Chemical Engineering—ook wel procestechniek genoemd-is de tak van engineering die fysische en biowetenschappen, wiskunde en economie toepast op de productie en transformatie van chemicaliën, energie en materialen. Traditioneel bestaat het uit warmte -, massa-en momentumtransport, kinetica en reactietechniek, chemische thermodynamica, controle en dynamische simulatie, scheiding en unit operaties. Conventioneel ontwikkeld en toegepast voor de petrochemische en zware chemische industrie, heeft chemical engineering zich snel ontwikkeld met toepassingen in een veelheid van gebieden, waaronder klimaatverandering, milieusystemen, biomedische, nieuwe materialen en complexe systemen.in 2003 werd het rapport” Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering” gepubliceerd, in opdracht van de National Research Council of the American National Academies en voorgezeten door professoren Breslow en Tirrell (National Research Council, 2003). De studie onderzocht de status van de chemische wetenschap: waar zijn we, hoe zijn we tot deze staat gekomen en waar gaan we naartoe? De conclusie was dat de wetenschap steeds meer interdisciplinair is geworden. Het identificeerde ook een trend in de richting van de sterke integratie van het moleculaire niveau aan de chemische techniek en “de opkomst van de kruispunten van de chemische wetenschap met alle natuurwetenschappen, landbouw, milieuwetenschappen en geneeskunde, evenals met materialen wetenschap, natuurkunde, informatietechnologie en vele andere gebieden van de techniek.”Een decennium later is deze visie grotendeels gerealiseerd en de zogenaamde “moleculaire techniek” die chemische techniek integreert met alle wetenschappen is nu een realiteit. Deze snel groeiende kruispunten van een breed scala van gebieden van wetenschap en techniek zijn de nieuwe grenzen in de chemische techniek.de grenzen in wetenschap en techniek zijn mobiel en breiden zich steeds verder uit op een niet-lineaire en stochastische manier. Elke poging om de grenzen van de kennis in kaart te brengen is een moeilijke oefening die meestal verouderd is voordat het wordt gepubliceerd. Een veel rendabeler alternatief is de grenzen uit te dagen: de grenzen verleggen tot er een reactie optreedt: of de gemeenschap nu afwijst of vooruitgang boekt in stapsgewijze of kwantumstappen.

een andere benadering om de grenzen van de chemische technologie te definiëren is de chemische reacties die de ontwikkeling van de huidige levensstandaard van de mensheid hebben gekenmerkt en de onderwerpen die momenteel van cruciaal belang zijn om ervoor te zorgen dat aanvaardbare normen rechtvaardiger over de hele wereld worden verdeeld zonder catastrofale gevolgen voor het klimaat en de ecosystemen in de wereld. Wat is de belangrijkste chemische reactie die de mensheid heeft beïnvloed? En wat zal de volgende zijn? Wat zijn de belangrijkste chemische technologieën die nodig zijn om te zorgen voor de uitbreiding van aanvaardbare levensstandaard en tegelijkertijd de impact op het milieu te minimaliseren?de Haber-Bosch-reactie, die ammoniak produceert door atmosferische stikstof te reageren met waterstof, heeft de mensheid in staat gesteld om de 2 miljard bevolkingsbarrière te passeren en de huidige wereldbevolking van ongeveer 7 miljard te bereiken (Smil, 1999).; Kolbert, 2013). Ammoniak is een belangrijk ingrediënt in meststof voor een goede plantengroei. Tot de komst van het Haber-Bosh-proces in 1913, werkte de landbouw onder stikstof-beperkte omstandigheden met de teelt van akkerland voldoende om slechts 2 miljard mensen te voeden. De ontwikkeling van goedkope kunstmest heeft een nieuw tijdperk van groei in zowel gewasopbrengsten als menselijke voedingsnormen mogelijk gemaakt door te ontsnappen aan de beperkingen die worden opgelegd door natuurlijke stikstoffixatieprocessen. Het resultaat is een agrarische revolutie.een ander voorbeeld van chemische processen met een breed maatschappelijk belang zijn de ontwikkeling van antibiotica, vaccins en immunologie, die de mensheid veel betere controle over microbiële pathogenen hebben gegeven, waardoor langere en betere mensenlevens mogelijk zijn. Maar een derde gebied van de chemie is ons begrip van halfgeleidermaterialen en hoe ze in massa te produceren met buitengewone precisie die de basis is van de moderne micro-elektronica, informatica en het World Wide Web. Deze chemische en elektronische technologieën hebben effectief de geheugen – /opslagfunctie van het menselijk brein ontkoppeld van zijn analytische vermogen, waardoor zijn krachten zijn vrijgemaakt om zich te concentreren op creativiteit en connectiviteit op manieren die vorige generaties zich niet konden voorstellen. De steeds geavanceerdere toepassing van wiskundige principes op de natuurkundige, scheikundige en Biologische Wetenschappen, van atomair tot intergalactisch niveau, stelt ons in staat de natuurlijke en antropogene verschijnselen beter te begrijpen en ze ofwel te beheersen, ofwel voor te bereiden op veranderingen die buiten onze controle liggen.

Langer en Tirrell, respectievelijk van MIT en Caltech, zijn pioniers geweest in een technische benadering van biomaterialen voor medische toepassing, waarbij zelfs de grens van oncologie en weefseltechniek werd verlegd (Langer and Tirrell, 2004; Karp and Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. toonde aan dat moleculaire engineering van het oppervlak niet alleen het gedrag van vloeibare druppels met een oppervlak bij evenwicht beïnvloedt, maar ook hun dynamische interactie (Bird et al., 2013).

bij het aanpakken van industriële en praktische problemen stellen we vaak ook grenzen in de chemische technologie ter discussie. Chemical engineering vertegenwoordigt zowel de toepassing van de wetenschap als de link tussen de chemie, de maatschappij en de industrie. Chemical engineering studies verleggen vaak de grenzen van de chemie door het toepassen van modelsystemen en vergelijkingen ontwikkeld met goed opgevoede systemen om complexe industriële uitdagingen. De engineering approach rates en kwantificeert het relatieve belang van gecombineerde, antagonistische of synergetische systemen. Met het doel om pitchdepositie tijdens het maken van papier te minimaliseren, hebben we onlangs het effect van zouten, afschuiving en pH op pitchcoagulatie onderzocht om het effect van ion-specificiteit en niet-ideaal gedrag met afschuiving te ontdekken (Lee et al., 2012). Bij de ontwikkeling van papierdiagnostiek voor bloedtypering kwantificeerden we de bio-specifieke reversibele coagulatie van rode bloedcellen en gebruikten we adsorptie, elutie, filtratie en chromatografie om een praktische technologie te ontwikkelen. Deze toegepaste studie heeft de kloof in kennis over de dynamische interactie van antilichamen en macromoleculen met oppervlakken (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

dus wat zijn enkele nieuwe grenzen die moeten worden uitgedaagd? Vanuit een multidimensionale aanpak op basis van veld en toepassing zijn ze als volgt:

Reaction Engineering

• combinatie van organische, anorganische en biochemische katalyse om de activeringsenergie te verminderen, de selectiviteit te verhogen, het energieverbruik, bijproducten (scheiding) te verminderen en toxische organische oplosmiddelen en reagentia op basis van schaarse elementen te vervangen door reacties in waterige of biogebaseerde oplosmiddelen volgens groene chemische principes.

• gebruik maken van fotosynthese om zonne-energie en CO2 om te zetten in glucose, lignocellulosepolymeren en hun tussenproducten met behulp van enzymatische katalysatoren en/of waterige systemen.

• begrijp en optimaliseer massaoverdracht, energieoverdracht, omvang en selectiviteit van reacties in de geneeskunde. De toepassingen omvatten de selectieve vernietiging van kankercellen, bacteriën, schimmels, en virussen (besmetting) en de verordening van immunologische reacties.

• Predictive reactive engineering aanpassing van de snelheid van de reactieve stof en de verwijdering van het product overeenkomstig de reactiekinetiek om zijreacties te minimaliseren, waardoor scheiding gemakkelijker en efficiënter wordt.

Unit Operations and Transport Phenomena

• meer selectieve, specifieke en energiezuinige scheidingsprocessen voor gas-gas en vloeistof-vloeistof systemen.

• hoge flux en aangroeiwerende omgekeerde osmose en membraanscheidingen.

• verbeterde scheiding van thermisch gevoelige chemische stoffen met vergelijkbare kookpunten door fractionele destillatie of op andere wijze.

• betere methoden voor het verpompen en transporteren van suspensies van vaste stoffen in vloeistoffen-vooral bij een hoog gehalte aan vaste stoffen.

Biomedische

• ontwikkelen van een technische benadering om het gedrag en de functionaliteit van het menselijk lichaam en mentale processen te modelleren en te reguleren.

• simulatie-en controlestrategieën toepassen op de verschillende hiërarchieën van biologische systemen, variërend van DNA en RNA, de cel, weefsels en organen tot het menselijk lichaam, om mensen met genetische en verwante aandoeningen een betere levenskwaliteit te geven.

• minimaal invasieve sensoren om bloeddruk, bloedlipidenconcentraties en hartslag te controleren.

• nanotechnologie voor selectiviteit in oncologie en toediening van geneesmiddelen.

• biotechnologie en verbeterde biomaterialen voor orgaanregeneratie.

energie

• goedkope energie is essentieel om de levensstandaard van de meerderheid van de mensen in minder ontwikkelde landen te verbeteren. Met antropogene broeikasgassen die een langzame maar gestage opwarming van de aarde veroorzaken—een voldoende bewezen realiteit—is een eerste uitdaging om netto-energie te produceren met een minimale impact op het milieu. Chemische ingenieurs hebben de verantwoordelijkheid om te controleren en ervoor te zorgen dat energiebalansen en thermodynamica economisch het best haalbaar zijn. De productie van chemicaliën uit hernieuwbare bronnen en het gebruik van groene chemie is een uitbreiding van de uitdaging, en opnieuw is de verantwoordelijkheid van chemische ingenieurs om processen en reacties te ontdekken met positieve thermodynamica en energiebalansen, en vervolgens om deze processen te optimaliseren door actieve betrokkenheid met economen, milieuwetenschappers en de samenleving in het algemeen.

• kosteneffectieve opslag van zonne-energie (met inbegrip van zonne-energie belichaamd in wind-en oceaanstromingen) om distributie mogelijk te maken op momenten van piekvraag blijft een cruciaal probleem. Daarom is de ontwikkeling van omkeerbare processen voor energieopslag en-gebruik met snelle opstart-en stilleggings-eigenschappen van het grootste belang.hoewel het snel en gecontroleerd vrijkomen van grote hoeveelheden (voornamelijk) elektrische energie van belang is om aan de behoeften van de samenleving te voldoen, mag niet worden vergeten dat het enorm nuttig zou zijn zonne-energie op te vangen en op te slaan op manieren die natuurlijke fotosynthetische processen nabootsen, zodat zonne-energie wordt opgeslagen in chemische bindingen, in plaats van als warmte, of als elektronische ladingsscheiding. Als de” kunstmatige “fotosynthetische reactie waarin de zonne-energie wordt” gepompt ” kooldioxide verbruikt, dan zouden duidelijk twee belangrijke doelstellingen worden bereikt in een enkele technische vooruitgang. In dit verband zij eraan herinnerd dat, hoewel de reactie van koolmonoxide met zuurstof zeer exotherm is, de omgekeerde reactie, namelijk de thermische dissociatie van kooldioxide in koolmonoxide en zuurstof, kan optreden bij het soort temperaturen dat in een zonneoven kan worden bereikt (Nigara en Gales, 1986). De resterende technologische hiaten zijn de ontwikkeling van geavanceerde vuurvaste materialen die bestand zijn tegen de temperaturen die nodig zijn om de reactie, warmte-uitwisseling en efficiënte scheiding van de reactieproducten aan te drijven. Het oplossen van koolmonoxide in waterige alkali om alkalimetaalformaten te vormen lijkt een veelbelovende aanpak te zijn.

materialen

• multiscale engineering: het koppelen van de nano -, micro-en meso-schalen aan de macroschaal in zowel materialen als processen zal fundamenteel zijn voor de grote meerderheid van de hierboven genoemde uitdagingen.

• om de nanotechnologie vooruit te helpen, is moleculaire engineering met behulp van verbeterde moleculair dynamische simulaties van essentieel belang.

• gebruik van materialen die kunnen worden opgewerkt tot soortgelijke producten of, indien dit niet mogelijk is, tot een cascade van producten met een lagere waarde, waarbij de eindproducten volledig biologisch afbreekbaar zijn.

• ontwikkel materialen en composieten uit energiezuinige processen door een beter begrip van de componentstructuren van de atomaire schaal tot macroscopische eigenschappen. De vervanging van grondstoftoepassingen van energie-intensieve beton en metalen moet worden aangepakt.

groene chemicaliën

• de principes van groene chemie zijn goed gepubliceerd (Anastas en Warner, 1998). Er moet maximaal gebruik worden gemaakt van hernieuwbare grondstoffen, waarbij alle componenten worden gebruikt. Omdat biomassa een lage energiedichtheid heeft in vergelijking met fossiele koolstofbronnen, moeten de energie-efficiëntieverbeteringen van biomassaverwerking kritisch opnieuw worden onderzocht, waaronder de ontwikkeling van kleinere mobiele verwerkingsinstallaties die kunnen worden meegenomen naar de gebieden waar biomassa op seizoensgebonden basis beschikbaar is. Een dergelijk heronderzoek mag mogelijke sociale voordelen en voordelen voor de Gemeenschap niet uitsluiten.

• een belangrijke factor voor een beter gebruik van biomassa is de ontwikkeling van nieuwe chemische routes die intelligenter gebruik maken van de structuren van polysachariden en ligninen. In dit verband zijn de bimoleculaire mechanismen waarmee bepaalde insecten in de families Hemiptera en Hymenoptera celdifferentiatie en weefselvorming in hogere planten in hun voordeel kunnen manipuleren, door de vorming van Gallen en verwante, vaak sterk geordende beschermingsstructuren, gemaakt door de waardplant, zeker een gedetailleerde multidisciplinaire studie waard.

• terwijl een aantal nuttige enzymen nu op industriële schaal worden geproduceerd, geïsoleerd en gebruikt, worden de snelheid waarmee zij processen katalyseren gewoonlijk beperkt door thermische instabiliteit en denaturatie door oppervlakteactieve stoffen en verplaatsing van de pH buiten het neutrale bereik. Chemische ingenieurs hebben van oudsher warmte, druk en pH gebruikt om chemische reacties te versnellen, maar de studie van de moleculaire biologie van extremofiele organismen en hun enzymen die duidelijk geëvolueerd zijn om extreme temperaturen, druk en pH-bereiken te weerstaan die voorkomen in diepe oceaanopeningen en vulkanische poelen lijkt in de kinderschoenen te staan.

De Vooruitgang in de chemische techniek is vaak Incrementeel geweest. Oorspronkelijk ontstaan uit een huwelijk tussen werktuigbouwkunde en toegepaste chemie, is chemical engineering uitgegroeid tot een volwaardige brede discipline die voortdurend op zoek is naar nieuwe uitdagingen. Een gebied waarin veel van deze uitdagingen gericht zijn verbeterde technologieën om materie en energie te benutten op manieren die nieuwe producten genereren, zoals organen, energieopslagsystemen, moleculair gemanipuleerde composieten, enz. Een nauw verwant gebied is procesoptimalisatie om ervoor te zorgen dat zowel bestaande als nieuwe producten op de meest efficiënte en duurzame manier worden vervaardigd—in termen van energie en Bijproducten. Een derde terrein van uitdagingen is het bouwen van nieuwe faciliteiten en het aanpassen van oudere faciliteiten, zodat ze een duidelijke sociale licentie hebben om de technologieën te gebruiken en te gebruiken waarop de samenleving vertrouwt om een aanvaardbare levensstandaard te bieden.veel van de interessantste en vruchtbaarste uitdagingen aan de grenzen van de chemische techniek houden de integratie in van de chemische techniek met chemie, fysica en biologie, vergezeld van een herdefiniëring van het regelvolume. In de geest van deze filosofie zal het eerste onderzoeksonderwerp van Frontiers in Chemical Engineering de toepassing van chemical engineering principles zijn op oncologie met een nanotechnologie focus.