ingineria chimică—denumită și Ingineria Proceselor—este ramura ingineriei care aplică științele fizice și ale vieții, matematica și economia producției și transformării substanțelor chimice, energiei și materialelor. În mod tradițional, este format din căldură, transport de masă și impuls, cinetică și inginerie de reacție, termodinamică chimică, control și simulare dinamică, separare și operațiuni unitare. Dezvoltat convențional și aplicat pentru industria petrochimică și industria chimică grea, ingineria chimică a evoluat rapid cu aplicații într-o multitudine de domenii, inclusiv schimbările climatice, sistemele de mediu, biomedicale, materiale noi și sisteme complexe.

în 2003, a fost lansat raportul „dincolo de frontierele moleculare: provocări pentru științele chimiei și ingineria chimică” mandatat de Consiliul Național de Cercetare al Academiilor Naționale americane și prezidat de profesorii Breslow și Tirrell (Consiliul Național de cercetare, 2003). Studiul a investigat starea științei chimice: unde suntem, cum am ajuns la această stare și unde ne îndreptăm? S-a ajuns la concluzia că știința a devenit din ce în ce mai interdisciplinară. De asemenea, a identificat o tendință spre integrarea puternică de la nivel molecular la inginerie chimică și „apariția intersecțiilor științei chimice cu toate științele naturii, agricultura, știința mediului și medicina, precum și cu știința materialelor, fizica, tehnologia informației și multe alte domenii ale ingineriei.”Un deceniu mai târziu, această viziune a fost în mare parte realizată și așa-numita „inginerie moleculară” care integrează ingineria chimică cu toate științele este acum o realitate. Aceste intersecții care se extind rapid dintr-o gamă largă de domenii ale științei cu ingineria sunt noile frontiere în ingineria chimică.

frontierele în știință și inginerie sunt mobile, extinzându-se mereu într-un mod neliniar și stocastic. Orice încercare de a cartografia frontierele cunoașterii este un exercițiu dificil, care este de obicei depășit înainte de a fi publicat. O alternativă, fără îndoială, mai profitabilă este provocarea frontierelor: împingerea granițelor lor până când apare o reacție: dacă respingerea de către Comunitate sau unele progrese urmează în pași incrementali sau cuantici.o altă abordare pentru definirea frontierelor ingineriei chimice este de a lua în considerare reacțiile chimice care au marcat dezvoltarea standardelor actuale de viață ale umanității și subiectele critice în prezent pentru a se asigura că standardele acceptabile sunt distribuite mai echitabil în întreaga lume, fără impact catastrofal asupra climei și ecosistemelor globale. Care este cea mai importantă reacție chimică care a afectat omenirea? Și care va fi următoarea? Care sunt cele mai importante tehnologii chimice necesare pentru a asigura extinderea standardelor de viață acceptabile, minimizând în același timp impactul asupra mediului?

pentru a lua doar unul dintre mulți candidați posibili pentru titlul de „cel mai Important proces chimic”, reacția Haber-Bosch, care produce amoniac prin reacția azotului atmosferic cu hidrogenul, a permis umanității să treacă bariera populației de 2 miliarde și să ajungă la populația globală actuală de aproximativ 7 miliarde (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Amoniacul este un ingredient cheie în îngrășământ pentru o bună creștere a plantelor. Până la apariția procesului Haber-Bosh în 1913, Agricultura a funcționat în condiții limitate de azot, cu cultivarea terenurilor arabile suficiente pentru a hrăni doar 2 miliarde de oameni. Dezvoltarea îngrășămintelor cu costuri reduse a permis o nouă eră de creștere atât a randamentelor culturilor, cât și a standardelor nutriționale umane, scăpând de limitările impuse de procesele naturale de fixare a azotului. O revoluție Agricolă a fost rezultatul.un alt exemplu de procese chimice cu semnificație socială largă sunt dezvoltarea de antibiotice, vaccinuri și imunologie care au oferit omenirii un control mult mai bun asupra agenților patogeni microbieni, permițând o viață umană mai lungă și mai bună. Cu toate acestea, un al treilea domeniu al chimiei este înțelegerea noastră a materialelor semiconductoare și cum să le producem în masă cu o precizie extraordinară, care este baza microelectronicii moderne, a informaticii și a World Wide Web. Aceste tehnologii chimice și electronice au decuplat efectiv funcția de memorie / stocare a creierului uman de capacitatea sa analitică, eliberând astfel puterile sale de a se concentra asupra creativității și conectivității în moduri pe care generațiile anterioare nu și le-au putut imagina. Aplicarea din ce în ce mai sofisticată a principiilor matematice la fenomenele fizicii, chimiei și științelor biologice, de la nivelul atomic la scalele intergalactice, ne permite să înțelegem mai bine fenomenele naturale și antropice și fie să le controlăm, fie să ne pregătim pentru schimbări care sunt dincolo de controlul nostru.

Langer și Tirrell, de la MIT și, respectiv, Caltech, au fost pionierii unei abordări Inginerești a biomaterialelor pentru aplicații medicale, împingând chiar limita oncologiei și ingineriei țesuturilor (Langer și Tirrell, 2004; Karp și Langer, 2011; Schroeder și colab., 2011). Bird și colab. a arătat că ingineria moleculară a suprafeței afectează nu numai comportamentul picăturilor lichide cu o suprafață la echilibru, ci și interacțiunea lor dinamică (Bird și colab., 2013).

atunci când abordăm probleme industriale și practice, provocăm adesea și frontierele în ingineria chimică. Ingineria chimică reprezintă atât aplicarea științei, cât și legătura dintre chimie, societate și industrie. Studiile de inginerie chimică împing adesea limitele chimiei prin aplicarea sistemelor model și a ecuațiilor dezvoltate cu sisteme bine comportate la provocări industriale complexe. Abordarea inginerească evaluează și cuantifică importanța relativă a sistemelor combinate, antagoniste sau sinergice. Cu scopul de a minimiza depunerea pasului în timpul fabricării hârtiei, am investigat recent efectul sărurilor, forfecării și pH-ului asupra coagulării pasului pentru a descoperi efectul specificității ionilor și comportamentelor non-ideale cu forfecare (Lee și colab., 2012). În dezvoltarea diagnosticului pe hârtie pentru tastarea sângelui, am cuantificat coagularea reversibilă bio-specifică a globulelor roșii și am utilizat adsorbția, eluția, filtrarea și cromatografia pentru a dezvolta o tehnologie practică. Acest studiu aplicat a evidențiat decalajul de cunoștințe privind interacțiunea dinamică a anticorpilor și macromoleculelor cu suprafețele (Khan și colab., 2010; al-Tamimi și colab., 2012).

deci, care sunt unele noi frontiere care trebuie contestate? Dintr-o abordare multidimensională bazată pe câmp și aplicație, acestea sunt următoarele:

Reaction Engineering

• combinație de cataliză organică, anorganică și biochimică pentru a reduce energia de activare, a crește selectivitatea, a reduce consumul de energie, subproduse (separare) și a înlocui solvenții organici toxici și reactivii pe bază de elemente rare prin reacții în solvenți apoși sau bio pe bază de principii chimice verzi.

• valorificarea fotosintezei pentru a transforma energia solară și CO2 în glucoză, polimeri ligno-celulozici și intermediarii acestora folosind catalizatori enzimatici și / sau sisteme apoase.

• înțelegeți și optimizați transferul de masă, transferul de energie, amploarea și selectivitatea reacțiilor în medicină. Aplicațiile includ distrugerea selectivă a celulelor canceroase, bacteriilor, ciupercilor și virușilor (infecție) și reglarea reacțiilor imunologice.

• Inginerie de reacție predictivă ajustarea ratei de reactant și îndepărtarea produsului în consecință cinetica reacției pentru a minimiza reacțiile secundare, făcând astfel separarea mai ușoară și mai eficientă.

operațiuni unitare și fenomene de Transport

• procese de separare mai selective, specifice și cu consum redus de energie pentru sistemele gaz-gaz și lichid-lichid.

• flux ridicat și osmoză inversă anti-murdărire și separări de membrană.

• separarea îmbunătățită a substanțelor chimice sensibile termic având puncte de fierbere similare prin distilare fracționată sau prin alte mijloace.

• metode mai bune pentru pomparea și transportul suspensiilor de solide în lichide-în special la conținut ridicat de solide.

Biomedical

• dezvoltarea unei abordări inginerești pentru a modela și regla (controla) comportamentul și funcționalitatea corpului uman și a proceselor mentale.

• aplicați strategii de simulare și control diferitelor ierarhii ale sistemelor biologice, variind de la ADN și ARN, celulă, țesuturi și organe, până la corpul uman pentru a oferi o calitate îmbunătățită a vieții persoanelor cu tulburări genetice și conexe.

• senzori minim invazivi pentru controlul tensiunii arteriale, concentrațiilor lipidelor din sânge și ritmului cardiac.

• nanotehnologie pentru selectivitate în oncologie și livrarea de medicamente.

• Biotehnologii și biomateriale îmbunătățite pentru regenerarea organelor.

energie

• energia cu costuri reduse este esențială pentru îmbunătățirea nivelului de trai pentru majoritatea oamenilor din țările mai puțin dezvoltate. Cu gazele antropice cu efect de seră care provoacă o încălzire globală lentă, dar constantă—o realitate dovedită în mod adecvat—o provocare principală este producerea de energie netă cu un impact minim asupra mediului. Inginerii chimici au responsabilitatea de a verifica și de a se asigura că balanțele energetice și termodinamica sunt cele mai bune realizabile din punct de vedere economic. Producția de substanțe chimice din surse regenerabile și utilizarea chimiei verzi este o extensie a provocării și, din nou, responsabilitatea principală a inginerilor chimici este de a descoperi procese și reacții cu termodinamică pozitivă și balanțe energetice, apoi de a optimiza aceste procese prin implicarea activă cu economiștii, oamenii de știință din domeniul mediului și societatea în general.

• stocarea rentabilă a energiei solare (inclusiv energia solară încorporată în curenții eolieni și oceanici) pentru a permite distribuția în momentele de vârf ale cererii umane rămâne o problemă critică. Dezvoltarea proceselor reversibile pentru stocarea și utilizarea energiei care au caracteristici rapide de pornire și oprire este, prin urmare, de primă importanță.

• în timp ce eliberarea rapidă și controlată a unor cantități mari de (în principal) energie electrică este importantă în satisfacerea nevoilor societății, nu trebuie uitat că ar exista un beneficiu enorm în captarea și stocarea energiei solare în moduri care imită procesele fotosintetice naturale, astfel încât energia solară să fie stocată în legături chimice, mai degrabă decât ca căldură sau separare electronică a sarcinii. Dacă reacția fotosintetică ” artificială „în care este” pompată ” energia solară consumă dioxid de carbon, atunci în mod clar două obiective majore ar fi atinse într-un singur avans tehnic. În acest sens, merită să ne amintim că, în timp ce reacția monoxidului de carbon cu oxigenul este foarte exotermă, reacția inversă, și anume disocierea termică a dioxidului de carbon în monoxid de carbon și oxigen, poate apărea la tipurile de temperaturi care pot fi atinse într-un cuptor solar (Nigara și Gales, 1986). Lacunele tehnologice rămase sunt dezvoltarea de materiale refractare avansate care pot rezista la temperaturile necesare pentru a conduce reacția, schimbul de căldură și separarea eficientă a produselor de reacție. Dizolvarea monoxidului de carbon în alcalii apoase pentru a forma formate de metale alcaline ar părea a fi o abordare promițătoare.

Materiale

• inginerie Multiscală: conectarea scalelor nano, micro și meso la scara macro atât în materiale, cât și în procese va fi fundamentală pentru marea majoritate a provocărilor enumerate mai sus.pentru ca nanotehnologia să avanseze, ingineria moleculară folosind simulări dinamice moleculare îmbunătățite va fi esențială.

• utilizarea materialelor care pot fi reprelucrate în produse similare sau, dacă nu este posibil, într-o cascadă de produse cu valoare mai mică, produsele finale finale fiind complet biodegradabile.

• dezvoltați materiale și compozite din procese cu consum redus de energie printr-o mai bună înțelegere a structurilor componente de la scara Atomică la proprietățile macroscopice. Ar trebui să se vizeze înlocuirea aplicațiilor de mărfuri ale betonului și metalelor mari consumatoare de energie.

Green Chemicals

• principiile chimiei verzi au fost bine mediatizate (Anastas și Warner, 1998). Utilizarea maximă trebuie făcută din materii prime regenerabile, utilizând toate componentele. Deoarece biomasa are o densitate energetică scăzută în comparație cu sursele de carbon fosil, eficiența energetică a procesării biomasei necesită o reexaminare critică, inclusiv dezvoltarea unor instalații mobile de prelucrare mai mici, care pot fi transportate în zonele în care biomasa este disponibilă în mod sezonier. O astfel de reexaminare nu ar trebui să excludă posibilele beneficii sociale și comunitare.

• un factor cheie pentru o mai bună utilizare a biomasei va fi dezvoltarea de noi căi chimice care să facă o utilizare mai inteligentă a structurilor polizaharidelor și ligninelor. În acest sens, mecanismele bimoleculare prin care anumite insecte din familiile Hemiptera și Hymenoptera pot manipula diferențierea celulară și formarea țesuturilor în plantele superioare în avantajul lor, prin inducerea formării Galelor și a structurilor de protecție conexe, adesea foarte ordonate, realizate de planta gazdă, justifică cu siguranță un studiu multidisciplinar detaliat.

• în timp ce o serie de enzime utile sunt acum produse, izolate și utilizate la scară industrială, ratele la care catalizează procesele sunt de obicei limitate de instabilitatea termică și denaturarea de către surfactanți și mișcarea pH-ului în afara intervalului neutru. Inginerii chimici au folosit în mod tradițional căldura, presiunea și pH-ul pentru a accelera reacțiile chimice, totuși studiul biologiei moleculare a organismelor extremofile și a enzimelor lor care au evoluat în mod evident pentru a rezista la temperaturi extreme, presiuni și intervale de pH care apar în orificiile adânci ale oceanelor și bazinele vulcanice pare a fi la început.

progresul în ingineria chimică a fost adesea incremental. Născut inițial dintr-o căsătorie între inginerie mecanică și chimie aplicată, inginerie chimică a crescut într-o disciplină largă cu drepturi depline, care caută în mod constant noi provocări. Un domeniu în care multe dintre aceste provocări sunt concentrate tehnologii îmbunătățite pentru a valorifica Materia și energia în moduri care generează noi produse, cum ar fi organe, sisteme de stocare a energiei, compozite proiectate molecular etc. Un domeniu strâns legat este optimizarea proceselor pentru a se asigura că atât produsele existente, cât și cele noi sunt fabricate în cele mai eficiente și durabile moduri—în ceea ce privește energia și subprodusele. Un al treilea domeniu de provocări este construirea de noi facilități și modificarea celor mai vechi, astfel încât acestea să aibă o licență socială clară pentru a opera și utiliza tehnologiile pe care societatea se bazează pentru a oferi standarde de viață acceptabile.

multe dintre cele mai interesante și fructuoase provocări la frontierele ingineriei chimice implică integrarea ingineriei chimice cu chimia, fizica și biologia însoțită de o redefinire a volumului de control. În spiritul acestei filozofii, primul subiect de cercetare al frontierelor în ingineria chimică va fi aplicarea principiilor ingineriei chimice la oncologie cu accent pe nanotehnologie.