Inżynieria Chemiczna—zwana również inżynierią procesową—jest gałęzią inżynierii stosującą Nauki fizyczne i przyrodnicze, matematykę i ekonomię do produkcji i transformacji chemikaliów, energii i materiałów. Tradycyjnie składa się z ciepła, transportu masy i pędu, kinetyki i inżynierii reakcji, termodynamiki chemicznej, sterowania i symulacji dynamicznej, separacji i operacji jednostkowych. Konwencjonalnie opracowana i zastosowana dla przemysłu petrochemicznego i ciężkiego, inżynieria chemiczna szybko ewoluowała z zastosowaniami w wielu dziedzinach, w tym w zmianach klimatu, systemach środowiskowych, biomedycznych, nowych materiałach i złożonych systemach.

w 2003 roku ukazał się raport „Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering” z upoważnienia National Research Council of the American National Academies pod przewodnictwem profesorów Breslowa i Tirrella (National Research Council, 2003). W badaniu zbadano status nauk chemicznych: gdzie jesteśmy, jak doszliśmy do tego stanu i dokąd zmierzamy? Doszedł do wniosku, że nauka staje się coraz bardziej interdyscyplinarna. Zidentyfikowano również trend w kierunku silnej integracji od poziomu molekularnego do inżynierii chemicznej i ” pojawienie się skrzyżowań nauk chemicznych ze wszystkimi naukami przyrodniczymi, rolnictwem, naukami o środowisku i medycyną, a także z naukami o materiałach, fizyką, technologią informacyjną i wieloma innymi dziedzinami inżynierii.”Dziesięć lat później ta wizja została w dużej mierze zrealizowana i tak zwana „Inżynieria molekularna”, która integruje inżynierię chemiczną ze wszystkimi naukami, jest teraz rzeczywistością. Te szybko rozwijające się przecięcia szerokiego zakresu dziedzin nauki z inżynierią stanowią nowe granice w Inżynierii Chemicznej.

granice w nauce i Inżynierii są ruchome, stale rozszerzają się w sposób nieliniowy i stochastyczny. Każda próba mapowania granic wiedzy jest trudnym ćwiczeniem, które jest zwykle nieaktualne przed opublikowaniem. Prawdopodobnie bardziej opłacalną alternatywą jest kwestionowanie granic: przesuwanie ich granic, dopóki nie nastąpi jakaś reakcja: czy odrzucenie przez społeczność, czy jakiś postęp następuje w krokach przyrostowych lub kwantowych.

innym podejściem do zdefiniowania granic Inżynierii Chemicznej jest rozważenie reakcji chemicznych, które zaznaczyły rozwój obecnego poziomu życia ludzkości i tematów obecnie krytycznych dla zapewnienia, że akceptowalne standardy są rozprowadzane bardziej sprawiedliwie na całym świecie bez katastrofalnego wpływu na globalny klimat i ekosystemy. Jaka jest najważniejsza reakcja chemiczna, która wpłynęła na ludzkość? A co będzie następne? Jakie są najważniejsze technologie chemiczne potrzebne do zapewnienia wzrostu akceptowalnego standardu życia przy jednoczesnym zminimalizowaniu wpływu na środowisko?

aby wziąć tylko jednego z wielu możliwych kandydatów do tytułu „najważniejszego procesu chemicznego”, reakcja Habera-Boscha, która wytwarza amoniak poprzez reakcję azotu atmosferycznego z wodorem, pozwoliła ludzkości przekroczyć barierę 2 miliardów populacji i osiągnąć obecną populację około 7 miliardów (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Amoniak jest kluczowym składnikiem nawozu dla dobrego wzrostu roślin. Do czasu pojawienia się procesu Haber-Bosh w 1913 r.Rolnictwo działało w warunkach ograniczonych do azotu, a uprawa gruntów ornych wystarczyła do wyżywienia zaledwie 2 miliardów ludzi. Opracowanie taniego nawozu umożliwiło nową erę wzrostu zarówno plonów, jak i standardów żywieniowych człowieka, unikając ograniczeń narzuconych przez naturalne procesy wiązania azotu. Rezultatem była rewolucja rolnicza.

Innym przykładem procesów chemicznych o szerokim znaczeniu społecznym jest rozwój antybiotyków, szczepionek i Immunologii, które dały ludzkości znacznie lepszą kontrolę nad drobnoustrojami chorobotwórczymi, umożliwiając dłuższe i lepsze życie ludzkie. Jednak trzecim obszarem chemii jest nasze zrozumienie materiałów półprzewodnikowych i sposobu ich masowej produkcji z niezwykłą precyzją, która jest podstawą współczesnej mikroelektroniki, informatyki i sieci World Wide Web. Te chemiczne i elektroniczne technologie skutecznie oddzieliły funkcję pamięci/przechowywania ludzkiego mózgu od jego zdolności analitycznych, uwalniając w ten sposób jego uprawnienia do skupienia się na kreatywności i łączności w sposób, którego poprzednie pokolenia nie mogły sobie wyobrazić. Coraz bardziej wyrafinowane zastosowanie zasad matematycznych do zjawisk fizyki, chemii i nauk biologicznych, od poziomu atomowego po skale międzygalaktyczne, pozwala nam lepiej zrozumieć zjawiska naturalne i antropogeniczne i albo je kontrolować, albo przygotować się na zmiany, które są poza naszą kontrolą.

Langer i Tirrell, odpowiednio z MIT i Caltech, są pionierami inżynieryjnego podejścia do biomateriałów do zastosowań medycznych, przesuwając nawet granicę onkologii i inżynierii tkankowej (Langer and Tirrell, 2004; Karp and Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird i in. wykazały, że inżynieria molekularna powierzchni wpływa nie tylko na zachowanie kropel cieczy z powierzchnią w równowadze, ale także na ich dynamiczne oddziaływanie (Bird et al., 2013).

rozwiązując problemy przemysłowe i praktyczne, często kwestionujemy również granice w inżynierii chemicznej. Inżynieria chemiczna reprezentuje zarówno zastosowanie nauki, jak i związek między chemią, społeczeństwem i przemysłem. Badania inżynierii chemicznej często przesuwają granice chemii, stosując systemy modelowe i równania opracowane z dobrze wychowanymi systemami do złożonych wyzwań przemysłowych. Podejście inżynierskie określa względne znaczenie systemów połączonych, antagonistycznych lub synergistycznych. W celu zminimalizowania osadzania się smoły podczas produkcji papieru, niedawno badaliśmy wpływ soli, ścinania i pH na koagulację smoły, aby odkryć efekt swoistości jonowej i nie idealnych zachowań ze ścinaniem (Lee et al., 2012). W opracowaniu diagnostyki papierowej do typowania krwi określiliśmy ilościowo bio-specyficzną odwracalną koagulację czerwonych krwinek i wykorzystaliśmy adsorpcję, elucję, filtrację i chromatografię do opracowania praktycznej technologii. To zastosowane badanie podkreśliło lukę w wiedzy na temat dynamicznego oddziaływania przeciwciał i makrocząsteczek z powierzchniami (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

więc jakie są nowe granice do zakwestionowania? Z wielowymiarowego podejścia opartego na polu i zastosowaniu są one następujące:

Inżynieria reakcji

• połączenie katalizy organicznej, nieorganicznej i biochemicznej w celu zmniejszenia energii aktywacji, zwiększenia selektywności, zmniejszenia zużycia energii, produktów ubocznych (separacji) i zastąpienia toksycznych rozpuszczalników organicznych i odczynników opartych na rzadkich pierwiastkach reakcjami w rozpuszczalnikach wodnych lub biologicznych przy użyciu zielonych zasad chemicznych.

• wykorzystanie fotosyntezy do przekształcania energii słonecznej i CO2 w glukozę, polimery ligno-celulozowe i ich związki pośrednie przy użyciu katalizatorów enzymatycznych i / lub systemów wodnych.

• zrozumienie i optymalizacja transferu masy, transferu energii, zakresu i selektywności reakcji w medycynie. Zastosowania obejmują selektywne niszczenie komórek nowotworowych, bakterii, grzybów i wirusów (infekcja) oraz regulację reakcji immunologicznych.

• predykcyjna Inżynieria reakcji dostosowuje szybkość usuwania reagenta i produktu zgodnie z kinetyką reakcji, aby zminimalizować reakcje uboczne, dzięki czemu separacja jest łatwiejsza i bardziej wydajna.

operacje jednostkowe i zjawiska transportu

• bardziej selektywne, specyficzne i niskoenergetyczne procesy separacji dla układów gaz-gaz i ciecz-ciecz.

• wysoki strumień i przeciwporostowa Odwrócona osmoza i separacja membranowa.

• ulepszone oddzielanie wrażliwych termicznie substancji chemicznych o podobnych punktach wrzenia przy użyciu destylacji frakcyjnej lub innych środków.

• lepsze metody pompowania i transportu zawiesin ciał stałych w cieczach-zwłaszcza przy dużej zawartości ciał stałych.

biomedyczne

• opracowanie podejścia inżynieryjnego do modelowania i regulowania (kontroli) zachowania i funkcjonalności ludzkiego ciała i procesów umysłowych.

• Zastosuj strategie symulacji i kontroli do różnych hierarchii systemów biologicznych, począwszy od DNA i RNA, komórki, tkanek i narządów, aż do ludzkiego ciała, aby zapewnić lepszą jakość życia osobom z zaburzeniami genetycznymi i pokrewnymi.

• minimalnie inwazyjne czujniki do kontroli ciśnienia krwi, stężenia lipidów we krwi i tętna.

• Nanotechnologia dla selektywności w onkologii i dostarczaniu leków.

• Biotechnologie i ulepszone biomateriały do regeneracji narządów.

Energia

• niska energia jest kluczem do poprawy standardu życia większości ludzi w mniej rozwiniętych krajach. W sytuacji, gdy antropogeniczne gazy cieplarniane powodują powolne, ale stałe globalne ocieplenie—co jest odpowiednio udowodnioną rzeczywistością—głównym wyzwaniem jest wytwarzanie energii netto przy minimalnym wpływie na środowisko. Inżynierowie chemicy są odpowiedzialni za weryfikację i zapewnienie, że bilans energii i Termodynamika są najlepsze ekonomicznie osiągalne. Produkcja chemikaliów ze źródeł odnawialnych i wykorzystanie chemii ekologicznej jest przedłużeniem wyzwania, a ponownie głównym zadaniem inżynierów chemicznych jest odkrywanie procesów i reakcji z dodatnią termodynamiką i bilansem energii, a następnie optymalizacja tych procesów poprzez aktywne zaangażowanie ekonomistów, naukowców zajmujących się środowiskiem i całego społeczeństwa.

• oszczędne magazynowanie energii słonecznej (w tym energii słonecznej ucieleśnionej przez wiatr i prądy oceaniczne) w celu umożliwienia dystrybucji w okresach szczytowego zapotrzebowania człowieka pozostaje kwestią krytyczną. Rozwój odwracalnych procesów magazynowania i wykorzystania energii, które charakteryzują się szybkim rozruchem i zamknięciem, ma zatem pierwszorzędne znaczenie.

• podczas gdy szybkie i kontrolowane uwalnianie dużych ilości (głównie) energii elektrycznej ma znaczenie dla zaspokojenia potrzeb społeczeństwa, nie należy zapominać, że byłoby ogromne korzyści w wychwytywaniu i przechowywaniu energii słonecznej w sposób naśladujący naturalne procesy fotosyntetyczne, dzięki czemu energia słoneczna jest przechowywana w wiązaniach chemicznych, a nie jako ciepło lub separacja ładunków elektronicznych. Jeśli „sztuczna” reakcja fotosyntetyczna, w której energia słoneczna jest „pompowana”, zużywa dwutlenek węgla, to wyraźnie dwa główne cele zostałyby osiągnięte w ramach jednego postępu technicznego. W związku z tym warto pamiętać, że podczas gdy reakcja tlenku węgla z tlenem jest wysoce egzotermiczna, reakcja odwrotna, czyli termiczna dysocjacja dwutlenku węgla na tlenek węgla i tlen, może zachodzić w temperaturach, które można osiągnąć w piecu słonecznym (Nigara i Gales, 1986). Pozostałe luki technologiczne to rozwój zaawansowanych materiałów ogniotrwałych, które mogą wytrzymać temperatury wymagane do napędzania reakcji, wymiany ciepła i skutecznego oddzielania produktów reakcji. Rozpuszczanie tlenku węgla w wodnym alkaliach w celu utworzenia formatów metali alkalicznych wydaje się być obiecującym podejściem.

materiały

• Inżynieria Wieloskalowa: łączenie skal nano, mikro i mezo ze skalą makro zarówno w materiałach, jak i w procesach będzie fundamentalne dla większości wyżej wymienionych wyzwań.

• aby nanotechnologia mogła się rozwijać, niezbędna będzie Inżynieria molekularna z wykorzystaniem ulepszonych dynamicznych symulacji molekularnych.

• wykorzystanie materiałów, które mogą być ponownie przetworzone na podobne produkty lub, jeśli nie jest to możliwe, na kaskadę produktów o niższej wartości, przy czym końcowe produkty końcowe są całkowicie biodegradowalne.

• opracowanie materiałów i kompozytów z procesów niskoenergetycznych poprzez lepsze zrozumienie struktur składowych od skali atomowej do właściwości makroskopowych. Należy dążyć do zastąpienia surowców wykorzystujących energochłonny beton i metale.

zielone chemikalia

• Zasady zielonej chemii zostały dobrze nagłośnione (Anastas and Warner, 1998). Maksymalne wykorzystanie musi być wykonane z surowców odnawialnych, z wykorzystaniem wszystkich komponentów. Ponieważ biomasa ma niską gęstość energii w porównaniu z kopalnymi źródłami węgla, efektywność energetyczna przetwarzania biomasy wymaga krytycznej ponownej analizy, w tym rozwoju mniejszych mobilnych zakładów przetwórczych, które można przenieść na obszary, w których biomasa jest dostępna sezonowo. Taka ponowna analiza nie powinna wykluczać ewentualnych korzyści społecznych i społecznych.

• kluczowym czynnikiem lepszego wykorzystania biomasy będzie opracowanie nowych szlaków chemicznych, które bardziej inteligentnie wykorzystają struktury polisacharydów i lignin. W związku z tym, bimolekularne mechanizmy, dzięki którym niektóre owady z rodzin Hemiptera i Hymenoptera mogą manipulować różnicowaniem komórek i tworzeniem tkanek w wyższych roślinach na ich korzyść, indukując tworzenie Galli i powiązanych, często wysoce uporządkowanych struktur ochronnych, wykonanych przez roślinę żywicielską, z pewnością wymagają szczegółowych badań multidyscyplinarnych.

• podczas gdy wiele użytecznych enzymów jest obecnie produkowanych, izolowanych i używanych na skalę przemysłową, szybkość ich katalizowania jest zwykle ograniczona przez niestabilność termiczną i denaturację przez środki powierzchniowo czynne oraz ruch pH poza zakresem neutralnym. Inżynierowie chemiczni tradycyjnie używali ciepła, ciśnienia i pH do przyspieszania reakcji chemicznych, ale badania biologii molekularnej organizmów ekstremofilnych i ich enzymów, które oczywiście ewoluowały, aby wytrzymać ekstremalne temperatury, ciśnienia i zakresy pH występujące w głębokich otworach oceanicznych i basenach wulkanicznych, wydają się być w powijakach.

postęp w inżynierii chemicznej był często stopniowy. Początkowo zrodzony z małżeństwa między inżynierią mechaniczną i chemią stosowaną, inżynieria chemiczna stała się pełnoprawną szeroką dyscypliną, która nieustannie poszukuje nowych wyzwań. Jednym z obszarów, w którym wiele z tych wyzwań koncentruje się na ulepszonych technologiach wykorzystujących materię i energię w sposób generujący nowe produkty, takie jak organy, systemy magazynowania energii, kompozyty inżynierii molekularnej itp. Ściśle powiązanym obszarem jest optymalizacja procesów w celu zapewnienia, że zarówno istniejące, jak i nowe produkty są wytwarzane w najbardziej wydajny i zrównoważony sposób—pod względem energii i produktów ubocznych. Trzecim obszarem wyzwań jest budowanie nowych obiektów i modyfikowanie tych starszych w taki sposób, aby miały one wyraźną licencję społeczną na działanie i korzystanie z technologii, na których społeczeństwo opiera się w celu zapewnienia akceptowalnego poziomu życia.

wiele najciekawszych i najbardziej owocnych wyzwań na pograniczu inżynierii chemicznej wiąże się z integracją inżynierii chemicznej z chemią, fizyką i biologią wraz z redefinicją objętości kontrolnej. W duchu tej filozofii pierwszym tematem badawczym Frontiers in Chemical Engineering będzie zastosowanie zasad inżynierii chemicznej w onkologii z naciskiem na nanotechnologię.