La ingeniería química, también conocida como ingeniería de procesos, es la rama de la ingeniería que aplica las ciencias físicas y biológicas, las matemáticas y la economía a la producción y transformación de productos químicos, energía y materiales. Tradicionalmente, consiste en transporte de calor, masa e impulso, ingeniería de cinética y reacción, termodinámica química, simulación dinámica y de control, separación y operaciones unitarias. Desarrollada y aplicada convencionalmente para la industria petroquímica y química pesada, la ingeniería química ha evolucionado rápidamente con aplicaciones en una multitud de campos, incluidos el cambio climático, los sistemas ambientales, la biomedicina, los nuevos materiales y los sistemas complejos.

En 2003, se publicó el informe «Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering» (Más allá de las fronteras moleculares: desafíos para las ciencias químicas y la ingeniería química), encomendado por el Consejo Nacional de Investigación de las Academias Nacionales Estadounidenses y presidido por los profesores Breslow y Tirrell (Consejo Nacional de Investigación, 2003). El estudio investigó el estado de la ciencia química: ¿dónde estamos, cómo llegamos a este estado y hacia dónde nos dirigimos? Concluyó que la ciencia se ha vuelto cada vez más interdisciplinaria. También identificó una tendencia hacia la fuerte integración del nivel molecular a la ingeniería química y » la aparición de las intersecciones de la ciencia química con todas las ciencias naturales, agricultura, ciencias ambientales y medicina, así como con la ciencia de los materiales, la física, la tecnología de la información y muchos otros campos de la ingeniería.»Una década después, esta visión se ha realizado en gran medida y la llamada «ingeniería molecular» que integra la ingeniería química con todas las ciencias es ahora una realidad. Estas intersecciones en rápida expansión de una amplia gama de áreas de la ciencia con la ingeniería son las nuevas Fronteras en la Ingeniería Química.

Las fronteras de la Ciencia y la Ingeniería son móviles y se expanden de forma no lineal y estocástica. Cualquier intento de trazar las fronteras del conocimiento es un ejercicio difícil que suele estar desactualizado antes de su publicación. Una alternativa posiblemente más rentable es desafiar las fronteras: empujar sus límites hasta que se produzca alguna reacción: ya sea que el rechazo de la comunidad o algún progreso siga en pasos incrementales o cuánticos.

Otro enfoque para definir las fronteras de la ingeniería química es considerar las reacciones químicas que han marcado el desarrollo de los estándares de vida actuales de la humanidad y los temas actualmente críticos para garantizar que los estándares aceptables se distribuyan de manera más equitativa en todo el mundo sin un impacto catastrófico en el clima y los ecosistemas globales. ¿Cuál es la reacción química más importante que ha impactado a la humanidad? Y ¿cuál será el próximo? ¿Cuáles son las tecnologías químicas más importantes que se necesitan para garantizar la expansión de los niveles de vida aceptables al tiempo que se minimiza el impacto ambiental?

Para tomar solo uno de los muchos posibles candidatos para el título de «El Proceso Químico Más Importante», la reacción de Haber-Bosch, que produce amoníaco al reaccionar nitrógeno atmosférico con hidrógeno, ha permitido a la humanidad superar la barrera de los 2 mil millones de habitantes y alcanzar la población mundial actual de unos 7 mil millones (Smil, 1999; Kolbert, 2013). El amoníaco es un ingrediente clave en los fertilizantes para el buen crecimiento de las plantas. Hasta el advenimiento del proceso Haber-Bosh en 1913, la agricultura operaba bajo condiciones limitadas de nitrógeno con el cultivo de tierras cultivables suficientes para alimentar a solo 2 mil millones de personas. El desarrollo de fertilizantes de bajo costo ha permitido una nueva era de crecimiento tanto en el rendimiento de los cultivos como en los estándares nutricionales humanos al escapar de las limitaciones impuestas por los procesos naturales de fijación de nitrógeno. El resultado ha sido una revolución agrícola.

Otro ejemplo de procesos químicos con gran importancia social es el desarrollo de antibióticos, vacunas e inmunología que han dado a la humanidad un control mucho mejor sobre los patógenos microbianos, permitiendo vidas humanas más largas y mejores. Sin embargo, una tercera área de la química es nuestra comprensión de los materiales semiconductores y cómo producirlos en masa con una precisión extraordinaria que es la base de la microelectrónica moderna, la informática y la World Wide Web. Estas tecnologías químicas y electrónicas han desacoplado efectivamente la función de memoria / almacenamiento del cerebro humano de su capacidad analítica, liberando así sus poderes para centrarse en la creatividad y la conectividad de formas que las generaciones anteriores no podían imaginar. La aplicación cada vez más sofisticada de principios matemáticos a los fenómenos de la física, la química y las ciencias biológicas, desde el nivel atómico hasta las escalas intergalácticas, nos permite comprender mejor los fenómenos naturales y antropogénicos y controlarlos o prepararnos para cambios que están más allá de nuestro control.

Langer y Tirrell, del MIT y Caltech respectivamente, han sido pioneros en un enfoque de ingeniería de biomateriales para aplicaciones médicas, incluso empujando los límites de la oncología y la ingeniería de tejidos (Langer y Tirrell, 2004; Karp y Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. demostró que la ingeniería molecular de la superficie afecta no solo el comportamiento de las gotitas líquidas con una superficie en equilibrio, sino también su interacción dinámica (Bird et al., 2013).

Al abordar problemas industriales y prácticos, a menudo también desafiamos las fronteras en la ingeniería química. La ingeniería química representa tanto la aplicación de la ciencia como el vínculo entre la química, la sociedad y la industria. Los estudios de ingeniería química a menudo superan los límites de la química al aplicar sistemas y ecuaciones de modelos desarrollados con sistemas de buen comportamiento a desafíos industriales complejos. El enfoque de ingeniería evalúa y cuantifica la importancia relativa de los sistemas combinados, antagónicos o sinérgicos. Con el objetivo de minimizar la deposición de alquitrán durante la fabricación de papel, recientemente investigamos el efecto de las sales, el cizallamiento y el pH en la coagulación de la alquitrán para descubrir el efecto de la especificidad iónica y los comportamientos no ideales con el cizallamiento (Lee et al., 2012). En el desarrollo de diagnósticos en papel para la tipificación de la sangre, cuantificamos la coagulación reversible bioespecífica de los glóbulos rojos y utilizamos adsorción, elución, filtración y cromatografía para desarrollar una tecnología práctica. Este estudio aplicado ha puesto de relieve la brecha en el conocimiento sobre la interacción dinámica de anticuerpos y macromoléculas con superficies(Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

Entonces, ¿cuáles son algunas nuevas fronteras a desafiar? Desde un enfoque multidimensional basado en el campo y la aplicación, son los siguientes:

Ingeniería de reacción

• Combinación de catálisis orgánica, inorgánica y bioquímica para disminuir la energía de activación, aumentar la selectividad, reducir el uso de energía, subproductos (separación) y reemplazar disolventes orgánicos tóxicos y reactivos basados en elementos escasos por reacciones en disolventes acuosos o de base biológica utilizando principios químicos verdes.

• Aprovechar la fotosíntesis para convertir la energía solar y el CO2 en glucosa, polímeros lignocelulósicos y sus productos intermedios mediante catalizadores enzimáticos y / o sistemas acuosos.

• Comprender y optimizar la transferencia de masa, la transferencia de energía, el alcance y la selectividad de las reacciones en medicina. Las aplicaciones incluyen la destrucción selectiva de células cancerosas, bacterias, hongos y virus (infección) y la regulación de reacciones inmunológicas.

• Ingeniería de reacción predictiva ajuste de la velocidad de eliminación de reactivos y productos en función de la cinética de la reacción para minimizar las reacciones laterales, lo que facilita y hace más eficiente la separación.

Fenómenos de transporte y Operaciones unitarias

• Procesos de separación más selectivos, específicos y de baja energía para sistemas gas-gas y líquido-líquido.

• Ósmosis inversa de alto flujo y antiincrustante y separaciones de membrana.

• Separación mejorada de productos químicos térmicamente sensibles con puntos de ebullición similares mediante destilación fraccionada u otros medios.

• Mejores métodos para bombear y transportar suspensiones de sólidos en líquidos, especialmente con un alto contenido de sólidos.

Biomedical

• Desarrollar un enfoque de ingeniería para modelar y regular (controlar) el comportamiento y la funcionalidad del cuerpo humano y los procesos mentales.

• Aplicar estrategias de simulación y control a las diversas jerarquías de sistemas biológicos, que van desde el ADN y el ARN, la célula, los tejidos y los órganos, hasta el cuerpo humano para brindar una mejor calidad de vida a las personas con trastornos genéticos y relacionados.

• Sensores mínimamente invasivos para controlar la presión arterial, las concentraciones de lípidos en sangre y la frecuencia cardíaca.

• Nanotecnología para la selectividad en oncología y administración de fármacos.

• Biotecnologías y biomateriales mejorados para la regeneración de órganos.

Energy

• La energía de bajo costo es clave para mejorar el nivel de vida de la mayoría de las personas en los países menos desarrollados. Con los gases de efecto invernadero antropogénicos que causan un calentamiento global lento pero constante, una realidad adecuadamente comprobada, el principal desafío es producir energía neta con un impacto ambiental mínimo. Los ingenieros químicos tienen la responsabilidad de verificar y garantizar que los balances de energía y la termodinámica sean los mejores económicamente alcanzables. La producción de productos químicos a partir de fuentes renovables y utilizando química verde es una extensión del desafío, y nuevamente la responsabilidad de los ingenieros químicos es descubrir procesos y reacciones con termodinámica positiva y balances de energía, y luego optimizar estos procesos mediante un compromiso activo con economistas, científicos ambientales y la sociedad en general.

• El almacenamiento rentable de energía solar (incluida la energía solar incorporada en las corrientes eólica y oceánica) para permitir la distribución en momentos de máxima demanda humana sigue siendo un problema crítico. Por lo tanto, el desarrollo de procesos reversibles para el almacenamiento y la utilización de energía que tengan características de puesta en marcha y parada rápidas reviste una importancia primordial.

• Si bien la liberación rápida y controlada de grandes cantidades de energía eléctrica (principalmente) es importante para satisfacer las necesidades de la sociedad, no se debe olvidar que habría un enorme beneficio en capturar y almacenar energía solar de formas que imiten los procesos fotosintéticos naturales, de modo que la energía solar se almacene en enlaces químicos, en lugar de como calor o separación de carga electrónica. Si la reacción fotosintética » artificial «en la que se» bombea » la energía solar consume dióxido de carbono, entonces claramente se lograrían dos objetivos principales en un solo avance técnico. En este sentido, vale la pena recordar que, si bien la reacción del monóxido de carbono con el oxígeno es altamente exotérmica, la reacción inversa, es decir, la disociación térmica del dióxido de carbono en monóxido de carbono y oxígeno, puede ocurrir a los tipos de temperaturas que se pueden alcanzar en un horno solar (Nigara y Gales, 1986). Las lagunas tecnológicas restantes son el desarrollo de materiales refractarios avanzados que puedan soportar las temperaturas necesarias para impulsar la reacción, el intercambio de calor y la separación eficiente de los productos de reacción. La disolución del monóxido de carbono en álcalis acuosos para formar formatos de metales alcalinos parece ser un enfoque prometedor.

Materials

• Ingeniería multiescala: vincular las escalas nano, micro y meso a la macro, tanto en materiales como en procesos, será fundamental para la gran mayoría de los desafíos mencionados anteriormente.

• Para que la nanotecnología avance, la ingeniería molecular utilizando simulaciones dinámicas moleculares mejoradas será esencial.

• Uso de materiales que puedan reprocesarse en productos similares o, si no es posible, en una cascada de productos de menor valor, siendo los productos finales totalmente biodegradables.

• Desarrolle materiales y compuestos a partir de procesos de baja energía mediante una mejor comprensión de las estructuras de los componentes, desde la escala atómica hasta las propiedades macroscópicas. Debería procurarse sustituir las aplicaciones de hormigón y metales de gran consumo energético como productos básicos.

Productos químicos verdes

• Los principios de la química verde han sido bien publicitados (Anastas y Warner, 1998). Es necesario aprovechar al máximo la materia prima renovable, utilizando todos los componentes. Debido a que la biomasa tiene una densidad de energía baja en comparación con las fuentes de carbono fósil, la eficiencia energética del procesamiento de la biomasa requiere un reexamen crítico, incluido el desarrollo de plantas de procesamiento móviles más pequeñas que puedan llevarse a las áreas donde la biomasa está disponible de forma estacional. Ese nuevo examen no debería excluir posibles beneficios sociales y comunitarios.

• Un factor clave para un mejor uso de la biomasa será el desarrollo de nuevas vías químicas que hagan un uso más inteligente de las estructuras de polisacáridos y ligninas. En este sentido, los mecanismos bimoleculares por los cuales ciertos insectos de las familias Hemípteros e Himenópteros pueden manipular la diferenciación celular y la formación de tejidos en plantas superiores para su beneficio, al inducir la formación de agallas y estructuras protectoras relacionadas, a menudo altamente ordenadas, hechas por la planta huésped ciertamente merecen un estudio multidisciplinario detallado.

• Mientras que una serie de enzimas útiles se producen, aíslan y utilizan a escala industrial, las velocidades a las que catalizan los procesos generalmente están limitadas por la inestabilidad térmica y la desnaturalización por surfactantes y el movimiento del pH fuera del rango neutro. Los ingenieros químicos han utilizado tradicionalmente el calor, la presión y el pH para acelerar las reacciones químicas, pero el estudio de la biología molecular de los organismos extremófilos y sus enzimas, que obviamente han evolucionado para soportar temperaturas, presiones y rangos de pH extremos que ocurren en respiraderos oceánicos profundos y piscinas volcánicas, parece estar en su infancia.

El progreso en ingeniería química a menudo ha sido gradual. Nacida inicialmente de un matrimonio entre la ingeniería mecánica y la química aplicada, la ingeniería química se ha convertido en una disciplina amplia y completa que busca constantemente nuevos desafíos. Un área en la que muchos de estos desafíos se centran en tecnologías mejoradas para aprovechar la materia y la energía de manera que generen nuevos productos, como órganos, sistemas de almacenamiento de energía, compuestos diseñados molecularmente, etc. Un área estrechamente relacionada es la optimización de procesos para garantizar que tanto los productos existentes como los nuevos se fabriquen de la manera más eficiente y sostenible, en términos de energía y subproductos. Una tercera esfera de desafíos es la construcción de nuevas instalaciones y la modificación de las más antiguas de manera que tengan una licencia social clara para operar y utilizar las tecnologías de las que depende la sociedad para proporcionar niveles de vida aceptables.

Muchos de los desafíos más interesantes y fructíferos en las fronteras de la ingeniería química implican la integración de la ingeniería química con la química, la física y la biología, acompañada de una redefinición del volumen de control. En el espíritu de esta filosofía, el primer tema de investigación de Fronteras en Ingeniería Química será la aplicación de los principios de ingeniería química a la oncología con un enfoque en nanotecnología.