Chemical Engineering—más néven process engineering—az ága mérnöki alkalmazása fizikai és élettudományok, matematika és közgazdaságtan a termelés és átalakítása vegyi anyagok, energia és anyagok. Hagyományosan a hő, a tömeg és a lendület szállításából, a kinetikából és a reakciótechnikából, a kémiai termodinamikából, a vezérlésből és a dinamikus szimulációból, az elválasztásból és az egységműveletekből áll. Hagyományosan kifejlesztett és alkalmazott a petro-kémiai és a nehéz vegyipar, Vegyészmérnöki gyorsan fejlődött alkalmazások számos területen, beleértve az éghajlatváltozás, a környezeti rendszerek, orvosbiológiai, új anyagok és komplex rendszerek.

2003-ban megjelent a “Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering” című jelentés, amelyet az amerikai Nemzeti akadémiák Nemzeti Kutatási Tanácsa bízott meg, Breslow és Tirrell professzorok elnökletével (National Research Council, 2003). A tanulmány a kémiai tudomány helyzetét vizsgálta: hol vagyunk, hogyan jutottunk el ebbe az állapotba, és merre tartunk? Arra a következtetésre jutott, hogy a tudomány egyre interdiszciplináris. Azt is megállapította, a tendencia az erős integráció a molekuláris szinten Vegyészmérnöki és ” a megjelenése a kereszteződések a kémiai tudomány minden természettudományok, a mezőgazdaság, a környezettudomány és az orvostudomány, valamint az anyagtudomány, a fizika, az információs technológia és sok más területen a mérnöki.”Egy évtizeddel később ez a jövőkép nagyrészt megvalósult, és az úgynevezett “molekuláris mérnöki”, amely integrálja a vegyészmérnöki tudományokat, most valósággá vált. Ezek a gyorsan bővülő kereszteződések széles körű tudományterületek mérnöki az új határok Vegyészmérnöki.

határok a tudomány és a mérnöki mobil, egyre bővül egy nemlineáris és sztochasztikus módon. A tudás határainak feltérképezésére tett bármilyen kísérlet nehéz feladat, amely általában elavult a közzététel előtt. Vitathatatlanul jövedelmezőbb alternatíva a határok kihívása: a határok kitolása, amíg valamilyen reakció meg nem történik: függetlenül attól, hogy a közösség elutasítja-e, vagy valamilyen előrelépés következik-e inkrementális vagy kvantum lépésekben.

a vegyészmérnöki határok meghatározásának másik megközelítése az, hogy figyelembe vesszük azokat a kémiai reakciókat, amelyek az emberiség jelenlegi életszínvonalának fejlődését jelezték, és azokat a témákat, amelyek jelenleg kritikusak annak biztosítása érdekében, hogy az elfogadható szabványok igazságosabban oszlanak meg a világon anélkül, hogy katasztrofális hatással lennének a globális éghajlatra és ökoszisztémákra. Mi a legfontosabb kémiai reakció, amely hatással volt az emberiségre? És mi lesz a következő? Melyek a legfontosabb kémiai technológiák, amelyek biztosítják az elfogadható életszínvonal bővítését, miközben minimalizálják a környezeti hatásokat?

ahhoz, hogy a “legfontosabb kémiai folyamat” címre csak egy lehetséges jelöltet vegyen fel, a Haber-Bosch reakció, amely ammóniát termel a légköri nitrogén hidrogénnel való reakciójával, lehetővé tette az emberiség számára, hogy átlépje a 2 milliárd népességkorlátot, és elérje a jelenlegi mintegy 7 milliárd globális népességet (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Az ammónia a műtrágya kulcsfontosságú összetevője a jó növénynövekedéshez. A Haber-Bosh folyamat 1913-as megjelenéséig a mezőgazdaság nitrogén-korlátozott körülmények között működött, szántóföldek termesztésével, amelyek csak 2 milliárd ember táplálására voltak elegendőek. Az alacsony költségű műtrágya kifejlesztése lehetővé tette a növekedés új korszakát mind a terméshozamok, mind az emberi táplálkozási normák terén, elkerülve a természetes nitrogénkötési folyamatok által előírt korlátozásokat. Ennek eredménye egy mezőgazdasági forradalom volt.

a széles társadalmi jelentőséggel bíró kémiai folyamatok másik példája az antibiotikumok, vakcinák és immunológia kifejlesztése, amelyek az emberiségnek sokkal jobb irányítást biztosítottak a mikrobiális kórokozók felett, lehetővé téve a hosszabb és jobb emberi életet. A kémia harmadik területe azonban a félvezető anyagok megértése és a tömeggyártásuk rendkívüli pontossága, amely a modern mikroelektronika, a számítástechnika és a világháló alapja. Ezek a kémiai és elektronikus technológiák hatékonyan leválasztották az emberi agy memória/tároló funkcióját az analitikai képességétől, ezáltal felszabadították az erejét, hogy a kreativitásra és az összekapcsolhatóságra összpontosítson oly módon, amit az előző generációk el sem tudtak képzelni. A matematikai elvek egyre kifinomultabb alkalmazása a fizika, a kémia és a biológiai tudományok jelenségeire, az atomi szinttől az intergalaktikus skáláig, lehetővé teszi számunkra, hogy jobban megértsük a természeti és antropogén jelenségeket, és vagy irányítsuk őket, vagy felkészüljünk olyan változásokra, amelyek rajtunk kívül állnak.

Langer és Tirrell, az MIT-től és a Caltech-től, úttörő szerepet játszottak a biológiai anyagok Orvosi alkalmazásának mérnöki megközelítésében, még az onkológia és a szövettechnika határát is kitolva (Langer and Tirrell, 2004; Karp and Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. megmutatta, hogy a felület molekuláris tervezése nemcsak az egyensúlyi felületű folyadékcseppek viselkedését befolyásolja, hanem dinamikus kölcsönhatásukat is (Bird et al., 2013).

az ipari és gyakorlati problémák kezelése során gyakran kihívjuk a vegyészmérnöki határokat is. A vegyészmérnöki tevékenység mind a tudomány alkalmazását, mind a kémia, a társadalom és az ipar közötti kapcsolatot jelenti. Vegyészmérnöki tanulmányok gyakran tolja a határokat a kémia alkalmazásával modell rendszerek és egyenletek kifejlesztett jól viselkedett rendszerek komplex ipari kihívásokra. A mérnöki megközelítés értékeli és számszerűsíti a kombinált, antagonista vagy szinergikus rendszerek relatív fontosságát. A papírgyártás során a pitch lerakódás minimalizálása érdekében nemrégiben megvizsgáltuk a sók, a nyírás és a pH hatását a pitch koagulációra, hogy felfedezzük az ion-specifitás és a nem ideális viselkedés hatását a nyírással (Lee et al., 2012). A vérvizsgálat papírdiagnosztikájának fejlesztése során számszerűsítettük a vörösvértestek bio-specifikus reverzibilis koagulációját, és adszorpciót, elúciót, szűrést és kromatográfiát használtunk egy gyakorlati technológia kifejlesztéséhez. Ez az alkalmazott tanulmány rávilágított az antitestek és a makromolekulák felületekkel való dinamikus kölcsönhatásával kapcsolatos ismeretek hiányára (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

tehát milyen új határokat kell megtámadni? A területen és az alkalmazáson alapuló többdimenziós megközelítésből a következők:

Reakciótechnika

• szerves, szervetlen és biokémiai katalízis kombinációja az aktiválási energia csökkentése, a szelektivitás növelése, az energiafelhasználás csökkentése, a melléktermékek (elválasztás) és a mérgező szerves oldószerek és reagensek helyettesítése a szűkös elemek alapján vizes vagy bioalapú oldószerekben, zöld kémiai elvek alkalmazásával.

• a fotoszintézis hasznosítása a napenergia és a CO2 glükózzá, lignocellulóz polimerekké és köztitermékeikké történő átalakítására enzimatikus katalizátorok és / vagy vizes rendszerek alkalmazásával.

• megérteni és optimalizálni a tömegátadást, az energiaátadást, a reakciók kiterjedését és szelektivitását az orvostudományban. Alkalmazások közé tartozik a rákos sejtek, baktériumok, gombák és vírusok szelektív megsemmisítése (fertőzés) és az immunológiai reakciók szabályozása.

• prediktív reakciótechnika a reagens és a termék eltávolításának sebességét a reakció kinetikájához igazítva a mellékreakciók minimalizálása érdekében, ezáltal megkönnyítve és hatékonyabbá téve a szétválasztást.

Egységműveletek és szállítási jelenségek

• szelektívebb, specifikusabb és alacsony energiájú elválasztási folyamatok gáz-gáz és folyadék-folyadék rendszerekhez.

• magas fluxus és anti-fouling fordított ozmózis és membrán elválasztás.

• a hasonló forráspontú hőérzékeny vegyi anyagok jobb szétválasztása frakcionált desztillációval vagy más módon.

• jobb módszerek a szilárd anyagok szuszpenzióinak szivattyúzására és szállítására folyadékokban-különösen magas szilárdanyag-tartalom esetén.

Orvosbiológiai

• mérnöki megközelítés kidolgozása az emberi test és a mentális folyamatok viselkedésének és működésének modellezésére és szabályozására (irányítására).

• alkalmazzon szimulációs és ellenőrzési stratégiákat a biológiai rendszerek különböző hierarchiáira, kezdve a DNS-től és az RNS-től, a sejtektől, a szövetektől és a szervektől az emberi testig, hogy jobb életminőséget biztosítson a genetikai és kapcsolódó rendellenességekkel küzdő emberek számára.

• minimálisan invazív érzékelők a vérnyomás, a vér lipidkoncentrációjának és a pulzusszám szabályozására.

• nanotechnológia az onkológia és a gyógyszerszállítás szelektivitásához.

• biotechnológiák és javított bioanyagok a szervek regenerálásához.

energia

• az alacsony költségű energia kulcsfontosságú a kevésbé fejlett nemzetek többségének életszínvonalának javításához. Az antropogén üvegházhatású gázok lassú, de állandó globális felmelegedést okoznak-megfelelően bizonyított valóság—az elsődleges kihívás a nettó energia előállítása minimális környezeti hatással. A vegyészmérnökök feladata annak ellenőrzése és biztosítása, hogy az energiamérleg és a termodinamika a gazdaságilag elérhető legjobb. A megújuló forrásból származó vegyi anyagok előállítása és a zöld kémia használata a kihívás kiterjesztése, és ismét a vegyészmérnökök feladata, hogy pozitív termodinamikai és energiamérlegű folyamatokat és reakciókat fedezzenek fel, majd optimalizálják ezeket a folyamatokat a közgazdászok, a környezettudósok és a társadalom egészének aktív részvételével.

• a napenergia költséghatékony tárolása (beleértve a szél-és óceáni áramlatokban megtestesülő napenergiát is), amely lehetővé teszi az elosztást az emberi csúcsigény idején, továbbra is kritikus kérdés. Ezért elsődleges fontosságú az energiatárolás és-felhasználás reverzibilis folyamatainak fejlesztése, amelyek gyors indítási és leállítási jellemzőkkel rendelkeznek.

• míg a nagy mennyiségű (főleg) elektromos energia gyors és ellenőrzött felszabadulása fontos a társadalom igényeinek kielégítése szempontjából, nem szabad elfelejteni, hogy óriási előnyökkel járna a napenergia befogása és tárolása olyan módon, amely utánozza a természetes fotoszintetikus folyamatokat, így a napenergia kémiai kötésekben tárolódik, nem pedig hőként vagy elektronikus töltéselválasztásként. Ha a” mesterséges “fotoszintetikus reakció, amelybe a napenergiát” pumpálják”, szén-dioxidot fogyaszt, akkor egyértelműen két fő célt lehet elérni egyetlen technikai előrelépéssel. Ebben az összefüggésben érdemes megjegyezni, hogy míg a szén-monoxid oxigénnel való reakciója erősen exoterm, a fordított reakció, nevezetesen a szén-dioxid szén-monoxiddá és oxigénné történő termikus disszociációja olyan hőmérsékleten fordulhat elő, amelyet egy napkemencében lehet elérni (Nigara és Gales, 1986). A fennmaradó technológiai hiányosságok olyan fejlett tűzálló anyagok kifejlesztése, amelyek ellenállnak a reakció vezetéséhez szükséges hőmérsékleteknek, a hőcserének és a reakciótermékek hatékony elválasztásának. A szén-monoxid vizes alkáli oldódása alkálifém formátumok kialakításához ígéretes megközelítésnek tűnik.

anyagok

• Multiscale engineering: a nano, a mikro és a mezo skálák összekapcsolása a makró skálával mind az anyagokban, mind a folyamatokban alapvető fontosságú lesz a fent felsorolt kihívások nagy többségében.

• annak érdekében, hogy a nanotechnológia előre, molekuláris mérnöki segítségével továbbfejlesztett molekuláris dinamikus szimulációk elengedhetetlen.

• hasonló termékekké újrafeldolgozható anyagok felhasználása, vagy ha ez nem lehetséges, alacsonyabb értékű termékek kaszkádjává, a végső végtermékek teljes mértékben biológiailag lebonthatók.

• anyagok és kompozitok fejlesztése az alacsony energiájú folyamatokból az alkotóelemek szerkezetének jobb megértésével az atomi skálától a makroszkopikus tulajdonságokig. Célul kell kitűzni a nagy energiaigényű beton és fémek nyersanyagalapú alkalmazásának helyettesítését.

Zöld vegyi anyagok

• a zöld kémia alapelveit jól nyilvánosságra hozták (Anastas and Warner, 1998). Maximálisan ki kell használni a megújuló alapanyagokat, minden alkatrész felhasználásával. Mivel a biomassza energiasűrűsége alacsony a fosszilis szénforrásokhoz képest, a biomassza-feldolgozás energiahatékonysága kritikus felülvizsgálatot igényel, ideértve a kisebb mobil feldolgozó üzemek fejlesztését is, amelyeket szezonálisan el lehet vinni azokra a területekre, ahol a biomassza rendelkezésre áll. Az ilyen felülvizsgálat nem zárhatja ki a lehetséges társadalmi és közösségi előnyöket.

• a biomassza jobb felhasználásának kulcsfontosságú tényezője olyan új kémiai útvonalak kifejlesztése lesz, amelyek intelligensebben használják fel a poliszacharidok és ligninek szerkezetét. Ebben az összefüggésben a bimolekuláris mechanizmusok, amelyek révén a Hemiptera és a Hymenoptera családok bizonyos rovarai előnyükre manipulálhatják a magasabb növények sejtdifferenciálódását és szövetképződését azáltal, hogy a gazdanövény által készített epék és kapcsolódó, gyakran nagyon rendezett védőszerkezetek kialakulását indukálják, minden bizonnyal részletes multidiszciplináris vizsgálatot igényelnek.

• míg számos hasznos enzimet állítanak elő, izolálnak és használnak ipari méretekben, a folyamatok katalizálásának sebességét általában korlátozza a termikus instabilitás és a felületaktív anyagok denaturálása, valamint a pH semleges tartományon kívüli mozgása. A vegyészmérnökök hagyományosan hőt, nyomást és pH-t használtak a kémiai reakciók felgyorsítására, ám az extremofil organizmusok és enzimeik molekuláris biológiájának tanulmányozása, amelyek nyilvánvalóan úgy fejlődtek ki, hogy ellenálljanak a mély óceáni szellőzőkben és vulkáni medencékben előforduló szélsőséges hőmérsékleteknek, nyomásoknak és pH-tartományoknak, úgy tűnik, hogy még gyerekcipőben jár.

a vegyészmérnöki fejlődés gyakran növekményes volt. Kezdetben született házasság között Gépészmérnöki és alkalmazott kémia, Vegyészmérnöki nőtte ki magát egy teljes értékű széles fegyelem, amely folyamatosan keresi az új kihívásokat. Az egyik olyan terület, ahol sok ilyen kihívás összpontosul, a továbbfejlesztett technológiák, amelyek az anyagot és az energiát olyan módon hasznosítják, hogy új termékeket hozzanak létre, mint például szervek, energiatároló rendszerek, molekulárisan megtervezett kompozitok stb. Szorosan kapcsolódó terület a folyamatoptimalizálás annak biztosítása érdekében, hogy mind a meglévő, mind az új termékeket a leghatékonyabb és legfenntarthatóbb módon állítsák elő—az energia és a melléktermékek tekintetében. A kihívások harmadik területe az új létesítmények építése és a régiek módosítása, hogy egyértelmű társadalmi engedéllyel rendelkezzenek azoknak a technológiáknak a működtetésére és használatára, amelyekre a társadalom támaszkodik az elfogadható életszínvonal biztosításához.

a vegyészmérnöki határok legérdekesebb és gyümölcsöző kihívásai közé tartozik a vegyészmérnöki kémia, a fizika és a biológia integrálása, amelyet a kontroll térfogat újradefiniálása kísér. Ennek a filozófiának a szellemében a Vegyészmérnöki határok első kutatási témája a vegyészmérnöki elvek alkalmazása az onkológiára nanotechnológiai fókuszban.