化学工学—プロセス工学とも呼ばれる—化学、エネルギー、材料の生産と変換に物理および生命科学、数学、経済学 伝統的に、それは熱、質量と運動量の輸送、動力学と反応工学、化学熱力学、制御と動的シミュレーション、分離、および単位操作で構成されています。 化学工学は、従来、石油化学および重化学工業に開発され、応用されてきましたが、気候変動、環境システム、生物医学、新材料、複雑なシステムなど、多くの分野での応用とともに急速に進化してきました。

2003年には、アメリカ国立アカデミーの国立研究評議会が義務付け、ブレズロー教授とティレル教授が議長を務める報告書”beyond molecular frontiers:challenges for chemistry sciences and chemical engineering”が発表された（National Research Council、2003）。 この研究では、化学科学の状況を調査しました：私たちはどこにいますか、どのようにしてこの状態に到着し、どこに向かっていますか？ それは、科学がますます学際的になっていると結論づけました。 また、分子レベルから化学工学への強力な統合への傾向を特定し、”すべての自然科学、農業、環境科学、医学だけでなく、材料科学、物理学、情報技術および工学の他の多くの分野との化学科学の交差点の出現。”十年後、このビジョンは大きく実現されており、化学工学とすべての科学を統合するいわゆる”分子工学”が現実のものになりました。 これらの急速に拡大する科学と工学の幅広い分野の交差点は、化学工学の新しいフロンティアです。

科学と工学のフロンティアはモバイルであり、非線形かつ確率的な方法で拡大しています。 知識のフロンティアをマップしようとする試みは、それが公開される前に、通常は古くなっている困難な演習です。 間違いなくより収益性の高い代替案は、フロンティアに挑戦することです：いくつかの反応が起こるまで境界を押し進めること：コミュニティによる拒絶

化学工学のフロンティアを定義するもう一つのアプローチは、人類の現在の生活水準の発展をマークしている化学反応と、地球規模の気候や生態系に壊滅的な影響を与えることなく、許容可能な基準が世界中でより公平に分配されることを確実にするために現在重要なトピックを検討することです。 人類に影響を与えた最も重要な化学反応は何ですか？ そして、次のものは何でしょうか？ 環境への影響を最小限に抑えながら、許容可能な生活水準の拡大を確実にするために必要な最も重要な化学技術は何ですか？

“最も重要な化学プロセス”のタイトルのための多くの可能な候補の一つだけを取るために、大気中の窒素と水素を反応させることによってアンモ; Kolbert、2013）。 アンモニアは、良好な植物の成長のための肥料の重要な成分です。 1913のHaber-Boshプロセスの出現まで、農業は窒素制限された条件の下で運営され、20億人の人々を養うのに十分な耕作可能な土地の栽培が行われていました。 安価肥料を開発することは自然な窒素の固定プロセスによって課される限定の脱出によって穀物の収穫そして人間の栄養の標準両方の成長の新 農業革命がその結果となった。

幅広い社会的意義を持つ化学プロセスの別の例は、抗生物質、ワクチン、免疫学の開発であり、微生物病原体に対する人類のより良い制御を与え、よ しかし、化学の第三の分野は、半導体材料の理解と、現代のマイクロエレクトロニクス、コンピュータサイエンス、ワールドワイドウェブの基礎である並外れた精度でそれらを大量生産する方法です。 これらの化学技術と電子技術は、人間の脳の記憶/記憶機能をその分析能力から効果的に切り離し、それによって前の世代が想像できなかった方法で創造性と接続性に焦点を当てる力を解放しました。 原子レベルから銀河間スケールまでの物理学、化学、生物科学の現象への数学的原理のますます高度な適用は、より良い自然と人為的な現象を理解し、そ

MITとCaltechのLangerとTirrellは、それぞれ、腫瘍学と組織工学の境界を押し進めて、医療応用のための生体材料への工学的アプローチを開拓しました（Langer and Tirrell、2004;Karp and Langer、2011;Schroeder et al。, 2011). Birdら。 表面の分子工学は、平衡状態の表面を有する液滴の挙動だけでなく、それらの動的相互作用にも影響することを示した（Bird et al., 2013).

工業的および実用的な問題に対処するとき、私たちはしばしば化学工学のフロンティアにも挑戦します。 化学工学は、科学の応用と化学、社会、産業のつながりの両方を表しています。 化学工学の研究は、多くの場合、複雑な産業の課題に行儀の良いシステムで開発されたモデルシステムや方程式を適用することによって、化学の境界 工学的アプローチは、組み合わせ、拮抗、または相乗的なシステムの相対的な重要性を評価し、定量化します。 製紙中のピッチ堆積を最小限に抑えることを目的として、我々は最近、イオン特異性とせん断と非理想的な挙動の効果を発見するためにピッチ凝固に塩、せん断、およびpHの効果を調べた（Lee et al., 2012). 血液タイピングのための紙診断の開発では、赤血球の生物特異的可逆的凝固を定量化し、吸着、溶出、ろ過、クロマトグラフィーを用いて実用的な技術を開発しました。 この応用研究は、抗体および高分子と表面との動的相互作用に関する知識のギャップを強調している（Ｋｈａｎ ｅ ｔ ａ ｌ． 2010年;Al-Tamimi et al., 2012).だから挑戦するいくつかの新しいフロンティアは何ですか？

分野および適用に基づく多次元アプローチからそれらは次の通りあります:

反応工学

• 有機、無機および生化学触媒の組み合わせは、活性化のエネルギーを減少させ、選択性を高め、エネルギー使用量を削減し、副生

• 光合成を利用して、太陽エネルギーとCO2を酵素触媒および/または水性系を用いてグルコース、リグノ-セルロース系ポリマーおよびその中間体に変換する。理解し、物質移動、エネルギー移動、範囲、および医学における反応の選択性を最適化します。

• 理解し、物質移動、エネルギー移動、範囲、および選択性。 適用は癌細胞の選択的な破壊を、細菌、菌類およびウイルス（伝染）および免疫学的な反作用の規則含んでいます。

• 予測反応工学反応の速度論に応じて反応物および生成物の除去速度を調整し、副反応を最小限に抑え、分離をより簡単かつ効率的にします。

ユニット操作と輸送現象

• ガス-ガスおよび液体-液体システムのためのより選択的、具体的、および低エネルギー分離プロセ

• 高フラックスと防汚逆浸透と膜分離。

• 分別蒸留、または他の手段を使用して、同様の沸点を有する熱感受性化学物質の分離を改善しました。特に高固形分で-液体中の固体の懸濁液をポンピングし、輸送するためのより良い方法。

• 液体中の固体の懸濁液を輸送するためのより良い方法。

生物医学

• 人体と精神プロセスの行動と機能をモデル化し、規制（制御）する工学的アプローチを開発します。

• シミュレーションと制御戦略を、DNAとRNA、細胞、組織、器官から人体までの生物学的システムのさまざまな階層に適用して、遺伝的および関連する障害血圧、血中脂質濃度および心拍数を制御するための低侵襲センサー。

• 低侵襲センサー。

• 腫瘍学および薬物送達における選択性のためのナノテクノロジー。バイオテクノロジーと臓器再生のための改善された生体材料。

エネルギー

• 低コストのエネルギーは、先進国の大多数の人々の生活水準を向上させるための鍵です。 人為的な温室効果ガスがゆっくりではあるが安定した地球温暖化を引き起こしている—十分に証明された現実—主な課題は、環境への影響を最小限に抑えた正味のエネルギーを生産することです。 化学技術者は、エネルギー収支と熱力学が経済的に達成可能な最良のものであることを検証し、確実にする責任があります。 再生可能エネルギー源から化学物質を生産し、グリーンケミストリーを使用することは課題の延長であり、再び化学技術者の現職の責任は、正の熱力学とエネル

• 人間の需要がピーク時に分布を可能にするために、太陽エネルギー（風や海流に具現化された太陽エネルギーを含む）の費用対効果の高い貯蔵は、重 したがって、急速な起動およびシャットダウン特性を有するエネルギー貯蔵および利用のための可逆的プロセスの開発が最も重要である。

• 社会のニーズを満たすためには、大量の（主に）電気エネルギーの迅速かつ制御された放出が重要ですが、太陽エネルギーを熱や電荷分離ではなく化学結合に保存するように、自然の光合成プロセスを模倣した方法で太陽エネルギーを捕獲して貯蔵することに大きな利益があることを忘れてはなりません。 太陽エネルギーが「汲み上げられる」「人工的な」光合成反応が二酸化炭素を消費する場合、明らかに2つの主要な目的が単一の技術的進歩で達成されるで これに関連して、一酸化炭素と酸素との反応は非常に発熱性であるが、逆反応、すなわち一酸化炭素と酸素への二酸化炭素の熱解離は、太陽炉内で到達 残りの技術的ギャップは、反応、熱交換、および反応生成物の効率的な分離を駆動するために必要な温度に耐えることができる高度な耐火材料の開発 一酸化炭素をアルカリ水溶液に溶解してアルカリ金属形式を形成することは有望なアプローチであると思われる。

材料

• マルチスケールエンジニアリング：ナノ、マイクロ、およびメソスケールを材料とプロセスの両方でマクロスケー

• ナノテクノロジーが進歩するためには、改良された分子動力学シミュレーションを用いた分子工学が不可欠です。

• 最終的な最終製品は完全に生分解性であり、同様の製品に再処理することができる材料の使用、または可能でない場合は、より低い値の製品のカスケードに使用することができます。

• 原子スケールから巨視的性質までの成分構造をよりよく理解することにより、低エネルギープロセスから材料および複合材料を開発する。 エネルギー集約型コンクリートや金属の商品アプリケーションの交換を対象とする必要があります。

グリーン化学物質

• グリーン化学の原則はよく公表されています（Anastas and Warner、1998）。 最大の使用は、すべてのコンポーネントを利用して、再生可能な原料で作られる必要があります。 バイオマスは化石炭素源に比べてエネルギー密度が低いため、バイオマス処理のエネルギー効率は、バイオマスが季節的に利用可能な地域に連れて行くことができる小型の移動式処理プラントの開発など、重要な再検討が必要です。 このような再検討は、社会的および地域社会的利益の可能性を排除すべきではない。バイオマスのより良い使用の重要な要因は、多糖類とリグニンの構造のよりインテリジェントな使用を行う新しい化学経路の開発になります。

• これに関連して、半翅目およびHymenopteraファミリーの特定の昆虫が、宿主植物によって作られたゴールおよび関連する、しばしば高度に秩序化された保護構造の形成を誘導することによって、高等植物における細胞分化および組織形成を有利に操作することができる二分子機構は、確かに詳細な学際的研究を保証する。

• 多くの有用な酵素が生産され、単離され、工業的規模で使用されているが、それらがプロセスを触媒する速度は、通常、界面活性剤による熱不安定性 化学技術者は伝統的に熱、圧力、pHを使用して化学反応を促進してきましたが、深海の通気孔や火山プールで発生する極端な温度、圧力、pH範囲に耐えるように明らかに進化した極端な生物とその酵素の分子生物学の研究は、その初期段階にあるようです。

化学工学の進歩は、多くの場合、増分されています。 機械工学と応用化学の融合から生まれた化学工学は、常に新たな挑戦を求めている本格的な広い学問へと成長してきました。 これらの課題の多くが焦点を当てている分野の1つは、臓器、エネルギー貯蔵システム、分子的に設計された複合材料などの新製品を生成する方法で物質とエネルギーを利用するための技術の改善です。 密接に関連する分野は、エネルギーと副産物の面で、既存製品と新製品の両方が最も効率的で持続可能な方法で製造されることを保証するためのプロセ 第三の課題は、新しい施設を建設し、古い施設を変更して、社会が許容可能な生活水準を提供するために社会が依存している技術を運営し、使用する明確な社会的ライセンスを持つようにすることです。

化学工学のフロンティアで最も興味深く実り多い課題の多くは、化学工学と化学、物理学、生物学との統合に伴い、制御量の再定義を伴います。 この理念の精神の中で、化学工学のフロンティアの最初の研究テーマは、ナノテクノロジーを中心とした腫瘍学への化学工学の原則の適用です。