Chemical Engineering-also referred to as process engineering-is the branch of engineering applying physical and life sciences, mathematics and economics to the production and transformation of chemicals, energy and materials. Tradicionalmente, consiste no transporte de calor, massa e momento, cinética e engenharia de reação, termodinâmica química, controle e simulação dinâmica, separação e Operações Unitárias. Desenvolvido e aplicado convencionalmente para a petroquímica e a indústria química pesada, a engenharia química evoluiu rapidamente com aplicações em uma infinidade de campos, incluindo mudanças climáticas, sistemas ambientais, biomédicos, novos materiais e sistemas complexos.

In 2003, the report “Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering” mandated by the National Research Council of the American National Academies and chaired by Professors Breslow and Tirrell was released (National Research Council, 2003). O estudo investigou o estado da ciência química: onde estamos, como chegamos a este estado e para onde vamos? Concluiu que a ciência se tornou cada vez mais interdisciplinar. Ele também identificou uma tendência de forte integração a partir do nível molecular para engenharia química e “o surgimento das intersecções da ciência química com todas as ciências naturais, agricultura, meio ambiente ciência e da medicina, bem como com a ciência de materiais, física, tecnologia da informação e muitos outros campos da engenharia.”Uma década depois, esta visão foi amplamente realizada e a chamada “engenharia molecular” que integra a engenharia química com todas as ciências é agora uma realidade. Estas intersecções em rápida expansão de uma vasta gama de áreas da ciência com a engenharia são as novas fronteiras da Engenharia Química.as fronteiras na ciência e na engenharia são móveis, sempre se expandindo de forma não linear e estocástica. Qualquer tentativa de mapear as fronteiras do conhecimento é um exercício difícil que normalmente está desactualizado antes de ser publicado. Uma alternativa indiscutivelmente mais rentável é desafiar as fronteiras: empurrar suas fronteiras até que alguma reação ocorra: se a rejeição pela comunidade ou algum progresso segue em etapas incrementais ou quânticas.outra abordagem para definir as fronteiras da engenharia química é considerar as reações químicas que marcaram o desenvolvimento dos padrões de vida atuais da humanidade e os tópicos atualmente críticos para garantir que os padrões aceitáveis sejam distribuídos de forma mais equitativa em todo o mundo sem impacto catastrófico no clima e ecossistemas globais. Qual é a reação química mais importante que impactou a humanidade? E qual será o próximo? Quais são as tecnologias químicas mais significativas necessárias para garantir a expansão de padrões de vida aceitáveis, minimizando o impacto ambiental?

tomar apenas um dos muitos candidatos possíveis para o título de “Processo Químico mais importante”, a reação de Haber-Bosch, que produz amônia reagindo nitrogênio atmosférico com hidrogênio, permitiu que a humanidade passasse a barreira de 2 bilhões de habitantes e alcançasse a atual população global de cerca de 7 bilhões (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Amônia é um ingrediente chave no fertilizante para o bom crescimento da planta. Até o advento do processo Haber-Bosh em 1913, a agricultura operava sob condições limitadas de nitrogênio com o cultivo de terras aráveis suficientes para alimentar apenas 2 bilhões de pessoas. O desenvolvimento de fertilizantes de baixo custo possibilitou uma nova era de crescimento tanto no rendimento das culturas quanto nos padrões nutricionais humanos, escapando às limitações impostas pelos processos naturais de fixação do nitrogênio. Uma revolução agrícola foi o resultado.outro exemplo de Processos Químicos com grande significado social são o desenvolvimento de antibióticos, vacinas e Imunologia que têm dado à humanidade um controle muito melhor sobre patógenos microbianos, permitindo vidas humanas mais longas e melhores. No entanto, uma terceira área da química é a nossa compreensão dos materiais semicondutores e como produzi-los em massa com extraordinária precisão, que é a base da microeletrônica moderna, da ciência da computação e da World Wide Web. Essas tecnologias químicas e eletrônicas efetivamente dissociaram a função de memória/armazenamento do cérebro humano de sua capacidade analítica, liberando assim seus poderes para se concentrar na criatividade e conectividade de maneiras que as gerações anteriores não poderiam imaginar. Uma aplicação cada vez mais sofisticada dos princípios matemáticos aos fenómenos da física, da química e das ciências biológicas, desde o nível atómico até às escalas intergalácticas, permite-nos compreender melhor os fenómenos naturais e antropogénicos e controlá-los, ou preparar-nos para mudanças que estão fora do nosso controlo.

Langer and Tirrell, from MIT and Caltech respectively, have pioneered an engineering approach to biomaterials for medical application, even pushing the boundary of oncology and tissue engineering (Langer and Tirrell, 2004; Karp and Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. mostrou que a engenharia molecular da superfície afeta não só o comportamento de gotículas líquidas com uma superfície em equilíbrio, mas também sua interação dinâmica (Bird et al., 2013).quando abordamos problemas industriais e práticos, muitas vezes também desafiamos fronteiras na engenharia química. A engenharia química representa a aplicação da ciência e a ligação entre a química, a sociedade e a indústria. Estudos de engenharia química muitas vezes empurram os limites da química através da aplicação de sistemas modelo e equações desenvolvidas com sistemas bem comportados para complexos desafios industriais. As taxas de abordagem de engenharia e quantifica a importância relativa dos sistemas combinados, antagônicos ou sinérgicos. Com o objetivo de minimizar a deposição de breu durante a fabricação de papel, investigamos recentemente o efeito dos sais, cisalhamento e pH sobre a coagulação do breu para descobrir o efeito da especificidade iônica e comportamentos não-ideais com cisalhamento (Lee et al., 2012). No desenvolvimento de diagnósticos de papel para a tipagem de sangue, quantificamos a coagulação reversível bio-específica dos glóbulos vermelhos e usamos adsorção, eluição, filtração e cromatografia para desenvolver uma tecnologia prática. Este estudo aplicado destacou a lacuna no conhecimento sobre a interação dinâmica de anticorpos e macromoléculas com superfícies (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).quais são, então, as novas fronteiras a serem postas em causa? A partir de uma abordagem multidimensional baseada no campo e na aplicação são as seguintes::Engenharia de reação

• combinação de catálise orgânica, inorgânica e bioquímica para diminuir a energia de ativação, aumentar a seletividade, reduzir o uso de energia, subprodutos (separação) e substituir solventes orgânicos tóxicos e reagentes baseados em elementos escassos por reações em solventes aquosos ou bio-baseados em princípios químicos verdes.fotossíntese aproveitada para converter energia solar e CO2 em glicose, polímeros lenhocelulósicos e seus produtos intermédios utilizando catalisadores enzimáticos e/ou sistemas aquosos.compreender e optimizar a transferência de massa, transferência de energia, extensão e selectividade das reacções na medicina. As aplicações incluem a destruição seletiva de células cancerosas, bactérias, fungos e vírus (infecção) e a regulação de reações imunológicas.

• engenharia de reação preditiva ajuste da taxa de reação e remoção do produto de acordo com a cinética da reação para minimizar as reações laterais, tornando a separação mais fácil e mais eficiente.operações unitárias e fenómenos de transporte:

  • processos de separação mais selectivos, específicos e de baixa energia para sistemas gás-gás e líquido-líquido.osmose reversa anti-incrustante e as separações de membrana.separação melhorada de produtos químicos termicamente sensíveis com pontos de ebulição semelhantes por destilação fraccionada, ou por outros meios.melhores métodos para bombear e transportar suspensões de sólidos em líquidos-especialmente com elevado teor de sólidos.

  Biomédico

  • desenvolver uma abordagem de engenharia para modelar e regular (controlar) o comportamento e a funcionalidade do corpo humano e dos processos mentais.

  aplicar estratégias de simulação e controlo às várias hierarquias dos sistemas biológicos, desde ADN e ARN, células, tecidos e órgãos, até ao corpo humano para dar melhor qualidade de vida às pessoas com doenças genéticas e relacionadas.sensores minimamente invasivos para controlar a pressão arterial, as concentrações de lípidos no sangue e a frequência cardíaca.nanotecnologia para a selectividade na oncologia e no fornecimento de drogas.biotecnologias e biomateriais melhorados para a regeneração de órgãos.a energia de baixo custo é a chave para melhorar os padrões de vida da maioria das pessoas em países menos desenvolvidos. Com os gases antropogénicos com efeito de estufa causando um aquecimento global lento mas estável—uma realidade devidamente comprovada—um dos principais desafios é produzir energia líquida com um impacto ambiental mínimo. Os engenheiros químicos têm a responsabilidade de verificar e garantir que os balanços de energia e a termodinâmica são os melhores economicamente possíveis. A produção de produtos químicos a partir de fonte renovável e usando a química verde é uma extensão do desafio, e, novamente, os engenheiros químicos,’ compete a responsabilidade é descobrir processos e reações positivas termodinâmica balanços de energia e, em seguida, para otimizar esses processos, o envolvimento com os economistas, cientistas ambientais, e a sociedade em geral.o armazenamento rentável da energia solar (incluindo a energia solar incorporada nas correntes eólica e oceânica) para permitir a distribuição em alturas de pico de procura humana continua a ser um problema crítico. O desenvolvimento de processos reversíveis de armazenamento e utilização de energia que tenham características rápidas de arranque e paragem é, portanto, de primordial importância.embora a libertação rápida e controlada de grandes quantidades de (principalmente) energia elétrica seja importante para satisfazer as necessidades da sociedade, não se deve esquecer que haveria um enorme benefício na captura e armazenamento de energia solar de maneiras que imitam processos fotossintéticos naturais, de modo que a energia solar é armazenada em ligações químicas, ao invés de calor, ou separação eletrônica de carga. Se a reação fotossintética ” artificial “em que a energia solar é” bombeada ” consome dióxido de carbono, então claramente dois objetivos principais seriam alcançados em um único avanço técnico. Neste contexto, vale a pena recordar que, embora a reacção do monóxido de carbono com o oxigénio seja altamente exotérmica, a reacção inversa, nomeadamente a dissociação térmica do dióxido de carbono em monóxido de carbono e oxigénio, pode ocorrer nos tipos de temperaturas que podem ser alcançadas num forno solar (Nigara e Gales, 1986). As lacunas tecnológicas remanescentes são o desenvolvimento de materiais refratários avançados que podem suportar as temperaturas necessárias para impulsionar a reação, troca de calor e separação eficiente dos produtos de reação. A dissolução do monóxido de carbono em álcali aquoso para formar formatos de metal alcalino parece ser uma abordagem promissora.

Materiais

• Multiscale de engenharia: ligar o nano, micro e meso escalas, a escala macro, em ambos os materiais e os processos serão fundamentais para a grande maioria dos desafios listados acima.para que a nanotecnologia avance, será essencial a engenharia molecular utilizando simulações dinâmicas moleculares aperfeiçoadas.utilização de materiais que podem ser reprocessados em produtos similares, ou, se tal não for possível, em cascata de produtos de valor inferior, sendo os produtos finais completamente biodegradáveis.

• desenvolver materiais e compostos a partir de processos de baixa energia, através de uma melhor compreensão das estruturas Componentes da escala atómica para propriedades macroscópicas. A substituição das aplicações de matérias-primas do betão e dos metais com utilização intensiva de energia deve ser orientada.

substâncias químicas verdes

• os princípios da química verde foram bem divulgados (Anastas e Warner, 1998). O uso máximo precisa ser feito de matérias-primas renováveis, utilizando todos os componentes. Uma vez que a biomassa tem uma baixa densidade de energia em comparação com as fontes de carbono fóssil, as eficiências energéticas do processamento da biomassa requerem um reexame crítico, incluindo o desenvolvimento de pequenas unidades móveis de processamento que podem ser levadas para as áreas onde a biomassa está disponível numa base sazonal. Essa reapreciação não deverá excluir eventuais benefícios sociais e comunitários.

• um factor-chave para uma melhor utilização da biomassa será o desenvolvimento de novas vias químicas que façam uma utilização mais inteligente das estruturas de polissacáridos e lenhinas. Neste contexto, o bimolecular mecanismos pelos quais certos insetos nas famílias de Hemiptera e Hymenoptera pode manipular a diferenciação celular e a formação de tecido em plantas superiores para a sua vantagem, induzindo a formação de galhas e afins, muitas vezes altamente ordenada, estruturas de proteção, feita pela planta hospedeira, certamente, garante detalhado estudo multidisciplinar.enquanto um número de enzimas úteis são agora produzidas, isoladas e usadas em escala industrial, as taxas a que catalisam processos são geralmente limitadas pela instabilidade térmica e desnaturação por tensioactivos e movimento de pH fora do intervalo neutro. Engenheiros químicos têm tradicionalmente usado de calor, pressão e pH para acelerar reações químicas, no entanto, o estudo da biologia molecular de extremophile microrganismos e suas enzimas que, obviamente, tem evoluído para resistir a temperaturas extremas, pressões e intervalos de pH que ocorrem no oceano profundo aberturas vulcânicas e piscinas parece estar em sua infância.

o progresso na engenharia química tem sido muitas vezes incremental. Inicialmente nascido de um casamento entre engenharia mecânica e química aplicada, a engenharia química cresceu em uma ampla disciplina de pleno direito que está constantemente buscando novos desafios. Uma área em que muitos destes desafios são focados melhores tecnologias para aproveitar a matéria e a energia de maneiras que geram novos produtos, tais como órgãos, sistemas de armazenamento de energia, compositores de engenharia molecular, etc. Uma área intimamente relacionada é a otimização de processos para garantir que tanto os produtos existentes como os novos são fabricados da forma mais eficiente e sustentável—em termos de energia e subprodutos. Uma terceira área de desafios é construir novas instalações e modificar as mais antigas, de modo que elas tenham uma clara licença social para operar e usar as tecnologias nas quais a sociedade depende para fornecer padrões de vida aceitáveis.muitos dos desafios mais interessantes e frutíferos nas fronteiras da engenharia química envolvem a integração da engenharia química com a química, física e biologia, acompanhada por uma redefinição do volume de controle. No espírito desta filosofia, o primeiro tópico de pesquisa de Fronteiras na Engenharia Química será a aplicação dos princípios de engenharia química à oncologia com foco na nanotecnologia.