Chemical Engineering—jota kutsutaan myös prosessitekniikaksi—on tekniikan haara, joka soveltaa Fysikaalisia ja biotieteitä, matematiikkaa ja taloustiedettä kemikaalien, energian ja materiaalien tuotantoon ja muuntamiseen. Perinteisesti se koostuu lämmön, massan ja liikemäärän kuljetuksesta, kinetiikasta ja reaktiotekniikasta, kemiallisesta termodynamiikasta, ohjauksen ja dynaamisen simuloinnista, erottelusta ja yksikköoperaatioista. Perinteisesti kehitetty ja sovellettu petrokemian ja raskaan kemianteollisuuden kemian tekniikka on nopeasti kehittynyt sovelluksia monilla aloilla, kuten ilmastonmuutos, ympäristöjärjestelmät, biolääketieteen, uusia materiaaleja ja monimutkaisia järjestelmiä.

vuonna 2003 julkaistiin raportti ”Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering”, jonka on valtuuttanut Yhdysvaltain kansallisten akatemioiden Kansallinen tutkimusneuvosto ja jonka puheenjohtajana toimivat professorit Breslow ja Tirrell (National Research Council, 2003). Tutkimuksessa selvitettiin kemian tieteen tilaa: missä olemme, miten olemme päätyneet tähän tilaan ja mihin olemme menossa? Sen mukaan tieteestä on tullut yhä monitieteisempää. Siinä todettiin myös suuntaus kohti vahvaa integraatiota molekyylitasolta kemiantekniikkaan ja ” kemian tieteen risteyskohtien syntymistä kaikkien luonnontieteiden, maatalouden, ympäristötieteen ja lääketieteen sekä materiaalitieteen, fysiikan, tietotekniikan ja monien muiden tekniikan alojen kanssa.”Vuosikymmen myöhemmin tämä visio on suurelta osin toteutunut ja niin sanottu ”molekyylitekniikka”, joka yhdistää kemiantekniikan kaikkiin tieteisiin, on nyt todellisuutta. Nämä nopeasti laajenevat risteykset monenlaisia tieteen kanssa engineering ovat uusia rajoja kemian Engineering.

tieteen ja tekniikan rajat ovat liikkuvia ja laajenevat jatkuvasti epälineaarisesti ja stokastisesti. Kaikki yritykset kartoittaa tiedon rajoja ovat vaikeita ja yleensä vanhentuneita ennen sen julkaisemista. Kiistatta kannattavampi vaihtoehto on asettaa rajat kyseenalaisiksi: työntää niiden rajoja, kunnes jokin reaktio tapahtuu: seuraapa yhteisön torjuntaa tai edistystä asteittaisesti tai kvanttimittaisesti.

toinen lähestymistapa kemiantekniikan rajojen määrittelemiseksi on tarkastella kemiallisia reaktioita, jotka ovat leimanneet ihmiskunnan nykyisen elintason kehitystä, ja tällä hetkellä kriittisiä aiheita sen varmistamiseksi, että hyväksyttävät standardit jaetaan tasapuolisemmin ympäri maailmaa ilman katastrofaalisia vaikutuksia ilmastoon ja ekosysteemeihin. Mikä on tärkein kemiallinen reaktio, joka on vaikuttanut ihmiskuntaan? Ja mikä on seuraava? Mitkä ovat merkittävimmät kemialliset teknologiat, joita tarvitaan hyväksyttävien elintasojen lisäämiseksi ja ympäristövaikutusten minimoimiseksi?

vain yksi monista mahdollisista ehdokkaista ”tärkeimmän kemiallisen prosessin” titteliksi, Haber-Bosch-reaktio, jossa ammoniakkia syntyy reagoimalla ilmakehän typpeen vedyn kanssa, on antanut ihmiskunnalle mahdollisuuden ohittaa 2 miljardin väestön raja ja saavuttaa nykyinen noin 7 miljardin maailman väkiluku (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Ammoniakki on lannoitteen keskeinen ainesosa kasvien hyvän kasvun kannalta. Haber-Bosh-prosessin tuloon saakka vuonna 1913 maatalous toimi typpirajoitetuissa oloissa, ja viljelysmaat riittivät vain 2 miljardin ihmisen ravinnoksi. Edullisten lannoitteiden kehittäminen on mahdollistanut uuden kasvun aikakauden sekä sadossa että ihmisen ravintonormeissa pakenemalla luonnollisten typensidontaprosessien asettamia rajoituksia. Seurauksena on ollut maatalouden vallankumous.

toinen esimerkki kemiallisista prosesseista, joilla on laaja yhteiskunnallinen merkitys, ovat antibioottien, rokotteiden ja immunologian kehitys, jotka ovat antaneet ihmiskunnalle paljon paremman kontrollin mikrobipatogeeneihin ja mahdollistaneet pidemmän ja paremman ihmiselämän. Vielä kolmas kemian alue on ymmärryksemme puolijohdemateriaaleista ja niiden massatuotannosta poikkeuksellisen tarkasti, joka on nykyaikaisen mikroelektroniikan, tietojenkäsittelytieteen ja World Wide Webin perusta. Nämä kemialliset ja elektroniset teknologiat ovat tehokkaasti irrottaneet ihmisaivojen muisti – / tallennustoiminnon analyyttisistä kyvyistään ja vapauttaneet siten niiden kyvyn keskittyä luovuuteen ja liitettävyyteen tavoilla, joita edelliset sukupolvet eivät voineet kuvitellakaan. Matemaattisten periaatteiden yhä kehittyneempi soveltaminen fysiikan, kemian ja biologisten tieteiden ilmiöihin atomitasolta galaksienvälisiin asteikkoihin antaa meille mahdollisuuden ymmärtää paremmin luonnollisia ja ihmisperäisiä ilmiöitä ja joko hallita niitä tai valmistautua muutoksiin, joihin emme voi vaikuttaa.

Langer ja Tirrell, MIT: stä ja Caltech: stä, ovat uranuurtajia teknisessä lähestymistavassa biomateriaaleihin lääketieteellisiin sovelluksiin, jopa työntäen onkologian ja kudostekniikan rajaa (Langer and Tirrell, 2004; Karp and Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird ym. osoitti, että pinnan molekyylitekniikka vaikuttaa paitsi nestemäisten pisaroiden käyttäytymiseen tasapainotilassa, myös niiden dynaamiseen vuorovaikutukseen (Bird et al., 2013).

käsiteltäessä teollisuuden ja käytännön ongelmia haastamme usein myös kemiantekniikan rajoja. Kemiantekniikka edustaa sekä tieteen soveltamista että kemian, yhteiskunnan ja teollisuuden välistä yhteyttä. Kemiantekniikan opinnot koettelevat usein kemian rajoja soveltamalla hyvin käyttäytyvillä järjestelmillä kehitettyjä mallijärjestelmiä ja yhtälöitä monimutkaisiin teollisiin haasteisiin. Engineering approach rates and quantified the relative importance of combined, antagonistic, or synergistic systems. Tavoitteena minimoida piki laskeuman aikana paperinvalmistuksen, olemme äskettäin tutkittu vaikutus suolojen, leikkaus, ja pH piki koagulaatio löytää vaikutus ioni-spesifisyys ja ei-ihanteellinen käyttäytymistä leikkaus (Lee et al., 2012). Verityypityksen paperidiagnostiikan kehittämisessä määritimme punasolujen bio-spesifisen reversiibelin koagulaation ja käytimme adsorptiota, eluutiota, suodatusta ja kromatografiaa kehittääksemme käytännöllisen tekniikan. Tämä soveltava tutkimus on korostanut kuilua tietämyksessä vasta-aineiden ja makromolekyylien dynaamisesta vuorovaikutuksesta pintojen kanssa (Khan et al., 2010; Al-Tamimi ym., 2012).

mitkä ovat siis joitakin uusia rajoja, jotka on haastettava? Moniulotteisesta lähestymistavasta, joka perustuu kenttään ja soveltamiseen, ne ovat seuraavat:

Reaktiotekniikka

• orgaanisen, epäorgaanisen ja biokemiallisen katalyysin yhdistelmä aktivaatioenergian vähentämiseksi, selektiivisyyden lisäämiseksi, energiankulutuksen vähentämiseksi, sivutuotteiden erottamiseksi (erottaminen) ja niukkoihin alkuaineisiin perustuvien myrkyllisten orgaanisten liuottimien ja reagenssien korvaamiseksi reaktioilla vesi-tai biopohjaisissa liuottimissa käyttäen vihreitä kemiallisia periaatteita.

• valjastetaan fotosynteesi aurinkoenergian ja hiilidioksidin muuttamiseksi glukoosiksi, lignoselluloosapolymeereiksi ja niiden välituotteiksi entsymaattisten katalyyttien ja / tai vesipitoisten järjestelmien avulla.

• ymmärrä ja optimoi massansiirto, energian siirto, reaktioiden laajuus ja selektiivisyys lääketieteessä. Sovelluksia ovat syöpäsolujen, bakteerien, sienten ja virusten selektiivinen tuhoaminen (infektio) ja immunologisten reaktioiden säätely.

• ennakoiva reaktiotekniikka, jossa reaktantin ja tuotteen poistumisnopeutta säädetään vastaavasti reaktion kinetiikkaan sivureaktioiden minimoimiseksi, jolloin erottaminen on helpompaa ja tehokkaampaa.

Yksikkötoiminnot ja Kuljetusilmiöt

• valikoivammat, spesifisemmät ja matalaenergiaisemmat erotusprosessit kaasu-kaasu-ja neste-neste-järjestelmissä.

• Suuri vuo ja anti-kiinnittyminen käänteisosmoosi ja kalvojen erotukset.

• parannettu sellaisten lämpöherkkien kemikaalien erottaminen, joilla on samanlaiset kiehumispisteet, jakotislauksella tai muulla tavalla.

• parempia menetelmiä kiintoainesuspensioiden pumppaamiseen ja kuljettamiseen nesteissä-erityisesti korkealla kiintoainepitoisuudella.

biolääketieteellinen

• kehitä insinöörimäinen lähestymistapa ihmisruumiin ja mielen prosessien käyttäytymisen ja toimivuuden mallintamiseen ja säätelyyn (ohjaamiseen).

• sovelletaan simulointi-ja kontrollistrategioita biologisten järjestelmien eri hierarkioihin DNA: sta ja RNA: sta, soluista, kudoksista ja elimistä aina ihmisruumiiseen asti parantaakseen geneettisistä ja niihin liittyvistä häiriöistä kärsivien ihmisten elämänlaatua.

• minimaalisesti invasiiviset anturit, jotka säätelevät verenpainetta, veren rasvapitoisuuksia ja sykettä.

• nanotechnology for selectivity in oncology and drug delivery.

• bioteknologiaa ja parempia biomateriaaleja elinten uudistamiseen.

Energia

• edullinen energia on avain useimpien vähemmän kehittyneiden maiden ihmisten elintason parantamiseen. Koska ihmisen toiminnan aiheuttamat kasvihuonekaasut aiheuttavat hidasta mutta tasaista ilmaston lämpenemistä-mikä on asianmukaisesti todistettu tosiasia-tärkein haaste on tuottaa nettoenergiaa mahdollisimman vähäisin ympäristövaikutuksin. Kemian insinöörien vastuulla on todentaa ja varmistaa, että energiatasapainot ja termodynamiikka ovat taloudellisesti parhaiten saavutettavissa. Kemikaalien tuotanto uusiutuvista lähteistä ja vihreän kemian käyttö ovat haasteen jatke, ja jälleen kemian insinöörien velvollisuutena on löytää prosesseja ja reaktioita, joilla on positiivinen Termodynamiikka ja energiatasapaino, ja sitten optimoida nämä prosessit tekemällä aktiivista yhteistyötä taloustieteilijöiden, ympäristötieteilijöiden ja koko yhteiskunnan kanssa.

• aurinkoenergian (mukaan lukien tuuli-ja merivirtoihin sisältyvä aurinkoenergia) kustannustehokas varastointi jakelun mahdollistamiseksi ihmisen kysyntähuipun aikaan on edelleen kriittinen kysymys. Sen vuoksi on ensiarvoisen tärkeää kehittää energian varastointiin ja käyttöön palautuvia prosesseja, joilla on nopeat käynnistys-ja pysäytysominaisuudet.

• vaikka suurten (pääasiassa) sähköenergiamäärien nopea ja hallittu vapautuminen on tärkeää yhteiskunnan tarpeiden tyydyttämiseksi, ei pidä unohtaa, että aurinkoenergian talteenotosta ja varastoinnista olisi valtavasti hyötyä tavoilla, jotka jäljittelevät luonnollisia fotosynteettisiä prosesseja, niin että aurinkoenergia varastoituu kemiallisiin sidoksiin eikä lämpönä tai elektronisena varausten erotteluna. Jos ” keinotekoinen ”fotosynteettinen reaktio, johon aurinkoenergia” pumpataan”, kuluttaa hiilidioksidia, saavutettaisiin selvästi kaksi suurta tavoitetta yhdellä teknisellä edistysaskeleella. Tässä yhteydessä on syytä muistaa, että vaikka hiilimonoksidin reaktio hapen kanssa on hyvin eksoterminen, käänteinen reaktio, nimittäin hiilidioksidin terminen dissosiaatio hiilimonoksidiksi ja hapeksi, voi tapahtua sellaisissa lämpötiloissa, jotka voidaan saavuttaa aurinkouunissa (Nigara and Gales, 1986). Jäljellä olevat teknologiset aukot ovat kehittyneiden tulenkestävien materiaalien kehittäminen, jotka kestävät reaktion, lämmönvaihdon ja reaktiotuotteiden tehokkaan erottamisen edellyttämät lämpötilat. Hiilimonoksidin liuottaminen emäksisiin vesipitoisiin aineisiin alkalimetalliformaattien muodostamiseksi vaikuttaisi lupaavalta lähestymistavalta.

Materiaalit

• Multiscale engineering: nano -, mikro-ja mesoasteikkojen yhdistäminen makroasteikkoon sekä materiaaleissa että prosesseissa on olennaisen tärkeää valtaosalle edellä luetelluista haasteista.

• jotta nanoteknologia edistyisi, molekyylitekniikka, jossa käytetään parempia molekyylidynaamisia simulaatioita, on välttämätöntä.

• sellaisten materiaalien käyttö, jotka voidaan jälleenkäsitellä samanlaisiksi tuotteiksi tai, jos se ei ole mahdollista, vähemmän arvokkaiksi tuotteiksi, joiden lopulliset lopputuotteet ovat täysin biohajoavia.

• kehittää matalaenergiaisista prosesseista materiaaleja ja komposiitteja ymmärtämällä paremmin komponenttien rakenteita atomiasteikosta makroskooppisiin ominaisuuksiin. Energiaintensiivisen betonin ja metallien hyödykesovellusten korvaaminen tulisi kohdentaa.

Green Chemicals

• vihreän kemian periaatteet ovat saaneet paljon julkisuutta (Anastas ja Warner, 1998). Uusiutuvaa raaka-ainetta on hyödynnettävä mahdollisimman paljon, kaikkia komponentteja hyödyntäen. Koska biomassan energiatiheys on alhainen fossiilisiin hiililähteisiin verrattuna, biomassan käsittelyn energiatehokkuus edellyttää kriittistä uudelleentarkastelua, mukaan lukien pienempien siirrettävien käsittelylaitosten kehittäminen, jotka voidaan viedä alueille, joilla biomassaa on saatavilla kausittain. Tällaisen uudelleentarkastelun ei pitäisi sulkea pois mahdollisia sosiaalietuuksia ja yhteisöetuuksia.

• keskeinen tekijä biomassan käytön parantamisessa on uusien kemiallisten reittien kehittäminen, jotka hyödyntävät polysakkaridien ja ligniinien rakenteita älykkäämmin. Tässä yhteydessä bimolekulaariset mekanismit, joiden avulla tietyt Hemiptera-ja Hymenoptera-sukujen hyönteiset voivat manipuloida solujen erilaistumista ja kudosmuodostusta korkeammissa kasveissa edukseen, indusoimalla isäntäkasvin tekemien Gallien ja niihin liittyvien, usein hyvin järjestettyjen suojarakenteiden muodostumista, edellyttävät varmasti yksityiskohtaista monitieteistä tutkimusta.

• vaikka nykyään tuotetaan, eristetään ja käytetään useita hyödyllisiä entsyymejä teollisessa mittakaavassa, niiden katalysointinopeuksia rajoittavat yleensä lämpöepästabiilisuus ja pinta-aktiivisten aineiden aiheuttama denaturaatio sekä pH: n siirtyminen neutraalin alueen ulkopuolelle. Kemian insinöörit ovat perinteisesti käyttäneet lämpöä, painetta ja pH: ta kemiallisten reaktioiden kiihdyttämiseen, mutta tutkimus ekstremofiilisten eliöiden ja niiden entsyymien molekyylibiologiasta, jotka ovat ilmiselvästi kehittyneet kestämään äärimmäisiä lämpötiloja, paineita ja pH-alueita, joita esiintyy syvissä valtamerissä ja vulkaanisissa altaissa, näyttää olevan lapsenkengissään.

edistyminen kemiantekniikassa on usein ollut asteittaista. Alun perin konetekniikan ja soveltavan kemian avioliitosta syntynyt Kemiantekniikka on kasvanut täysimittaiseksi laajaksi tieteenalaksi, joka etsii jatkuvasti uusia haasteita. Yksi osa-alue, jolla monet näistä haasteista keskittyvät parannettuihin teknologioihin, joilla hyödynnetään ainetta ja energiaa tavoilla, jotka tuottavat uusia tuotteita, kuten elimiä, energian varastointijärjestelmiä, molekulaarisesti valmistettuja komposiitteja jne. Prosessin optimointi liittyy läheisesti siihen, että sekä nykyiset että uudet tuotteet valmistetaan tehokkaimmalla ja kestävimmällä tavalla—energian ja sivutuotteiden osalta. Kolmas haasteiden alue on uusien tilojen rakentaminen ja vanhojen muokkaaminen siten, että niillä on selkeä Sosiaalinen Lupa käyttää ja käyttää teknologiaa, johon yhteiskunta luottaa tarjotakseen hyväksyttävän elintason.

monet mielenkiintoisimmista ja hedelmällisimmistä haasteista kemiantekniikan rajoilla liittyvät kemiantekniikan integrointiin kemiaan, fysiikkaan ja biologiaan, johon liittyy kontrollivolyymin uudelleenmäärittely. Tämän filosofian hengessä ensimmäinen tutkimusaihe Frontiers in Chemical Engineering tulee olemaan kemian tekniikan periaatteiden soveltaminen onkologiaan nanoteknologiaan keskittyen.