Chemieingenieurwesen — auch als Verfahrenstechnik bezeichnet — ist der Zweig des Ingenieurwesens, der physikalische und Biowissenschaften, Mathematik und Wirtschaftswissenschaften auf die Herstellung und Umwandlung von Chemikalien, Energie und Materialien anwendet. Traditionell besteht es aus Wärme-, Massen- und Impulstransport, Kinetik und Reaktionstechnik, chemischer Thermodynamik, Steuerung und dynamischer Simulation, Trennung und Einheitsoperationen. Konventionell entwickelt und angewendet für die petrochemische und die schwerchemische Industrie, hat sich das Chemieingenieurwesen schnell mit Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen entwickelt, einschließlich Klimawandel, Umweltsysteme, Biomedizin, neue Materialien und komplexe Systeme.Im Jahr 2003 wurde der Bericht „Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering“ im Auftrag des National Research Council der American National Academies unter dem Vorsitz der Professoren Breslow und Tirrell veröffentlicht (National Research Council, 2003). Die Studie untersuchte den Status der chemischen Wissenschaft: Wo stehen wir, wie sind wir zu diesem Zustand gekommen und wohin gehen wir? Sie kam zu dem Schluss, dass die Wissenschaft zunehmend interdisziplinär geworden ist. Sie identifizierte auch einen Trend zur starken Integration von der molekularen Ebene in die Chemieingenieurwesen und „die Entstehung der Schnittstellen der chemischen Wissenschaft mit allen Naturwissenschaften, Landwirtschaft, Umweltwissenschaften und Medizin sowie mit Materialwissenschaften, Physik, Informationstechnologie und vielen anderen Bereichen der Technik.“ Ein Jahrzehnt später wurde diese Vision weitgehend verwirklicht und das sogenannte „Molecular Engineering“, das das Chemieingenieurwesen in alle Wissenschaften integriert, ist nun Realität. Diese schnell wachsenden Schnittpunkte einer Vielzahl von Bereichen der Wissenschaft mit dem Ingenieurwesen sind die neuen Grenzen des Chemieingenieurwesens.

Die Grenzen in Wissenschaft und Technik sind beweglich und erweitern sich ständig auf nichtlineare und stochastische Weise. Jeder Versuch, die Grenzen des Wissens abzubilden, ist eine schwierige Übung, die normalerweise veraltet ist, bevor sie veröffentlicht wird. Eine wohl rentablere Alternative besteht darin, die Grenzen herauszufordern: ihre Grenzen zu verschieben, bis eine Reaktion eintritt: ob Ablehnung durch die Gemeinschaft oder einige Fortschritte in inkrementellen oder Quantenschritten.Ein weiterer Ansatz zur Definition der Grenzen der chemischen Verfahrenstechnik besteht darin, die chemischen Reaktionen zu berücksichtigen, die die Entwicklung des aktuellen Lebensstandards der Menschheit geprägt haben, und die derzeit entscheidenden Themen, um sicherzustellen, dass akzeptable Standards gerechter auf der ganzen Welt verteilt werden, ohne katastrophale Auswirkungen auf das globale Klima und die Ökosysteme. Was ist die wichtigste chemische Reaktion, die die Menschheit beeinflusst hat? Und was wird der nächste sein? Was sind die wichtigsten chemischen Technologien, die benötigt werden, um einen akzeptablen Lebensstandard zu gewährleisten und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren?

Um nur einen von vielen möglichen Kandidaten für den Titel des „wichtigsten chemischen Prozesses“ zu nennen, hat die Haber-Bosch-Reaktion, die Ammoniak durch Reaktion von Luftstickstoff mit Wasserstoff erzeugt, es der Menschheit ermöglicht, die 2-Milliarden-Bevölkerungsbarriere zu überwinden und die derzeitige Weltbevölkerung von rund 7 Milliarden zu erreichen (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Ammoniak ist ein Schlüsselbestandteil im Düngemittel für gutes Pflanzenwachstum. Bis zum Aufkommen des Haber-Bosh-Prozesses im 1913 betrieb die Landwirtschaft unter stickstoffbegrenzten Bedingungen mit dem Anbau von Ackerland, das ausreichte, um nur 2 Milliarden Menschen zu ernähren. Die Entwicklung von kostengünstigen Düngemitteln hat eine neue Ära des Wachstums sowohl der Ernteerträge als auch der menschlichen Ernährungsstandards ermöglicht, indem die durch natürliche Stickstofffixierungsprozesse auferlegten Einschränkungen überwunden wurden. Eine Agrarrevolution war das Ergebnis.Ein weiteres Beispiel für chemische Prozesse mit großer gesellschaftlicher Bedeutung ist die Entwicklung von Antibiotika, Impfstoffen und Immunologie, die der Menschheit eine viel bessere Kontrolle über mikrobielle Krankheitserreger ermöglicht und ein längeres und besseres menschliches Leben ermöglicht haben. Ein dritter Bereich der Chemie ist jedoch unser Verständnis von Halbleitermaterialien und deren Massenproduktion mit außergewöhnlicher Präzision, das die Grundlage der modernen Mikroelektronik, der Informatik und des World Wide Web bildet. Diese chemischen und elektronischen Technologien haben die Gedächtnis- / Speicherfunktion des menschlichen Gehirns effektiv von seiner analytischen Fähigkeit entkoppelt und dadurch seine Fähigkeit freigesetzt, sich auf Kreativität und Konnektivität zu konzentrieren, wie es sich frühere Generationen nicht vorstellen konnten. Die immer ausgefeiltere Anwendung mathematischer Prinzipien auf die Phänomene der Physik, Chemie und Biowissenschaften, von der atomaren Ebene bis zur intergalaktischen Skala, ermöglicht es uns, natürliche und anthropogene Phänomene besser zu verstehen und sie entweder zu kontrollieren oder auf Veränderungen vorzubereiten, die außerhalb unserer Kontrolle liegen.Langer und Tirrell vom MIT bzw. Caltech haben einen technischen Ansatz für Biomaterialien für medizinische Anwendungen entwickelt und sogar die Grenzen von Onkologie und Tissue Engineering überschritten (Langer und Tirrell, 2004; Karp und Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. zeigte, dass das molekulare Engineering der Oberfläche nicht nur das Verhalten von Flüssigkeitströpfchen mit einer Oberfläche im Gleichgewicht beeinflusst, sondern auch deren dynamische Wechselwirkung (Bird et al., 2013).

Wenn wir industrielle und praktische Probleme angehen, stellen wir oft auch die Grenzen der chemischen Technik in Frage. Chemieingenieurwesen repräsentiert sowohl die Anwendung der Wissenschaft als auch die Verbindung zwischen Chemie, Gesellschaft und Industrie. Chemieingenieurwesen-Studien schieben häufig die Grenzen der Chemie, indem sie Modellsysteme und Gleichungen anwenden, die mit wohlerzogenen Systemen zu den komplexen industriellen Herausforderungen entwickelt werden. Der Engineering-Ansatz bewertet und quantifiziert die relative Bedeutung kombinierter, antagonistischer oder synergistischer Systeme. Mit dem Ziel, die Ablagerung von Pech während der Papierherstellung zu minimieren, haben wir kürzlich die Wirkung von Salzen, Scherung und pH-Wert auf die Pech-Koagulation untersucht, um den Effekt der Ionenspezifität und des nicht idealen Verhaltens mit Scherung zu entdecken (Lee et al., 2012). Bei der Entwicklung der Papierdiagnostik für die Blutgruppenbestimmung quantifizierten wir die bio-spezifische reversible Koagulation roter Blutkörperchen und entwickelten mit Adsorption, Elution, Filtration und Chromatographie eine praxisnahe Technologie. Diese angewandte Studie hat die Wissenslücke über die dynamische Interaktion von Antikörpern und Makromolekülen mit Oberflächen aufgezeigt (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

Also, was sind einige neue Grenzen, die herausgefordert werden müssen? Aus einem mehrdimensionalen Ansatz, der auf Feld und Anwendung basiert, lauten sie wie folgt:

Reaktionstechnik

• Kombination organischer, anorganischer und biochemischer Katalyse zur Verringerung der Aktivierungsenergie, Erhöhung der Selektivität, Reduzierung des Energieverbrauchs, Nebenprodukte (Trennung) und Ersatz toxischer organischer Lösungsmittel und Reagenzien auf der Basis knapper Elemente durch Reaktionen in wässrigen oder biobasierten Lösungsmitteln nach grünen chemischen Prinzipien.

• Nutzung der Photosynthese zur Umwandlung von Sonnenenergie und CO2 in Glucose, Ligno-Cellulose-Polymere und deren Zwischenprodukte unter Verwendung enzymatischer Katalysatoren und/oder wässriger Systeme.

• Stoffaustausch, Energietransfer, Ausmaß und Selektivität von Reaktionen in der Medizin verstehen und optimieren. Zu den Anwendungen gehören die selektive Zerstörung von Krebszellen, Bakterien, Pilzen und Viren (Infektion) sowie die Regulation immunologischer Reaktionen.

• Predictive reaction engineering Anpassung der Reaktanten- und Produktentfernungsrate entsprechend der Reaktionskinetik, um Nebenreaktionen zu minimieren und dadurch die Trennung einfacher und effizienter zu gestalten.

Einheitsbetrieb und Transportphänomene

• Selektivere, spezifischere und energieeffizientere Trennverfahren für Gas-Gas- und Flüssig-Flüssig-Systeme.

• Hohe Fluss- und Antifouling-Umkehrosmose und Membrantrennungen.

• Verbesserte Trennung von thermisch empfindlichen Chemikalien mit ähnlichen Siedepunkten durch fraktionierte Destillation oder andere Mittel.

• Bessere Methoden zum Pumpen und Transportieren von Suspensionen von Feststoffen in Flüssigkeiten – insbesondere bei hohen Feststoffgehalten.

Biomedizinisch

• Entwicklung eines technischen Ansatzes zur Modellierung und Regulierung (Steuerung) des Verhaltens und der Funktionalität des menschlichen Körpers und der mentalen Prozesse.Wenden Sie Simulations- und Kontrollstrategien auf die verschiedenen Hierarchien biologischer Systeme an, die von DNA und RNA über die Zelle, Gewebe und Organe bis hin zum menschlichen Körper reichen, um Menschen mit genetischen und verwandten Störungen eine verbesserte Lebensqualität zu bieten.

• Minimalinvasive Sensoren zur Kontrolle von Blutdruck, Blutfettkonzentrationen und Herzfrequenz.

• Nanotechnologie für Selektivität in der Onkologie und in der Medikamentenverabreichung.

• Biotechnologien und verbesserte Biomaterialien für die Organregeneration.

Energie

• Kostengünstige Energie ist der Schlüssel zur Verbesserung des Lebensstandards für die Mehrheit der Menschen in weniger entwickelten Ländern. Angesichts der Tatsache, dass anthropogene Treibhausgase eine langsame, aber stetige globale Erwärmung verursachen — eine hinreichend bewiesene Realität – besteht eine der größten Herausforderungen darin, Nettoenergie mit minimalen Umweltauswirkungen zu erzeugen. Chemieingenieure haben die Verantwortung zu überprüfen und sicherzustellen, dass Energiebilanzen und Thermodynamik wirtschaftlich am besten erreichbar sind. Die Produktion von Chemikalien aus erneuerbaren Quellen und mit grüner Chemie ist eine Erweiterung der Herausforderung, und auch hier liegt die Verantwortung der Chemieingenieure darin, Prozesse und Reaktionen mit positiver Thermodynamik und Energiebilanzen zu entdecken und diese Prozesse dann durch aktives Engagement mit Ökonomen, Umweltwissenschaftlern und der Gesellschaft zu optimieren im Allgemeinen.

• Die kostengünstige Speicherung von Sonnenenergie (einschließlich Sonnenenergie, die in Wind- und Meeresströmungen enthalten ist), um die Verteilung in Zeiten hoher menschlicher Nachfrage zu ermöglichen, bleibt ein kritisches Thema. Die Entwicklung reversibler Prozesse zur Energiespeicherung und -nutzung mit schnellen An- und Abschaltcharakteristiken ist daher von vorrangiger Bedeutung.

• Während die schnelle und kontrollierte Freisetzung großer Mengen (hauptsächlich) elektrischer Energie für die Befriedigung der Bedürfnisse der Gesellschaft von Bedeutung ist, sollte nicht vergessen werden, dass die Erfassung und Speicherung von Sonnenenergie auf eine Weise, die natürliche Photosyntheseprozesse nachahmt, von enormem Nutzen wäre, so dass Sonnenenergie in chemischen Bindungen und nicht als Wärme oder elektronische Ladungstrennung gespeichert wird. Wenn die „künstliche“ photosynthetische Reaktion, in die die Sonnenenergie „gepumpt“ wird, Kohlendioxid verbraucht, würden mit einem einzigen technischen Fortschritt eindeutig zwei Hauptziele erreicht. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, dass, während die Reaktion von Kohlenmonoxid mit Sauerstoff stark exotherm ist, die umgekehrte Reaktion, nämlich die thermische Dissoziation von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff, bei den Temperaturen auftreten kann, die in einem Solarofen erreicht werden können (Nigara und Gales, 1986). Die verbleibenden technologischen Lücken sind die Entwicklung fortschrittlicher feuerfester Materialien, die den Temperaturen standhalten, die für die Reaktion, den Wärmeaustausch und die effiziente Trennung der Reaktionsprodukte erforderlich sind. Die Auflösung von Kohlenmonoxid in wässrigem Alkali unter Bildung von Alkalimetallsalzen scheint ein vielversprechender Ansatz zu sein.

Materialien

• Multiscale Engineering: Die Verknüpfung der Nano-, Mikro- und Mesoskalen mit der Makroskala in Materialien und Prozessen wird für die große Mehrheit der oben aufgeführten Herausforderungen von grundlegender Bedeutung sein.

• Damit die Nanotechnologie voranschreiten kann, ist die Molekulartechnik unter Verwendung verbesserter molekulardynamischer Simulationen von wesentlicher Bedeutung.

• Verwendung von Materialien, die zu ähnlichen Produkten oder, wenn nicht möglich, zu einer Kaskade von Produkten mit geringerem Wert wiederaufbereitet werden können, wobei die Endprodukte vollständig biologisch abbaubar sind.

• Entwickeln Sie Materialien und Verbundwerkstoffe aus Niedrigenergieprozessen, indem Sie die Bauteilstrukturen von der atomaren Skala bis zu makroskopischen Eigenschaften besser verstehen. Der Ersatz von Rohstoffanwendungen von energieintensivem Beton und Metallen sollte angestrebt werden.

Green Chemicals

• Die Prinzipien der grünen Chemie wurden gut publiziert (Anastas und Warner, 1998). Die maximale Nutzung erneuerbarer Rohstoffe muss unter Verwendung aller Komponenten erfolgen. Da Biomasse im Vergleich zu fossilen Kohlenstoffquellen eine geringe Energiedichte aufweist, müssen die Energieeffizienzen der Biomasseverarbeitung kritisch überprüft werden, einschließlich der Entwicklung kleinerer mobiler Verarbeitungsanlagen, die in die Gebiete gebracht werden können, in denen Biomasse saisonal verfügbar ist. Eine solche Überprüfung sollte mögliche soziale und gemeinschaftliche Vorteile nicht ausschließen.

• Ein Schlüsselfaktor für eine bessere Nutzung von Biomasse wird die Entwicklung neuer chemischer Wege sein, die die Strukturen von Polysacchariden und Ligninen intelligenter nutzen. In diesem Zusammenhang rechtfertigen die bimolekularen Mechanismen, durch die bestimmte Insekten in den Familien Hemiptera und Hymenoptera die Zelldifferenzierung und Gewebebildung in höheren Pflanzen zu ihrem Vorteil manipulieren können, indem sie die Bildung von Gallen und verwandten, oft hoch geordneten Schutzstrukturen der Wirtspflanze induzieren, sicherlich eine detaillierte multidisziplinäre Studie.

• Während eine Reihe nützlicher Enzyme jetzt im industriellen Maßstab hergestellt, isoliert und verwendet werden, sind die Geschwindigkeiten, mit denen sie Prozesse katalysieren, normalerweise durch thermische Instabilität und Denaturierung durch Tenside und Bewegung von begrenzt pH außerhalb des neutralen Bereichs. Chemieingenieure haben traditionell Hitze, Druck und pH-Wert verwendet, um chemische Reaktionen zu beschleunigen, aber das Studium der Molekularbiologie extremophiler Organismen und ihrer Enzyme, die sich offensichtlich entwickelt haben, um extremen Temperaturen, Drücken und pH-Bereichen standzuhalten, die in Tiefseeschlössern und vulkanischen Pools auftreten, scheint in den Kinderschuhen zu stecken.

Der Fortschritt in der chemischen Technik war oft inkrementell. Ursprünglich aus einer Ehe zwischen Maschinenbau und angewandter Chemie hervorgegangen, hat sich das Chemieingenieurwesen zu einer vollwertigen breiten Disziplin entwickelt, die ständig nach neuen Herausforderungen sucht. Ein Bereich, auf den sich viele dieser Herausforderungen konzentrieren, sind Technologien zur Nutzung von Materie und Energie auf eine Weise, die neue Produkte hervorbringt, wie Organe, Energiespeichersysteme, molekular konstruierte Verbundwerkstoffe usw. Ein eng verwandter Bereich ist die Prozessoptimierung, um sicherzustellen, dass sowohl bestehende als auch neue Produkte möglichst effizient und nachhaltig hergestellt werden – in Bezug auf Energie und Nebenprodukte. Ein dritter Bereich der Herausforderungen besteht darin, neue Einrichtungen zu bauen und ältere so zu modifizieren, dass sie eine klare soziale Lizenz zum Betrieb und zur Nutzung der Technologien haben, auf die sich die Gesellschaft stützt, um einen akzeptablen Lebensstandard zu gewährleisten.

Viele der interessantesten und fruchtbarsten Herausforderungen an den Grenzen des Chemieingenieurwesens beinhalten die Integration des Chemieingenieurwesens mit Chemie, Physik und Biologie, begleitet von einer Neudefinition des Kontrollvolumens. Im Geiste dieser Philosophie wird das erste Forschungsthema von Frontiers in Chemical Engineering die Anwendung chemischer verfahrenstechnischer Prinzipien auf die Onkologie mit Schwerpunkt Nanotechnologie sein.