L’ingegneria chimica—nota anche come ingegneria di processo—è la branca dell’ingegneria che applica le scienze fisiche e della vita, la matematica e l’economia alla produzione e alla trasformazione di sostanze chimiche, energia e materiali. Tradizionalmente, consiste nel trasporto di calore, massa e quantità di moto, cinetica e ingegneria delle reazioni, termodinamica chimica, controllo e simulazione dinamica, separazione e operazioni unitarie. Convenzionalmente sviluppato e applicato per l’industria petrolchimica e chimica pesante, l’ingegneria chimica si è rapidamente evoluta con applicazioni in una moltitudine di campi, tra cui cambiamenti climatici, sistemi ambientali, biomedici, nuovi materiali e sistemi complessi.

Nel 2003 è stato pubblicato il rapporto “Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering” mandato dal National Research Council delle American National Academies e presieduto dai professori Breslow e Tirrell (National Research Council, 2003). Lo studio ha studiato lo stato della scienza chimica: dove siamo, come siamo arrivati a questo stato e dove stiamo andando? Ha concluso che la scienza è diventata sempre più interdisciplinare. Ha anche identificato una tendenza verso la forte integrazione dal livello molecolare all’ingegneria chimica e “l’emergere delle intersezioni della scienza chimica con tutte le scienze naturali, l’agricoltura, la scienza ambientale e la medicina, nonché con la scienza dei materiali, la fisica, la tecnologia dell’informazione e molti altri campi dell’ingegneria.”Un decennio dopo, questa visione è stata ampiamente realizzata e la cosiddetta “ingegneria molecolare” che integra l’ingegneria chimica con tutte le scienze è ora una realtà. Queste intersezioni in rapida espansione di una vasta gamma di aree della scienza con l’ingegneria sono le nuove frontiere dell’ingegneria chimica.

Le frontiere della Scienza e dell’Ingegneria sono mobili, in continua espansione in modo non lineare e stocastico. Qualsiasi tentativo di mappare le frontiere della conoscenza è un esercizio difficile che di solito è obsoleto prima che venga pubblicato. Un’alternativa probabilmente più redditizia è sfidare le frontiere: spingere i loro confini fino a quando non si verifica una reazione: se il rifiuto da parte della comunità o qualche progresso segue in passi incrementali o quantistici.

un Altro approccio per definire le frontiere dell’ingegneria chimica è quello di considerare le reazioni chimiche che hanno segnato lo sviluppo dell’umanità attuale tenore di vita e gli argomenti attualmente fondamentale per garantire che gli standard accettabili sono distribuiti in modo più equo in tutto il mondo senza catastrofico impatto sul clima globale e ecosistemi. Qual è la reazione chimica più importante che ha avuto un impatto sull’umanità? E quale sarà il prossimo? Quali sono le tecnologie chimiche più significative necessarie per garantire l’espansione di standard di vita accettabili riducendo al minimo l’impatto ambientale?

Prendere solo uno dei tanti possibili candidati per il titolo di “Processo chimico più importante”, la reazione Haber-Bosch, che produce ammoniaca facendo reagire l’azoto atmosferico con l’idrogeno, ha permesso all’umanità di superare la barriera dei 2 miliardi di abitanti e raggiungere l’attuale popolazione globale di circa 7 miliardi (Smil, 1999; Kolbert, 2013). L’ammoniaca è un ingrediente chiave nel fertilizzante per una buona crescita delle piante. Fino all’avvento del processo Haber-Bosh nel 1913, l’agricoltura operava in condizioni di azoto limitato con la coltivazione di terreni coltivabili sufficienti a sfamare solo 2 miliardi di persone. Lo sviluppo di fertilizzanti a basso costo ha permesso una nuova era di crescita sia nei raccolti che negli standard nutrizionali umani sfuggendo alle limitazioni imposte dai processi naturali di fissazione dell’azoto. Una rivoluzione agricola è stata il risultato.

Un altro esempio di processi chimici con ampio significato sociale sono lo sviluppo di antibiotici, vaccini e immunologia che hanno dato all’umanità un controllo molto migliore sui patogeni microbici, consentendo vite umane più lunghe e migliori. Eppure una terza area della chimica è la nostra comprensione dei materiali semiconduttori e come produrli in massa con straordinaria precisione che è alla base della moderna microelettronica, dell’informatica e del World Wide Web. Queste tecnologie chimiche ed elettroniche hanno effettivamente disaccoppiato la funzione memoria / memorizzazione del cervello umano dalla sua capacità analitica, liberando così i suoi poteri di concentrarsi sulla creatività e sulla connettività in modi che le generazioni precedenti non potevano immaginare. L’applicazione sempre più sofisticata dei principi matematici ai fenomeni della fisica, della chimica e delle scienze biologiche, dal livello atomico alle scale intergalattiche, ci consente di comprendere meglio i fenomeni naturali e antropici e di controllarli o di prepararci a cambiamenti che sfuggono al nostro controllo.

Langer e Tirrell, rispettivamente del MIT e del Caltech, hanno aperto la strada a un approccio ingegneristico ai biomateriali per applicazioni mediche, spingendo anche i confini dell’oncologia e dell’ingegneria tissutale (Langer e Tirrell, 2004; Karp e Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Uccello et al. ha dimostrato che l’ingegneria molecolare della superficie influenza non solo il comportamento delle goccioline liquide con una superficie all’equilibrio, ma anche la loro interazione dinamica (Bird et al., 2013).

Quando affrontiamo problemi industriali e pratici, spesso sfidiamo anche le frontiere dell’ingegneria chimica. L’ingegneria chimica rappresenta sia l’applicazione della scienza che il legame tra chimica, società e industria. Gli studi di ingegneria chimica spesso spingono i confini della chimica applicando sistemi modello ed equazioni sviluppati con sistemi ben educati a complesse sfide industriali. L’approccio ingegneristico valuta e quantifica l’importanza relativa dei sistemi combinati, antagonistici o sinergici. Con l’obiettivo di minimizzare la deposizione di pece durante la fabbricazione della carta, abbiamo recentemente studiato l’effetto di sali, taglio e pH sulla coagulazione del pece per scoprire l’effetto della specificità ionica e dei comportamenti non ideali con il taglio (Lee et al., 2012). Nello sviluppo della diagnostica cartacea per la tipizzazione del sangue, abbiamo quantificato la coagulazione reversibile biospecifica dei globuli rossi e utilizzato l’adsorbimento, l’eluizione, la filtrazione e la cromatografia per sviluppare una tecnologia pratica. Questo studio applicato ha evidenziato il divario nella conoscenza sull’interazione dinamica di anticorpi e macromolecole con le superfici (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

Quindi quali sono alcune nuove frontiere da sfidare? Da un approccio multidimensionale basato sul campo e sull’applicazione sono i seguenti:

Reaction Engineering

• Combinazione di catalisi organica, inorganica e biochimica per diminuire l’energia di attivazione, aumentare la selettività, ridurre il consumo di energia, sottoprodotti (separazione) e sostituire solventi organici tossici e reagenti basati su elementi scarsi da reazioni in solventi acquosi o bio-based utilizzando principi chimici verdi.

• Sfruttare la fotosintesi per convertire l’energia solare e la CO2 in glucosio, polimeri ligno-cellulosici e loro intermedi utilizzando catalizzatori enzimatici e / o sistemi acquosi.

• Comprendere e ottimizzare il trasferimento di massa, il trasferimento di energia, l’estensione e la selettività delle reazioni in medicina. Le applicazioni includono la distruzione selettiva delle cellule tumorali, dei batteri, dei funghi e dei virus (infezione) e la regolazione delle reazioni immunologiche.

• Ingegneria di reazione predittiva che regola il tasso di rimozione del reagente e del prodotto di conseguenza alla cinetica della reazione per minimizzare le reazioni collaterali, quindi rendendo la separazione più facile e più efficiente.

Operazioni unitarie e fenomeni di trasporto

• Processi di separazione più selettivi, specifici e a bassa energia per sistemi gas-gas e liquido-liquido.

• Osmosi inversa ad alto flusso e antivegetativa e separazioni di membrana.

• Migliore separazione di sostanze chimiche termicamente sensibili con punti di ebollizione simili mediante distillazione frazionata o altri mezzi.

• Metodi migliori per il pompaggio e il trasporto di sospensioni di solidi nei liquidi, specialmente ad alto contenuto di solidi.

Biomedico

• Sviluppare un approccio ingegneristico per modellare e regolare (controllare) il comportamento e la funzionalità del corpo umano e dei processi mentali.

• Applicare strategie di simulazione e controllo alle varie gerarchie dei sistemi biologici, che vanno dal DNA e RNA, alla cellula, ai tessuti e agli organi, fino al corpo umano per dare una migliore qualità della vita alle persone con disturbi genetici e correlati.

• Sensori minimamente invasivi per controllare la pressione sanguigna, le concentrazioni di lipidi nel sangue e la frequenza cardiaca.

• Nanotecnologie per la selettività in oncologia e la somministrazione di farmaci.

• Biotecnologie e biomateriali migliorati per la rigenerazione degli organi.

Energia

• L’energia a basso costo è la chiave per migliorare gli standard di vita per la maggior parte delle persone nelle nazioni meno sviluppate. Con i gas serra antropogenici che causano un riscaldamento globale lento ma costante—una realtà adeguatamente provata—una sfida primaria è produrre energia netta con un impatto ambientale minimo. Gli ingegneri chimici hanno la responsabilità di verificare e garantire che i bilanci energetici e la termodinamica siano i migliori economicamente ottenibili. La produzione di prodotti chimici da fonti rinnovabili e l’utilizzo di chimica verde è un’estensione della sfida, e ancora una volta la responsabilità incombente degli ingegneri chimici è quella di scoprire processi e reazioni con termodinamica positiva e bilanci energetici, quindi di ottimizzare questi processi impegnandosi attivamente con economisti, scienziati ambientali e società in generale.

• Lo stoccaggio economico dell’energia solare (compresa l’energia solare incorporata nelle correnti eoliche e oceaniche) per consentire la distribuzione nei momenti di picco della domanda umana rimane un problema critico. Lo sviluppo di processi reversibili per lo stoccaggio e l’utilizzo dell’energia che hanno caratteristiche di avvio e spegnimento rapidi è quindi di primaria importanza.

• Mentre in modo rapido e controllato il rilascio di grandi quantità di (soprattutto) di energia elettrica è di importanza nel soddisfare le esigenze della società, non si deve dimenticare che ci sarebbe un enorme vantaggio nel catturare e immagazzinare l’energia solare in modi che imitano i naturali processi fotosintetici, in modo che l’energia solare viene immagazzinata nei legami chimici, piuttosto che come calore, elettronica o la separazione di carica. Se la reazione fotosintetica” artificiale “in cui viene” pompata” l’energia solare consuma anidride carbonica, allora chiaramente due obiettivi principali sarebbero raggiunti in un unico progresso tecnico. A questo proposito vale la pena ricordare che mentre la reazione del monossido di carbonio con l’ossigeno è altamente esotermica, la reazione inversa, vale a dire la dissociazione termica dell’anidride carbonica in monossido di carbonio e ossigeno, può verificarsi ai tipi di temperature che possono essere raggiunte in un forno solare (Nigara e Gales, 1986). Le restanti lacune tecnologiche sono lo sviluppo di materiali refrattari avanzati in grado di resistere alle temperature necessarie per guidare la reazione, lo scambio termico e l’efficiente separazione dei prodotti di reazione. La dissoluzione del monossido di carbonio in alcali acquosi per formare formati di metalli alcalini sembrerebbe essere un approccio promettente.

Materiali

• Ingegneria multiscala: collegare le scale nano, micro e meso alla scala macro sia nei materiali che nei processi sarà fondamentale per la grande maggioranza delle sfide sopra elencate.

• Affinché la nanotecnologia progredisca, l’ingegneria molecolare utilizzando simulazioni dinamiche molecolari migliorate sarà essenziale.

• Uso di materiali che possono essere ritrattati in prodotti simili o, se non possibile, in una cascata di prodotti di valore inferiore, con i prodotti finali finali completamente biodegradabili.

• Sviluppare materiali e compositi da processi a bassa energia attraverso una migliore comprensione delle strutture dei componenti dalla scala atomica alle proprietà macroscopiche. La sostituzione delle applicazioni delle materie prime di calcestruzzo e metalli ad alta intensità energetica dovrebbe essere mirata.

Green Chemicals

• I principi della chimica verde sono stati ben pubblicizzati (Anastas e Warner, 1998). Il massimo utilizzo deve essere fatto di materie prime rinnovabili, utilizzando tutti i componenti. Poiché la biomassa ha una bassa densità energetica rispetto alle fonti fossili di carbonio, le efficienze energetiche del trattamento della biomassa richiedono un riesame critico, compreso lo sviluppo di impianti mobili di trasformazione più piccoli che possono essere portati nelle aree in cui la biomassa è disponibile su base stagionale. Tale riesame non dovrebbe escludere eventuali benefici sociali e comunitari.

• Un fattore chiave per un migliore utilizzo della biomassa sarà lo sviluppo di nuovi percorsi chimici che rendono più intelligente l’uso delle strutture di polisaccaridi e lignine. A questo proposito, i meccanismi bimolecolari con cui alcuni insetti delle famiglie Emitteri e Imenotteri possono manipolare la differenziazione cellulare e la formazione di tessuti nelle piante superiori a loro vantaggio, inducendo la formazione di galle e strutture protettive correlate, spesso altamente ordinate, fatte dalla pianta ospite meritano certamente uno studio multidisciplinare dettagliato.

• Mentre un certo numero di enzimi utili sono ora prodotti, isolati e utilizzati su scala industriale, le velocità con cui catalizzano i processi sono solitamente limitate dall’instabilità termica e dalla denaturazione da parte dei tensioattivi e dal movimento del pH al di fuori dell’intervallo neutro. Gli ingegneri chimici hanno tradizionalmente usato calore, pressione e pH per accelerare le reazioni chimiche, eppure lo studio della biologia molecolare degli organismi estremofili e dei loro enzimi che si sono ovviamente evoluti per resistere a temperature estreme, pressioni e intervalli di pH che si verificano nelle bocche oceaniche profonde e nelle pozze vulcaniche sembra essere nella sua infanzia.

I progressi nell’ingegneria chimica sono stati spesso incrementali. Nato inizialmente da un matrimonio tra ingegneria meccanica e chimica applicata, l’ingegneria chimica è diventata una disciplina a tutti gli effetti ampia che è costantemente alla ricerca di nuove sfide. Un’area in cui molte di queste sfide sono focalizzate tecnologie migliorate per sfruttare la materia e l’energia in modi che generano nuovi prodotti, come organi, sistemi di accumulo di energia, compositi ingegnerizzati molecolarmente, ecc. Un’area strettamente correlata è l’ottimizzazione dei processi per garantire che sia i prodotti esistenti che quelli nuovi siano fabbricati nei modi più efficienti e sostenibili—in termini di energia e sottoprodotti. Una terza area di sfide è la costruzione di nuove strutture e la modifica di quelle più vecchie in modo tale che abbiano una chiara licenza sociale per operare e utilizzare le tecnologie su cui la società si basa per fornire standard di vita accettabili.

Molte delle sfide più interessanti e fruttuose alle frontiere dell’ingegneria chimica riguardano l’integrazione dell’ingegneria chimica con chimica, fisica e biologia accompagnata da una ridefinizione del volume di controllo. Nello spirito di questa filosofia, il primo tema di ricerca di Frontiers in Chemical Engineering sarà l’applicazione dei principi dell’ingegneria chimica all’oncologia con un focus sulle nanotecnologie.