Kjemiteknikk – også referert til som prosessteknikk—er den grenen av engineering anvende fysiske og biovitenskap, matematikk og økonomi til produksjon og transformasjon av kjemikalier, energi og materialer. Tradisjonelt består den av varme -, masse-og momentumtransport, kinetikk-og reaksjonsteknikk, kjemisk termodynamikk, kontroll og dynamisk simulering, separasjon og enhetsoperasjoner. Konvensjonelt utviklet og anvendt for petrokjemisk og tung kjemisk industri, har kjemiteknikk raskt utviklet seg med applikasjoner på en rekke felt, inkludert klimaendringer, miljøsystemer, biomedisinske, nye materialer og komplekse systemer.i 2003 ble rapporten «Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering» mandat av National Research Council Of American National Academies og ledet Av Professorene Breslow Og Tirrell utgitt (National Research Council, 2003). Studien undersøkte status for kjemisk vitenskap: hvor er vi, hvordan kom vi til denne tilstanden og hvor er vi på vei? Det konkluderte med at vitenskapen har blitt stadig mer tverrfaglig. Det identifiserte også en trend mot sterk integrasjon fra molekylært nivå til kjemisk ingeniørfag og » fremveksten av kryssene i kjemisk vitenskap med alle naturvitenskap, landbruk, miljøvitenskap og medisin, samt med materialvitenskap, fysikk, informasjonsteknologi og mange andre fagområder. Et tiår senere har denne visjonen i stor grad blitt realisert, og såkalt «molekylærteknikk» som integrerer kjemisk ingeniørfag med alle vitenskap er nå en realitet. Disse raskt voksende kryssene i et bredt spekter av vitenskapsområder med ingeniørfag er de nye Grensene innen Kjemisk Ingeniørfag.Grenser Innen Vitenskap og Ingeniørfag er mobile, stadig voksende på en ikke-lineær og stokastisk måte. Ethvert forsøk på å kartlegge kunnskapsgrenser er en vanskelig øvelse som vanligvis er utdatert før den publiseres. Et kanskje mer lønnsomt alternativ er å utfordre grensene: å presse sine grenser til noen reaksjon oppstår: om avvisning av samfunnet eller noen fremgang følger i inkrementelle eller kvantetrinn.En annen tilnærming til å definere grensene for kjemiteknikk er å vurdere de kjemiske reaksjonene som har markert utviklingen av menneskehetens nåværende levestandard og temaene som er kritiske for å sikre at akseptable standarder distribueres mer rettferdig over hele verden uten katastrofale konsekvenser for det globale klimaet og økosystemene. Hva er den viktigste kjemiske reaksjonen som har påvirket menneskeheten? Og hva blir det neste? Hva er de viktigste kjemiske teknologiene som trengs for å sikre utvidelse av akseptable levestandarder samtidig som miljøpåvirkningen minimeres?For å ta bare en av mange mulige kandidater til tittelen «Viktigste Kjemiske Prosess», Har Haber-Bosch-reaksjonen, som produserer ammoniakk ved å reagere atmosfærisk nitrogen med hydrogen, tillatt menneskeheten å passere 2 milliarder befolkningsbarrieren og nå den nåværende globale befolkningen på rundt 7 milliarder (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Ammoniakk er en viktig ingrediens i gjødsel for god plantevekst. Inntil adventen Av Haber-Bosh-prosessen i 1913 opererte landbruket under nitrogenbegrensede forhold med dyrking av dyrkbar jord tilstrekkelig til å mate bare 2 milliarder mennesker. Utvikling av lavprisgjødsel har muliggjort en ny epoke med vekst i både avlinger og menneskelige næringsstandarder ved å unnslippe begrensningene som følge av naturlige nitrogenfikseringsprosesser. En jordbruksrevolusjon ble resultatet.Et annet eksempel på kjemiske prosesser med bred samfunnsmessig betydning er utviklingen av antibiotika, vaksiner og immunologi som har gitt menneskeheten mye bedre kontroll over mikrobielle patogener, noe som gir lengre og bedre menneskeliv. Likevel er et tredje område av kjemi vår forståelse av halvledermaterialer og hvordan man masseproduserer dem med ekstraordinær presisjon som er grunnlaget for moderne mikroelektronikk, datavitenskap og World Wide Web. Disse kjemiske og elektroniske teknologiene har effektivt koblet minnet / lagringsfunksjonen til den menneskelige hjernen fra dens analytiske evne, og dermed frigjøre sine krefter for å fokusere på kreativitet og tilkobling på måter som tidligere generasjoner ikke kunne forestille seg. Stadig mer sofistikert anvendelse av matematiske prinsipper til fenomenene fysikk, kjemi og biologiske fag, fra atomnivå til intergalaktiske skalaer, gjør det mulig for oss å bedre forstå naturlige og menneskeskapte fenomener og enten kontrollere dem eller forberede seg på endringer som er utenfor vår kontroll.Langer og Tirrell, fra HENHOLDSVIS mit og Caltech, har pionerer en teknisk tilnærming til biomaterialer for medisinsk bruk, og skyver selv grensen for onkologi og vevsteknikk (Langer og Tirrell, 2004; Karp og Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. viste at molekylær engineering av overflaten påvirker ikke bare oppførselen til væskedråper med en overflate i likevekt, men også deres dynamiske interaksjon (Bird et al ., 2013).

når vi tar opp industrielle og praktiske problemer, utfordrer vi ofte også grenser innen kjemiteknikk. Kjemiteknikk representerer både anvendelsen av vitenskap og koblingen mellom kjemi, samfunn og industri. Kjemiteknikk studier ofte presse grensene for kjemi ved å bruke modellsystemer og ligninger utviklet med veloppdragen systemer til komplekse industrielle utfordringer. Den tekniske tilnærmingen priser og kvantifiserer den relative betydningen av kombinerte, antagonistiske eller synergistiske systemer. Med sikte på å minimere tonehøyde deponering under papirfremstilling, undersøkte vi nylig effekten av salter, skjær og pH på tonekoagulasjon for å oppdage effekten av ion-spesifisitet og ikke-ideell oppførsel med skjær (Lee et al., 2012). I utviklingen av papirdiagnostikk for blodtyping kvantifiserte vi den bio-spesifikke reversible koaguleringen av røde blodlegemer og brukte adsorpsjon, eluering, filtrering og kromatografi for å utvikle en praktisk teknologi. Denne anvendte studien har fremhevet gapet i kunnskap om det dynamiske samspillet mellom antistoffer og makromolekyler med overflater (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

Så hva er noen nye grenser å bli utfordret? Fra en flerdimensjonal tilnærming basert på felt og søknad er de som følger:

Reaksjon Engineering

• Kombinasjon av organisk, uorganisk og biokjemisk katalyse for å redusere energi av aktivering, øke selektivitet, redusere energiforbruket, biprodukter (separasjon) og erstatte giftige organiske løsemidler og reagenser basert på knappe elementer ved reaksjoner i vandige eller bio-baserte løsemidler ved hjelp av grønne kjemiske prinsipper.Utnytte fotosyntese for å konvertere solenergi OG CO2 til glukose, ligno-cellulosepolymerer og deres mellomprodukter ved hjelp av enzymatiske katalysatorer og / eller vandige systemer.Forstå og optimalisere masseoverføring, energioverføring, omfang og selektivitet av reaksjoner i medisin. Anvendelser inkluderer selektiv ødeleggelse av kreftceller, bakterier, sopp og virus (infeksjon) og regulering av immunologiske reaksjoner.

• Prediktiv reaksjonsteknikk justerer frekvensen av reaktant og produktfjerning i henhold til reaksjonskinetikken for å minimere sidereaksjoner, noe som gjør separasjonen enklere og mer effektiv.

Enhet Operasjoner og Transport Fenomener

• mer selektive, spesifikke og lav energi separasjonsprosesser for gass-gass og væske-væske systemer.

• høy flux og anti-fouling omvendt osmose og membran separasjoner.

• Forbedret separasjon av termisk sensitive kjemikalier som har lignende kokepunkter ved bruk av fraksjonert destillasjon eller andre midler.

• Bedre metoder for pumping og transport av suspensjoner av faste stoffer i væsker-spesielt ved høyt innhold av faste stoffer.

Biomedical

• Utvikle en teknisk tilnærming til å modellere og regulere (kontrollere) atferden og funksjonaliteten til menneskekroppen og mentale prosesser.Bruk simulerings – og kontrollstrategier til de ulike hierarkiene av biologiske systemer, alt FRA DNA og RNA, cellen, vev og organer, opp til menneskekroppen for å gi bedre livskvalitet til mennesker med genetiske og relaterte lidelser.Minimalt invasive sensorer for å kontrollere blodtrykk, blod lipidkonsentrasjoner og hjertefrekvens.

• Nanoteknologi for selektivitet i onkologi og levering av legemidler.

• Bioteknologi og forbedrede biomaterialer for organregenerering.

Energi

• Lavkostnadsenergi er nøkkelen til å forbedre levestandarden for de fleste mennesker i mindre utviklede land. Med menneskeskapte drivhusgasser som forårsaker en langsom, men jevn global oppvarming—en tilstrekkelig bevist virkelighet-er en hovedutfordring å produsere netto energi med minimal miljøpåvirkning. Kjemiingeniører har et ansvar for å verifisere og sikre at energibalanser og termodynamikk er best økonomisk oppnåelig. Produksjon av kjemikalier fra fornybar kilde og bruk av grønn kjemi er en forlengelse av utfordringen, og igjen kjemiingeniører sittende ansvar er å oppdage prosesser og reaksjoner med positiv termodynamikk og energibalanser, for deretter å optimalisere disse prosessene ved aktivt engasjement med økonomer, miljøforskere og samfunnet for øvrig.Kostnadseffektiv lagring av solenergi (inkludert solenergi nedfelt i vind-og havstrømmer) for å muliggjøre distribusjon i tider med topp menneskelig etterspørsel er fortsatt et kritisk problem. Utvikling av reversible prosesser for energilagring og-utnyttelse som har raske oppstart-og nedstengningsegenskaper er derfor av største betydning.mens rask og kontrollert frigjøring av store mengder (hovedsakelig) elektrisk energi er av betydning for å møte samfunnets behov, bør det ikke glemmes at det ville være enorm fordel å fange og lagre solenergi på måter som etterligner naturlige fotosyntetiske prosesser, slik at solenergi lagres i kjemiske bindinger, i stedet for som varme eller elektronisk ladningsseparasjon. Hvis den» kunstige «fotosyntetiske reaksjonen der solenergien» pumpes » forbruker karbondioksid, vil det klart oppnås to hovedmål i et enkelt teknisk fremskritt. I denne forbindelse er det verdt å huske at mens reaksjonen av karbonmonoksid med oksygen er svært eksoterm, kan omvendt reaksjon, nemlig termisk dissosiasjon av karbondioksid i karbonmonoksid og oksygen, forekomme ved de temperaturer som kan nås i en solovn (Nigara Og Gales, 1986). De gjenværende teknologiske hullene er utvikling av avanserte ildfaste materialer som tåler temperaturene som kreves for å drive reaksjonen, varmeveksling og effektiv separasjon av reaksjonsproduktene. Oppløsning av karbonmonoksid i vandig alkali for å danne alkalimetallformater synes å være en lovende tilnærming.

Materialer

• Multiscale engineering: kobling av nano -, mikro-og meso-skalaene til makroskalaen i både materialer og prosesser vil være grunnleggende for det store flertallet av utfordringene som er nevnt ovenfor.

• for at nanoteknologi for å avansere, molekylær engineering ved hjelp av forbedrede molekylære dynamiske simuleringer vil være avgjørende.

• bruk av materialer som kan gjenbehandles til lignende produkter, eller om ikke mulig, til en kaskade av produkter av lavere verdi, med de endelige sluttproduktene helt biologisk nedbrytbare.

• Utvikle materialer og kompositter fra lavenergiprosesser ved bedre forståelse av komponentstrukturer fra atomskala til makroskopiske egenskaper. Utskifting av råvare applikasjoner av energiintensiv betong og metaller bør være målrettet.

Grønne Kjemikalier

• prinsippene for grønn kjemi har blitt godt publisert (Anastas Og Warner, 1998). Maksimal bruk må gjøres av fornybart råstoff, utnytte alle komponenter. Fordi biomasse har en lav energitetthet sammenlignet med fossile karbonkilder, krever energieffektiviteten til biomassebehandling kritisk revurdering, inkludert utvikling av mindre mobile prosessanlegg som kan tas til områdene der biomasse er tilgjengelig på sesongbasis. En slik revurdering bør ikke utelukke mulige sosiale og samfunnsmessige fordeler.

• en nøkkelfaktor i bedre bruk av biomasse vil være utvikling av nye kjemiske veier som gjør mer intelligent bruk av strukturer av polysakkarider og ligniner. I denne forbindelse kan de bimolekylære mekanismene som visse insekter i Familiene Hemiptera og Hymenoptera kan manipulere celledifferensiering og vevdannelse i høyere planter til deres fordel, ved å indusere dannelsen av galls og relaterte, ofte høyt bestilte beskyttende strukturer, laget av vertsanlegget, garanterer absolutt detaljert tverrfaglig studie.Mens en rekke nyttige enzymer nå produseres, isoleres og brukes i industriell skala, er hastigheten der de katalyserer prosesser vanligvis begrenset av termisk ustabilitet og denaturering av overflateaktive stoffer og bevegelse av pH utenfor det nøytrale området. Kjemiske ingeniører har tradisjonelt brukt varme, trykk og pH for å akselerere kjemiske reaksjoner, men studiet av molekylærbiologi av ekstremofile organismer og deres enzymer som åpenbart har utviklet seg for å motstå ekstreme temperaturer, trykk og pH-områder som forekommer i dype havventiler og vulkanske bassenger ser ut til å være i sin barndom.

Fremgang i kjemiteknikk har ofte vært inkrementell. Opprinnelig født av et ekteskap mellom maskinteknikk og anvendt kjemi, har kjemiteknikk vokst til en fullverdig bred disiplin som stadig søker nye utfordringer. Et område hvor mange av disse utfordringene er fokusert forbedret teknologi for å utnytte materie og energi på måter som genererer nye produkter,for eksempel organer, energilagringssystemer, molekylært konstruerte kompositter, etc. Et nært beslektet område er prosessoptimalisering for å sikre at både eksisterende og nye produkter produseres på de mest effektive og bærekraftige måtene-når det gjelder energi og biprodukter. Et tredje område med utfordringer er å bygge nye anlegg og modifisere eldre slik at de har en klar sosial lisens til å operere og bruke teknologiene som samfunnet er avhengig av for å gi akseptable levestandarder.Mange av de mest interessante og fruktbare utfordringene ved grensene for kjemiteknikk innebærer integrering av kjemiteknikk med kjemi, fysikk og biologi ledsaget av en omdefinering av kontrollvolumet. I denne filosofiens ånd vil Det første forskningsemnet Grenser I Kjemisk Ingeniørfag være anvendelse av kjemiske ingeniørprinsipper til onkologi med nanoteknologifokus.