig. Det identificerede også en tendens mod den stærke integration fra molekylært niveau til kemiteknik og “fremkomsten af krydsene mellem den kemiske videnskab med alle naturvidenskab, landbrug, miljøvidenskab og medicin samt med materialevidenskab, fysik, informationsteknologi og mange andre ingeniørfag.”Et årti senere er denne vision stort set blevet realiseret, og såkaldt “molekylær teknik”, der integrerer Kemiteknik med alle videnskaber, er nu en realitet. Disse hurtigt voksende kryds af en bred vifte af videnskabsområder med teknik er de nye grænser inden for Kemiteknik.grænser inden for videnskab og teknik er mobile og udvides stadig på en ikke-lineær og stokastisk måde. Ethvert forsøg på at kortlægge grænserne for viden er en vanskelig øvelse, der normalt er forældet, før den offentliggøres. Et uden tvivl mere rentabelt alternativ er at udfordre grænserne: at skubbe deres grænser, indtil der opstår en reaktion: om afvisning fra samfundet eller nogle fremskridt følger i trinvise eller kvante trin.

en anden tilgang til at definere grænserne for Kemiteknik er at overveje de kemiske reaktioner, der har markeret udviklingen af menneskehedens nuværende levestandard og de emner, der i øjeblikket er kritiske for at sikre, at acceptable standarder fordeles mere retfærdigt over hele kloden uden katastrofal indvirkning på det globale klima og økosystemer. Hvad er den vigtigste kemiske reaktion, der har påvirket menneskeheden? Og hvad bliver den næste? Hvad er de mest betydningsfulde kemiske teknologier, der er nødvendige for at sikre udvidelse af acceptabel levestandard og samtidig minimere miljøpåvirkningen?

for at tage kun en af mange mulige kandidater til titlen “vigtigste kemiske proces” har Haber-Bosch-reaktionen, der producerer ammoniak ved at reagere atmosfærisk nitrogen med hydrogen, gjort det muligt for menneskeheden at passere 2 milliarder befolkningsbarrieren og nå den nuværende globale befolkning på omkring 7 milliarder (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Ammoniak er en vigtig ingrediens i gødning for god plantevækst. Indtil fremkomsten af Haber-Bosh-processen i 1913 fungerede landbruget under kvælstofbegrænsede forhold med dyrkning af dyrkningsarealer, der var tilstrækkelige til kun at fodre 2 milliarder mennesker. Udvikling af billig gødning har muliggjort en ny æra med vækst i både afgrødeudbytter og menneskelige ernæringsstandarder ved at undslippe de begrænsninger, der pålægges af naturlige kvælstoffikseringsprocesser. En landbrugsrevolution har været resultatet.

et andet eksempel på kemiske processer med bred social betydning er udviklingen af antibiotika, vacciner og immunologi, som har givet menneskeheden meget bedre kontrol over mikrobielle patogener, hvilket giver længere og bedre menneskeliv. Endnu et tredje område af kemi er vores forståelse af halvledermaterialer og hvordan man masseproducerer dem med ekstraordinær præcision, der er grundlaget for moderne mikroelektronik, datalogi og internettet. Disse kemiske og elektroniske teknologier har effektivt afkoblet den menneskelige hjernes hukommelse/lagringsfunktion fra dens analytiske evne og derved frigjort dens kræfter til at fokusere på kreativitet og forbindelse på måder, som tidligere generationer ikke kunne forestille sig. Stadig mere sofistikeret anvendelse af matematiske principper på fænomenerne Fysik, Kemi og biologiske videnskaber, fra atomniveau til intergalaktiske skalaer, gør det muligt for os bedre at forstå naturlige og menneskeskabte fænomener og enten kontrollere dem eller forberede os på ændringer, der er uden for vores kontrol.

Langer og Tirrell, fra henholdsvis mit og Caltech, har været banebrydende for en teknisk tilgang til biomaterialer til medicinsk anvendelse og endda skubbet grænsen for onkologi og vævsteknik (Langer og Tirrell, 2004; Karp og Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. viste, at molekylær konstruktion af overfladen påvirker ikke kun opførslen af flydende dråber med en overflade ved ligevægt, men også deres dynamiske interaktion (Bird et al., 2013).

Når vi løser Industrielle og praktiske problemer, udfordrer vi ofte også grænser inden for Kemiteknik. Kemiteknik repræsenterer både anvendelsen af videnskab og forbindelsen mellem kemi, samfund og industri. Kemitekniske studier skubber ofte grænserne for kemi ved at anvende modelsystemer og ligninger udviklet med velopdragne systemer til komplekse industrielle udfordringer. Den tekniske tilgang vurderer og kvantificerer den relative betydning af kombinerede, antagonistiske eller synergistiske systemer. Med det formål at minimere tonehøjdeaflejring under papirfremstilling undersøgte vi for nylig effekten af salte, forskydning og pH på tonehøjdekoagulation for at opdage effekten af ionspecificitet og ikke-ideel adfærd med forskydning (Lee et al., 2012). I udviklingen af papirdiagnostik til blodtypning kvantificerede vi den biospecifikke reversible koagulation af røde blodlegemer og brugte adsorption, eluering, filtrering og kromatografi til at udvikle en praktisk teknologi. Denne anvendte undersøgelse har fremhævet kløften i viden om den dynamiske interaktion mellem antistoffer og makromolekyler med overflader (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

så hvad er nogle nye grænser, der skal udfordres? Fra en multidimensionel tilgang baseret på felt og anvendelse er de som følger:

Reaction Engineering

• kombination af organisk, uorganisk og biokemisk katalyse for at mindske aktiveringsenergien, øge selektiviteten, reducere energiforbruget, biprodukter (adskillelse) og erstatte giftige organiske opløsningsmidler og reagenser baseret på knappe elementer ved reaktioner i vandige eller biobaserede opløsningsmidler ved hjælp af grønne kemiske principper.udnyttelse af fotosyntese til omdannelse af solenergi og CO2 til glucose, lignocellulosepolymerer og deres mellemprodukter ved hjælp af katalysatorer og/eller vandige systemer.

• forstå og optimere masseoverførsel, energioverførsel, omfang og selektivitet af reaktioner i medicin. Anvendelser omfatter selektiv destruktion af kræftceller, bakterier, svampe og vira (infektion) og regulering af immunologiske reaktioner.

• prædiktiv reaktionsteknik justering af reaktionshastigheden og produktfjernelse i overensstemmelse hermed til reaktionens kinetik for at minimere sidereaktioner, hvilket gør adskillelse lettere og mere effektiv.

enhedsoperationer og Transportfænomener

• mere selektive, specifikke og lavenergiseparationsprocesser for gas-gas og væske-væske-systemer.

• høj strømning og anti-fouling omvendt osmose og membran separationer.

• forbedret adskillelse af termisk følsomme kemikalier med lignende kogepunkter ved hjælp af fraktioneret destillation eller andre midler.

• bedre metoder til pumpning og transport af suspensioner af faste stoffer i væsker-især ved højt faststofindhold.

biomedicinsk

• udvikle en teknisk tilgang til model og regulering (kontrol) adfærd og funktionalitet af den menneskelige krop og mentale processer.

• Anvend simulerings-og kontrolstrategier på de forskellige hierarkier af biologiske systemer, lige fra DNA og RNA, cellen, væv og organer, op til den menneskelige krop for at give forbedret livskvalitet til mennesker med genetiske og relaterede lidelser.

• minimalt invasive sensorer til kontrol af blodtryk, blodlipidkoncentrationer og puls.

• nanoteknologi til selektivitet inden for onkologi og lægemiddelafgivelse.

• bioteknologier og forbedrede biomaterialer til organregenerering.

Energi

• lavpris energi er nøglen til at forbedre levestandarden for de fleste mennesker i mindre udviklede lande. Med menneskeskabte drivhusgasser, der forårsager en langsom, men stabil global opvarmning—en tilstrækkeligt bevist virkelighed—er en primær udfordring at producere nettoenergi med minimal miljøpåvirkning. Kemiske ingeniører har et ansvar for at kontrollere og sikre, at energibalancer og termodynamik er de bedst økonomisk opnåelige. Produktionen af kemikalier fra vedvarende kilder og brug af grøn kemi er en udvidelse af udfordringen, og igen er kemiingeniørernes nuværende ansvar at opdage processer og reaktioner med positiv termodynamik og energibalancer og derefter optimere disse processer ved aktivt engagement med økonomer, miljøforskere og samfundet som helhed.omkostningseffektiv lagring af solenergi (herunder solenergi indeholdt i vind-og havstrømme) for at muliggøre distribution på tidspunkter med maksimal menneskelig efterspørgsel er fortsat et kritisk spørgsmål. Udvikling af reversible processer til energilagring og-udnyttelse, der har hurtige opstarts-og nedlukningskarakteristika, er derfor af største betydning.

• mens hurtig og kontrolleret frigivelse af store mængder (hovedsageligt) elektrisk energi er af betydning for at imødekomme samfundets behov, bør det ikke glemmes, at der ville være enorme fordele ved at fange og lagre solenergi på måder, der efterligner naturlige fotosyntetiske processer, så solenergi opbevares i kemiske bindinger snarere end som varme eller elektronisk ladningsseparation. Hvis den” kunstige “fotosyntetiske reaktion, hvori solenergien” pumpes”, forbruger kulsyre, ville to hovedmål klart nås på et enkelt teknisk fremskridt. I den forbindelse er det værd at huske, at mens reaktionen af kulilte med ilt er meget eksoterm, kan den omvendte reaktion, nemlig den termiske dissociation af kulilte til kulilte og ilt, forekomme ved de slags temperaturer, der kan nås i en solovn (Nigara og Gales, 1986). De resterende teknologiske huller er udvikling af avancerede ildfaste materialer, der kan modstå de temperaturer, der kræves for at drive reaktionen, varmeveksling og effektiv adskillelse af reaktionsprodukterne. Opløsning af kulilte i vandig alkali til dannelse af alkalimetalformater synes at være en lovende tilgang.

materialer

• Multiscale engineering: at forbinde nano -, mikro-og meso-skalaerne til makroskalaen i både materialer og processer vil være grundlæggende for det store flertal af ovennævnte udfordringer.

• for at nanoteknologien kan komme videre, vil molekylærteknik ved hjælp af forbedrede molekylære dynamiske simuleringer være afgørende.

• anvendelse af materialer, der kan oparbejdes til lignende produkter, eller hvis det ikke er muligt, til en kaskade af produkter af lavere værdi, hvor de endelige slutprodukter er fuldstændig bionedbrydelige.

• udvikle materialer og kompositter fra lavenergiprocesser ved bedre forståelse af komponentstrukturerne fra atomskalaen til makroskopiske egenskaber. Udskiftning af råvareanvendelser af energiintensiv beton og metaller bør målrettes.

grønne kemikalier

• principperne for grøn kemi er blevet godt offentliggjort (Anastas og advarer, 1998). Der skal gøres maksimal brug af Vedvarende råmateriale ved hjælp af alle komponenter. Da biomasse har en lav energitæthed sammenlignet med fossile kulstofkilder, kræver energieffektiviteten ved biomasseforarbejdning kritisk revurdering, herunder udvikling af mindre mobile forarbejdningsanlæg, der kan føres til de områder, hvor biomasse er tilgængelig på sæsonbasis. En sådan fornyet undersøgelse bør ikke udelukke mulige sociale og samfundsmæssige fordele.

• en nøglefaktor i bedre anvendelse af biomasse vil være udvikling af nye kemiske veje, der gør mere intelligent brug af strukturer af polysaccharider og ligniner. I den forbindelse er de bimolekylære mekanismer, hvormed visse insekter i familierne Hemiptera og Hymenoptera kan manipulere celledifferentiering og vævsdannelse i højere planter til deres fordel ved at inducere dannelsen af galler og beslægtede, ofte stærkt ordnede beskyttelsesstrukturer, lavet af værtsplanten, garanterer bestemt detaljeret tværfaglig undersøgelse.mens et antal nyttige stoffer nu produceres, isoleres og anvendes i industriel skala, er de hastigheder, hvormed de katalyserer processer, normalt begrænset af termisk ustabilitet og denaturering af overfladeaktive stoffer og bevægelse af pH uden for det neutrale område. Kemiske ingeniører har traditionelt brugt varme, tryk og pH for at fremskynde kemiske reaktioner, men undersøgelsen af molekylærbiologi af ekstremofile organismer og deres egenskaber, der tydeligvis har udviklet sig til at modstå ekstreme temperaturer, tryk og pH-områder, der forekommer i dybe havventiler og vulkanske puljer, ser ud til at være i sin barndom.

fremskridt inden for Kemiteknik har ofte været trinvis. Oprindeligt født af et ægteskab mellem maskinteknik og Anvendt Kemi, Kemiteknik er vokset til en fuldt udbygget bred disciplin, der konstant søger nye udfordringer. Et område, hvor mange af disse udfordringer er fokuseret forbedrede teknologier til at udnytte stof og energi på måder, der genererer nye produkter, såsom organer, energilagringssystemer, molekylært konstruerede kompositter osv. Et nært beslægtet område er procesoptimering for at sikre, at både eksisterende og nye produkter fremstilles på de mest effektive og bæredygtige måder—hvad angår energi og biprodukter. Et tredje område med udfordringer er at bygge nye faciliteter og ændre ældre, så de har en klar social Licens til at drive og bruge de teknologier, som samfundet er afhængig af for at give acceptable levestandarder.

mange af de mest interessante og frugtbare udfordringer ved grænserne for Kemiteknik involverer integration af Kemiteknik med kemi, fysik og biologi ledsaget af en omdefinering af kontrolvolumenet. I denne filosofis ånd vil det første forskningsemne for grænser inden for Kemiteknik være anvendelse af kemitekniske principper til onkologi med nanoteknologisk fokus.