Le génie chimique — également appelé génie des procédés – est la branche de l’ingénierie qui applique les sciences physiques et de la vie, les mathématiques et l’économie à la production et à la transformation de produits chimiques, d’énergie et de matériaux. Traditionnellement, il s’agit du transport de la chaleur, de la masse et de l’élan, de la cinétique et de l’ingénierie réactionnelle, de la thermodynamique chimique, de la simulation de contrôle et de dynamique, de la séparation et des opérations unitaires. Développé et appliqué de manière conventionnelle pour l’industrie pétrochimique et chimique lourde, le génie chimique a rapidement évolué avec des applications dans une multitude de domaines, notamment le changement climatique, les systèmes environnementaux, le biomédical, les nouveaux matériaux et les systèmes complexes.

En 2003, le rapport « Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering », mandaté par le Conseil national de recherches des Académies nationales américaines et présidé par les professeurs Breslow et Tirrell, a été publié (Conseil national de recherches, 2003). L’étude a étudié le statut de la science chimique: où en sommes-nous, comment en sommes-nous arrivés à cet état et où nous dirigeons-nous? Il a conclu que la science est devenue de plus en plus interdisciplinaire. Il a également identifié une tendance vers une forte intégration du niveau moléculaire au génie chimique et « l’émergence des intersections de la science chimique avec toutes les sciences naturelles, l’agriculture, les sciences de l’environnement et la médecine ainsi qu’avec la science des matériaux, la physique, les technologies de l’information et de nombreux autres domaines de l’ingénierie. »Une décennie plus tard, cette vision a été largement réalisée et ce que l’on appelle le « génie moléculaire » qui intègre le génie chimique à toutes les sciences est maintenant une réalité. Ces intersections en expansion rapide d’un large éventail de domaines de la science avec l’ingénierie sont les nouvelles frontières du génie chimique.

Les frontières de la science et de l’ingénierie sont mobiles et ne cessent de s’étendre de manière non linéaire et stochastique. Toute tentative de tracer les frontières de la connaissance est un exercice difficile qui est généralement obsolète avant sa publication. Une alternative sans doute plus rentable est de défier les frontières: repousser leurs limites jusqu’à ce qu’une réaction se produise: que le rejet par la communauté ou certains progrès suivent des étapes incrémentielles ou quantiques.

Une autre approche pour définir les frontières du génie chimique consiste à examiner les réactions chimiques qui ont marqué l’évolution du niveau de vie actuel de l’humanité et les sujets actuellement critiques pour garantir une répartition plus équitable des normes acceptables dans le monde sans impact catastrophique sur le climat et les écosystèmes mondiaux. Quelle est la réaction chimique la plus importante qui a eu un impact sur l’humanité? Et quel sera le prochain? Quelles sont les technologies chimiques les plus importantes nécessaires pour assurer l’augmentation du niveau de vie acceptable tout en minimisant l’impact sur l’environnement?

Pour ne prendre qu’un des nombreux candidats possibles au titre de « Processus chimique le plus important », la réaction de Haber-Bosch, qui produit de l’ammoniac en faisant réagir de l’azote atmosphérique avec de l’hydrogène, a permis à l’humanité de passer la barrière des 2 milliards de population et d’atteindre la population mondiale actuelle de quelque 7 milliards (Smil, 1999; Kolbert, 2013). L’ammoniac est un ingrédient clé de l’engrais pour une bonne croissance des plantes. Jusqu’à l’avènement du processus Haber-Bosh dans le 1913, l’agriculture fonctionnait dans des conditions limitées en azote avec la culture de terres arables suffisantes pour nourrir seulement 2 milliards de personnes. Le développement d’engrais à faible coût a permis une nouvelle ère de croissance des rendements des cultures et des normes nutritionnelles humaines en échappant aux limites imposées par les processus naturels de fixation de l’azote. Une révolution agricole en a été le résultat.

Un autre exemple de processus chimiques à grande signification sociale est le développement d’antibiotiques, de vaccins et d’immunologie qui ont permis à l’humanité de mieux contrôler les agents pathogènes microbiens, permettant ainsi des vies humaines plus longues et meilleures. Pourtant, un troisième domaine de la chimie est notre compréhension des matériaux semi-conducteurs et de la façon de les produire en masse avec une précision extraordinaire qui est à la base de la microélectronique moderne, de l’informatique et du World Wide Web. Ces technologies chimiques et électroniques ont effectivement découplé la fonction mémoire / stockage du cerveau humain de sa capacité analytique, libérant ainsi ses pouvoirs pour se concentrer sur la créativité et la connectivité d’une manière que les générations précédentes ne pouvaient imaginer. L’application de plus en plus sophistiquée des principes mathématiques aux phénomènes de la physique, de la chimie et des sciences biologiques, du niveau atomique aux échelles intergalactiques, nous permet de mieux comprendre les phénomènes naturels et anthropiques et de les contrôler, ou de nous préparer à des changements qui échappent à notre contrôle.

Langer et Tirrell, respectivement du MIT et de Caltech, ont été les pionniers d’une approche d’ingénierie des biomatériaux pour applications médicales, repoussant même les limites de l’oncologie et de l’ingénierie tissulaire (Langer et Tirrell, 2004; Karp et Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. a montré que l’ingénierie moléculaire de la surface affecte non seulement le comportement des gouttelettes liquides avec une surface à l’équilibre, mais aussi leur interaction dynamique (Bird et al., 2013).

Lorsque nous abordons des problèmes industriels et pratiques, nous remettons souvent en question les frontières du génie chimique. Le génie chimique représente à la fois l’application de la science et le lien entre la chimie, la société et l’industrie. Les études de génie chimique repoussent souvent les limites de la chimie en appliquant des systèmes modèles et des équations développés avec des systèmes bien comportés à des défis industriels complexes. L’approche d’ingénierie évalue et quantifie l’importance relative des systèmes combinés, antagonistes ou synergiques. Dans le but de minimiser les dépôts de brai pendant la fabrication du papier, nous avons récemment étudié l’effet des sels, du cisaillement et du pH sur la coagulation du brai pour découvrir l’effet de la spécificité ionique et des comportements non idéaux avec le cisaillement (Lee et al., 2012). Dans le développement de diagnostics papier pour le typage sanguin, nous avons quantifié la coagulation réversible bio-spécifique des globules rouges et utilisé l’adsorption, l’élution, la filtration et la chromatographie pour développer une technologie pratique. Cette étude appliquée a mis en évidence le manque de connaissances sur l’interaction dynamique des anticorps et des macromolécules avec les surfaces (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

Quelles sont donc les nouvelles frontières à défier ? D’une approche multidimensionnelle basée sur le domaine et l’application, ils sont les suivants:

Ingénierie réactionnelle

• Combinaison de catalyse organique, inorganique et biochimique pour diminuer l’énergie d’activation, augmenter la sélectivité, réduire la consommation d’énergie, les sous-produits (séparation) et remplacer les solvants et réactifs organiques toxiques à base d’éléments rares par des réactions dans des solvants aqueux ou biosourcés en utilisant des principes chimiques verts.

• Exploiter la photosynthèse pour convertir l’énergie solaire et le CO2 en glucose, polymères ligno-cellulosiques et leurs intermédiaires à l’aide de catalyseurs enzymatiques et / ou de systèmes aqueux.

• Comprendre et optimiser le transfert de masse, le transfert d’énergie, l’étendue et la sélectivité des réactions en médecine. Les applications comprennent la destruction sélective des cellules cancéreuses, des bactéries, des champignons et des virus (infection) et la régulation des réactions immunologiques.

• Ingénierie réactionnelle prédictive ajustant le taux d’élimination du réactif et du produit en fonction de la cinétique de la réaction pour minimiser les réactions secondaires, rendant ainsi la séparation plus facile et plus efficace.

Opérations unitaires et phénomènes de transport

• Procédés de séparation plus sélectifs, spécifiques et à faible énergie pour les systèmes gaz-gaz et liquide-liquide.

• Osmose inverse à flux élevé et antisalissure et séparations membranaires.

• Séparation améliorée des produits chimiques thermiquement sensibles ayant des points d’ébullition similaires par distillation fractionnée ou par d’autres moyens.

• Meilleures méthodes de pompage et de transport de suspensions de solides dans des liquides, en particulier à haute teneur en solides.

Biomédical

• Développer une approche d’ingénierie pour modéliser et réguler (contrôler) le comportement et la fonctionnalité du corps humain et des processus mentaux.

• Appliquer des stratégies de simulation et de contrôle aux différentes hiérarchies des systèmes biologiques, allant de l’ADN et de l’ARN, de la cellule, des tissus et des organes, jusqu’au corps humain pour améliorer la qualité de vie des personnes atteintes de troubles génétiques et apparentés.

• Capteurs mini-invasifs pour contrôler la pression artérielle, les concentrations de lipides sanguins et la fréquence cardiaque.

• Nanotechnologie pour la sélectivité en oncologie et en administration de médicaments.

• Biotechnologies et biomatériaux améliorés pour la régénération des organes.

Énergie

• L’énergie à faible coût est essentielle pour améliorer le niveau de vie de la majorité des habitants des pays moins développés. Étant donné que les gaz à effet de serre anthropiques provoquent un réchauffement climatique lent mais régulier — une réalité suffisamment prouvée —, un défi majeur consiste à produire de l’énergie nette avec un impact environnemental minimal. Les ingénieurs chimistes ont la responsabilité de vérifier et de s’assurer que les bilans énergétiques et la thermodynamique sont les meilleurs économiquement réalisables. La production de produits chimiques à partir de sources renouvelables et utilisant la chimie verte est une extension du défi, et encore une fois la responsabilité des ingénieurs chimistes est de découvrir des processus et des réactions avec une thermodynamique et des bilans énergétiques positifs, puis d’optimiser ces processus en s’engageant activement avec des économistes, des scientifiques de l’environnement et la société en général.

• Le stockage rentable de l’énergie solaire (y compris l’énergie solaire incorporée dans les courants éoliens et océaniques) pour permettre la distribution aux périodes de pointe de la demande humaine reste un problème critique. Le développement de procédés réversibles de stockage et d’utilisation de l’énergie présentant des caractéristiques de démarrage et d’arrêt rapides est donc d’une importance primordiale.

• Bien que la libération rapide et contrôlée de grandes quantités d’énergie électrique (principalement) soit importante pour répondre aux besoins de la société, il ne faut pas oublier qu’il y aurait d’énormes avantages à capturer et à stocker l’énergie solaire de manière à imiter les processus photosynthétiques naturels, de sorte que l’énergie solaire est stockée dans des liaisons chimiques, plutôt que sous forme de chaleur ou de séparation électronique des charges. Si la réaction photosynthétique « artificielle » dans laquelle l’énergie solaire est « pompée » consomme du dioxyde de carbone, alors il est clair que deux objectifs majeurs seraient atteints en une seule avancée technique. À cet égard, il convient de rappeler que si la réaction du monoxyde de carbone avec l’oxygène est hautement exothermique, la réaction inverse, à savoir la dissociation thermique du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et en oxygène, peut se produire aux sortes de températures pouvant être atteintes dans un four solaire (Nigara et Gales, 1986). Les lacunes technologiques restantes sont le développement de matériaux réfractaires avancés capables de résister aux températures requises pour conduire la réaction, l’échange de chaleur et la séparation efficace des produits de réaction. La dissolution du monoxyde de carbone dans un alcali aqueux pour former des formats de métaux alcalins semble être une approche prometteuse.

Matériaux

• Ingénierie multi-échelle: lier les échelles nano, micro et méso à l’échelle macro dans les matériaux et les processus sera fondamental pour la grande majorité des défis énumérés ci-dessus.

• Pour que la nanotechnologie avance, l’ingénierie moléculaire utilisant des simulations dynamiques moléculaires améliorées sera essentielle.

• Utilisation de matériaux qui peuvent être retraités en produits similaires, ou si cela n’est pas possible, en une cascade de produits de valeur inférieure, les produits finaux finaux étant complètement biodégradables.

• Développer des matériaux et des composites à partir de procédés à basse énergie en comprenant mieux les structures des composants de l’échelle atomique aux propriétés macroscopiques. Le remplacement des applications de produits de base du béton et des métaux à forte intensité énergétique devrait être ciblé.

Produits chimiques verts

• Les principes de la chimie verte ont été bien médiatisés (Anastas et Warner, 1998). Il faut utiliser au maximum des matières premières renouvelables, en utilisant tous les composants. Étant donné que la biomasse a une faible densité énergétique par rapport aux sources de carbone fossiles, l’efficacité énergétique du traitement de la biomasse nécessite un réexamen critique, y compris le développement d’usines de traitement mobiles plus petites qui peuvent être conduites dans les zones où la biomasse est disponible sur une base saisonnière. Un tel réexamen ne devrait pas exclure d’éventuels avantages sociaux et communautaires.

• Un facteur clé pour une meilleure utilisation de la biomasse sera le développement de nouvelles voies chimiques qui utiliseront plus intelligemment les structures des polysaccharides et des lignines. À cet égard, les mécanismes bimoléculaires par lesquels certains insectes des familles des Hémiptères et des hyménoptères peuvent manipuler à leur avantage la différenciation cellulaire et la formation de tissus chez les plantes supérieures, en induisant la formation de galles et de structures protectrices connexes, souvent très ordonnées, faites par la plante hôte méritent certainement une étude multidisciplinaire détaillée.

• Alors qu’un certain nombre d’enzymes utiles sont maintenant produites, isolées et utilisées à l’échelle industrielle, les vitesses auxquelles elles catalysent les processus sont généralement limitées par l’instabilité thermique et la dénaturation par les tensioactifs et le mouvement du pH en dehors de la plage neutre. Les ingénieurs chimistes ont traditionnellement utilisé la chaleur, la pression et le pH pour accélérer les réactions chimiques, mais l’étude de la biologie moléculaire des organismes extrêmophiles et de leurs enzymes qui ont évidemment évolué pour résister à des températures, des pressions et des plages de pH extrêmes qui se produisent dans les évents océaniques profonds et les piscines volcaniques semble en être à ses balbutiements.

Les progrès en génie chimique ont souvent été progressifs. Né d’un mariage entre le génie mécanique et la chimie appliquée, le génie chimique est devenu une discipline à part entière qui est constamment à la recherche de nouveaux défis. Un domaine dans lequel bon nombre de ces défis sont axés sur les technologies améliorées pour exploiter la matière et l’énergie de manière à générer de nouveaux produits, tels que les organes, les systèmes de stockage d’énergie, les composites d’ingénierie moléculaire, etc. Un domaine étroitement lié est l’optimisation des processus pour s’assurer que les produits existants et nouveaux sont fabriqués de la manière la plus efficace et la plus durable — en termes d’énergie et de sous-produits. Un troisième domaine de défis consiste à construire de nouvelles installations et à modifier les anciennes de manière à ce qu’elles disposent d’une licence sociale claire pour exploiter et utiliser les technologies sur lesquelles la société s’appuie pour fournir des niveaux de vie acceptables.

Bon nombre des défis les plus intéressants et les plus fructueux aux frontières du génie chimique impliquent l’intégration du génie chimique à la chimie, à la physique et à la biologie accompagnée d’une redéfinition du volume de contrôle. Dans l’esprit de cette philosophie, le premier sujet de recherche des Frontières en Génie chimique sera l’application des principes du génie chimique à l’oncologie avec un accent sur la nanotechnologie.