kemiteknik—även kallad processteknik—är den gren av teknik som tillämpar fysik och biovetenskap, matematik och ekonomi för produktion och omvandling av kemikalier, energi och material. Traditionellt består den av värme -, massa-och momentumtransport, kinetik och reaktionsteknik, kemisk termodynamik, kontroll och dynamisk simulering, separation och enhetsoperationer. Konventionellt utvecklad och tillämpad för den petrokemiska och den tunga kemiska industrin har kemiteknik snabbt utvecklats med applikationer inom en mängd områden, inklusive klimatförändringar, miljösystem, biomedicinska, nya material och komplexa system.i 2003 släpptes rapporten ”Beyond molecular frontiers: challenges for chemistry sciences and chemical engineering” på uppdrag av National Research Council of the American National Academies och ordförande av professorerna Breslow och Tirrell (National Research Council, 2003). Studien undersökte status för kemisk vetenskap: var är vi, hur kom vi fram till detta tillstånd och vart är vi på väg? Den drog slutsatsen att vetenskapen har blivit alltmer tvärvetenskaplig. Det identifierade också en trend mot den starka integrationen från molekylär nivå till kemiteknik och ”framväxten av kemiska vetenskapens korsningar med alla naturvetenskap, jordbruk, miljövetenskap och medicin samt med materialvetenskap, fysik, informationsteknik och många andra tekniska områden.”Ett decennium senare har denna vision till stor del realiserats och så kallad ”molekylär teknik” som integrerar kemiteknik med alla vetenskaper är nu en verklighet. Dessa snabbt växande korsningar av ett brett spektrum av Vetenskapsområden med teknik är de nya gränserna inom kemiteknik.

gränserna inom vetenskap och teknik är mobila och expanderar ständigt på ett icke-linjärt och stokastiskt sätt. Varje försök att kartlägga kunskapens gränser är en svår övning som vanligtvis är föråldrad innan den publiceras. Ett förmodligen mer lönsamt alternativ är att utmana gränserna: att driva sina gränser tills någon reaktion inträffar: om avslag från samhället eller vissa framsteg följer i stegvisa eller kvantesteg.

ett annat tillvägagångssätt för att definiera gränserna för kemiteknik är att överväga de kemiska reaktioner som har markerat utvecklingen av mänsklighetens nuvarande levnadsstandard och de ämnen som för närvarande är kritiska för att säkerställa att acceptabla standarder distribueras mer rättvist runt om i världen utan katastrofal inverkan på det globala klimatet och ekosystemen. Vilken är den viktigaste kemiska reaktionen som har påverkat mänskligheten? Och vad blir nästa? Vilka är de viktigaste kemiska teknikerna som behövs för att säkerställa en utvidgning av acceptabel levnadsstandard samtidigt som miljöpåverkan minimeras?

för att bara ta en av många möjliga kandidater till titeln ”viktigaste kemiska processen” har haber-Bosch-reaktionen, som producerar ammoniak genom att reagera atmosfäriskt kväve med väte, gjort det möjligt för mänskligheten att passera 2 miljarder befolkningsbarriären och nå den nuvarande globala befolkningen på cirka 7 miljarder (Smil, 1999; Kolbert, 2013). Ammoniak är en viktig ingrediens i gödselmedel för god växttillväxt. Fram till tillkomsten av haber-Bosh-processen i 1913 fungerade jordbruket under kvävebegränsade förhållanden med odling av åkermarker som var tillräckliga för att mata endast 2 miljarder människor. Att utveckla lågkostnadsgödsel har möjliggjort en ny era av tillväxt i både grödor och mänskliga näringsstandarder genom att undkomma de begränsningar som naturliga kvävefixeringsprocesser ställer. En jordbruksrevolution har varit resultatet.ett annat exempel på kemiska processer med stor social betydelse är utvecklingen av antibiotika, vacciner och immunologi som har gett mänskligheten mycket bättre kontroll över mikrobiella patogener, vilket möjliggör längre och bättre människoliv. Men ett tredje område av kemi är vår förståelse av halvledarmaterial och hur man massproducerar dem med extraordinär precision som ligger till grund för modern mikroelektronik, datavetenskap och World Wide Web. Dessa kemiska och elektroniska tekniker har effektivt frikopplat minnet / lagringsfunktionen hos den mänskliga hjärnan från dess analytiska förmåga och därigenom befriat sina befogenheter att fokusera på kreativitet och anslutning på sätt som tidigare generationer inte kunde föreställa sig. Alltmer sofistikerad tillämpning av matematiska principer på fenomenen fysik, kemi och biologiska vetenskaper, från atomnivå till intergalaktiska skalor, gör det möjligt för oss att bättre förstå naturliga och antropogena fenomen och antingen kontrollera dem eller förbereda oss för förändringar som ligger utanför vår kontroll.

Langer och Tirrell, från MIT respektive Caltech, har banat väg för en teknisk strategi för biomaterial för medicinsk tillämpning, till och med att driva gränsen för onkologi och vävnadsteknik (Langer och Tirrell, 2004; Karp och Langer, 2011; Schroeder et al., 2011). Bird et al. visade att molekylär teknik av ytan påverkar inte bara beteendet hos vätskedroppar med en yta vid jämvikt, men också deras dynamiska interaktion (Bird et al., 2013).

När vi tar itu med industriella och praktiska problem utmanar vi ofta också gränser inom kemiteknik. Kemiteknik representerar både tillämpningen av vetenskap och länken mellan kemi, samhälle och industri. Kemiteknik studier tänja ofta gränserna för kemi genom att tillämpa modellsystem och ekvationer som utvecklats med väluppfostrade system till komplexa industriella utmaningar. Den tekniska metoden betygsätter och kvantifierar den relativa betydelsen av kombinerade, antagonistiska eller synergistiska system. I syfte att minimera tonhöjdsavsättning under papperstillverkning undersökte vi nyligen effekten av salter, skjuvning och pH på tonkoagulation för att upptäcka effekten av jonspecificitet och icke-idealiska beteenden med skjuvning (Lee et al., 2012). Vid utvecklingen av pappersdiagnostik för blodtypning kvantifierade vi den biospecifika reversibla koaguleringen av röda blodkroppar och använde adsorption, eluering, filtrering och kromatografi för att utveckla en praktisk teknik. Denna tillämpade studie har belyst klyftan i kunskap om den dynamiska interaktionen mellan antikroppar och makromolekyler med ytor (Khan et al., 2010; Al-Tamimi et al., 2012).

så vad är några nya gränser som ska utmanas? Från ett flerdimensionellt tillvägagångssätt baserat på fält och tillämpning är de följande:

reaktionsteknik

• kombination av organisk, oorganisk och biokemisk katalys för att minska aktiveringsenergin, öka selektiviteten, minska energianvändningen, biprodukter (separation) och ersätta giftiga organiska lösningsmedel och reagenser baserade på knappa element genom reaktioner i vattenhaltiga eller biobaserade lösningsmedel med hjälp av gröna kemiska principer.

• utnyttja fotosyntes för att omvandla solenergi och CO2 till glukos, ligno-cellulosapolymerer och deras mellanprodukter med hjälp av enzymatiska katalysatorer och/eller vattenhaltiga system.

• förstå och optimera massöverföring, energiöverföring, omfattning och selektivitet av reaktioner i medicin. Tillämpningar inkluderar selektiv destruktion av cancerceller, bakterier, svampar och virus (infektion) och reglering av immunologiska reaktioner.

• prediktiv reaktionsteknik justerar hastigheten för reaktant och produktborttagning i enlighet med kinetik för reaktion för att minimera sidreaktioner, vilket gör separationen enklare och effektivare.

enhetsoperationer och transportfenomen

• mer selektiva, specifika och lågenergiseparationsprocesser för gas-gas och flytande-flytande system.

• Högt flöde och antifouling omvänd osmos och membranseparationer.

• förbättrad separation av termiskt känsliga kemikalier med liknande kokpunkter med hjälp av fraktionerad destillation eller andra medel.

• bättre metoder för pumpning och transport av suspensioner av fasta ämnen i vätskor-särskilt vid höga fasta ämnen.

Biomedical

• utveckla ett tekniskt tillvägagångssätt för att modellera och reglera (kontrollera) beteendet och funktionaliteten hos människokroppen och mentala processer.

• applicera simulerings-och kontrollstrategier på de olika hierarkierna i biologiska system, allt från DNA och RNA, cellen, vävnaderna och organen, upp till människokroppen för att ge förbättrad livskvalitet för personer med genetiska och relaterade störningar.

• minimalt invasiva sensorer för att kontrollera blodtryck, blodlipidkoncentrationer och hjärtfrekvens.

• nanoteknologi för selektivitet inom onkologi och läkemedelsleverans.

• bioteknik och förbättrade biomaterial för organregenerering.

energi

• låg kostnad energi är nyckeln till att förbättra levnadsstandarden för de flesta människor i mindre utvecklade länder. Med antropogena växthusgaser som orsakar en långsam men stadig global uppvärmning – en tillräckligt bevisad verklighet-är en främsta utmaning att producera nettoenergi med minimal miljöpåverkan. Kemiingenjörer har ett ansvar att verifiera och se till att energibalanser och termodynamik är de bästa ekonomiskt uppnåbara. Produktionen av kemikalier från förnybar källa och användning av grön kemi är en förlängning av utmaningen, och igen är kemiska ingenjörers ansvar att upptäcka processer och reaktioner med positiv termodynamik och energibalanser, för att optimera dessa processer genom aktivt engagemang med ekonomer, miljöforskare och samhället i stort.

• kostnadseffektiv lagring av solenergi (inklusive solenergi förkroppsligad i vind-och havsströmmar) för att möjliggöra distribution vid tider med topp mänsklig efterfrågan är fortfarande en kritisk fråga. Utveckling av reversibla processer för energilagring och energianvändning som har snabba uppstarts-och avstängningsegenskaper är därför av största vikt.

• medan snabb och kontrollerad frisättning av stora mängder (huvudsakligen) elektrisk energi är av betydelse för att möta samhällets behov, bör det inte glömmas att det skulle vara en enorm fördel att fånga och lagra solenergi på sätt som efterliknar naturliga fotosyntetiska processer, så att solenergi lagras i kemiska bindningar, snarare än som värme eller elektronisk laddningsseparation. Om den” artificiella ”fotosyntetiska reaktionen i vilken solenergin” pumpas ” förbrukar koldioxid, skulle klart två huvudmål uppnås i ett enda tekniskt framsteg. I detta sammanhang är det värt att komma ihåg att medan reaktionen av kolmonoxid med syre är mycket exoterm, kan den omvända reaktionen, nämligen termisk dissociation av koldioxid i kolmonoxid och syre, inträffa vid de temperaturer som kan nås i en solugn (Nigara och Gales, 1986). De återstående tekniska luckorna är utveckling av avancerade eldfasta material som tål de temperaturer som krävs för att driva reaktionen, värmeväxlingen och effektiv separation av reaktionsprodukterna. Upplösning av kolmonoxid i vattenhaltig alkali för att bilda alkalimetallformat verkar vara ett lovande tillvägagångssätt.

material

• multiscale engineering: att länka nano -, mikro-och meso-skalorna till makroskalan i både material och processer kommer att vara grundläggande för den stora majoriteten av utmaningarna ovan.

• för att nanoteknik ska kunna avancera, kommer molekylär teknik med förbättrade molekylära dynamiska simuleringar att vara avgörande.

• användning av material som kan upparbetas till liknande produkter, eller om det inte är möjligt, till en kaskad av produkter av lägre värde, där de slutliga slutprodukterna är helt biologiskt nedbrytbara.

• utveckla material och kompositer från lågenergiprocesser genom att bättre förstå komponentstrukturerna från atomskala till makroskopiska egenskaper. Ersättning av råvarutillämpningar av energiintensiv betong och metaller bör riktas.

gröna kemikalier

• principerna för grön kemi har publicerats väl (Anastas och Warner, 1998). Maximal användning måste göras av förnybar råvara, utnyttja alla komponenter. Eftersom biomassa har en låg energitäthet jämfört med fossila kolkällor kräver energieffektiviteten vid bearbetning av biomassa kritisk omprövning, inklusive utveckling av mindre mobila bearbetningsanläggningar som kan tas till de områden där biomassa finns tillgänglig på säsongsbasis. En sådan omprövning bör inte utesluta eventuella sociala och samhällsförmåner.

• en nyckelfaktor för bättre användning av biomassa kommer att vara utveckling av nya kemiska vägar som gör mer intelligent användning av strukturerna av polysackarider och ligniner. I detta sammanhang kan de bimolekylära mekanismerna genom vilka vissa insekter i familjerna Hemiptera och Hymenoptera manipulera celldifferentiering och vävnadsbildning i högre växter till deras fördel genom att inducera bildandet av galls och relaterade, ofta högt ordnade skyddsstrukturer, gjorda av värdväxten garanterar verkligen detaljerad tvärvetenskaplig studie.

• medan ett antal användbara enzymer nu produceras, isoleras och används i industriell skala, begränsas de hastigheter med vilka de katalyserar processer vanligtvis av termisk instabilitet och denaturering av ytaktiva ämnen och rörelse av pH utanför det neutrala området. Kemiska ingenjörer har traditionellt använt värme, tryck och pH för att påskynda kemiska reaktioner, men studien av molekylärbiologin hos extremofila organismer och deras enzymer som uppenbarligen har utvecklats för att motstå extrema temperaturer, tryck och pH-intervall som uppstår i djupa havsöppningar och vulkaniska pooler verkar vara i sin linda.

framsteg inom kemiteknik har ofta varit stegvis. Ursprungligen född av ett äktenskap mellan Maskinteknik och tillämpad kemi, kemiteknik har vuxit till en fullfjädrad bred disciplin som ständigt söker nya utmaningar. Ett område där många av dessa utmaningar är inriktade på förbättrad teknik för att utnyttja Materia och energi på sätt som genererar nya produkter, såsom organ, energilagringssystem, molekylärt konstruerade kompositer etc. Ett närbesläktat område är processoptimering för att säkerställa att både befintliga och nya produkter tillverkas på det mest effektiva och hållbara sättet—när det gäller energi och biprodukter. Ett tredje område av utmaningar är att bygga nya anläggningar och modifiera äldre så att de har en tydlig social licens att driva och använda den teknik som samhället bygger på för att ge acceptabla levnadsstandarder.

många av de mest intressanta och fruktbara utmaningarna vid gränserna för kemiteknik innebär integration av kemiteknik med kemi, fysik och biologi åtföljd av en omdefiniering av kontrollvolymen. I andan av denna filosofi kommer det första forskningsämnet för gränser inom kemiteknik att vara tillämpning av kemitekniska principer på onkologi med nanoteknikfokus.