Kimya ve Biyokimya mühendisliğinin çoklu katmanları - I

Ocak 2020’de Chemical Engineering Research and Design’ de yayımlanan makalede kimya ve biyokimya mühendisliği disiplini, iç, orta ve dış katmanlar halinde ele alınarak söz konusu disiplinin günümüzdeki ve sürdürülebilir gelecekteki rolü üzerinde duruluyor.

Fransa, Danimarka, Polonya, İtalya, Birleşik Krallık, Almanya, Belçika, İspanya, Portekiz, İsviçre’de akademi ve sanayi çevresinden çeşitli kişilerle 2015 yılından beri yapılan görüşmeler sonucunda oluşturulan makalede, kimya - biyokimya (K&B) mühendisliği disiplinin geleceğinin nasıl şekilleneceğine dair saptamalar yer almaktadır. İrdelemek ve kritik etmek üzere makalenin içerdiği önemli hususları dikkate sunmanın yararlı olacağını düşünüyoruz.

K&B mühendisliği disiplini, toplum açısından yararlı olan ürün, malzeme ve prosesleri yaratmak için, kütle, enerji ve momentum korunumu kanunları çerçevesinde taşınım olayları (transport phenomena) ile birlikte, termodinamik, reaksiyon stokiyometrisi ve kinetiği, biyokimya ve hücre biyolojisi gibi konuları uygulamada kullanır. Diğer bir deyişle, teknik olarak kimya ve biyokimya mühendisleri, kimyasal ve/veya biyokimyasal sentezleri yapmak amacıyla, birim işlemlerle (endüstriyel ölçek, pilot ölçek, mikro ölçek veya nano ölçekte) ve bunları takiben ayırma işlemleri ile uğraşır. Tüm bu işlemler termodinamik, reaksiyonlar (kimyasal, biyokimyasal reaksiyonlar veya termal dönüşüm), taşınım(transfer) (kütle, ısı ve momentum) gibi olgulara dayanır. K&B mühendisleri bu şekilde, toplum tarafından gereksinim duyulan ürünleri üretmek için ihtiyaç duyulan, kimyasal ve biyokimyasal proseslerin sentez, tasarım, analiz, uygulama, işletme-kontrol, optimizasyonu vb sorunlara çözüm getirir.

Makalede yer alan analizde katmanların kapsamı şu şekilde ele alınıyor:

-Temel bilgiler, üretim prosesini tasarlamak, yapmak ve işletmeye yarıyor. (İç katman)

-Bilim ve mühendisliğin biraraya gelmesi sürdürülebilir teknolojilere yönelmek üzere daha iyi bir kavrayış sağlıyor. (Orta katman)

-Farklı disiplinlerden gelen bilginin entegrasyonu ile sürdürülebilir bir toplumun geliştirilmesi için yeni fikirler ve veri kaynakları elde ediliyor. (Dış katman)

Bu katmanların kendi aralarında güçlü ilişkileri bulunuyor. Eğitim, araştırma ve uygulama tüm katmanlarla ilişkili alanlardır. Toplumsal faydanın ileriye götürülebilmesi için dış katmandan gelen talep, orta katmandaki teknik ve ekonomik kısıtlara ve iç katmandaki temel prensipler konusundaki kavrayışa da bağlıdır. Dış katmandan gelen talebi karşılamak için iç katmandaki teknik bilgi ve uzmanlığın artması gerekmektedir. Örneğin gıda, deterjanlar, kozmetikler gibi imal edilmiş ürünlere ihtiyacın artması zorluklar kadar bu ürünlerin imalatında kullanılan proses kademelerinde daha iyi, güvenilir ve yenilikçi alternatiflerin bulunması için fırsatlar da oluşturuyor. Önce, fenomen(olgu)-mikroyapı-özellik-proses ilişkilerinin deneysel çalışmalarla ve sonrasında deney bazlı proses analizleri ile yeterli düzeyde kavranması gerekiyor. Deneylerle kanıtlanan temel bilgi, daha hızlı ve daha güvenilir proseslerin geliştirilmesi için kavramsallaştırılabilir ve matematiksel modeli oluşturulabilir hale geliyor.

K&B mühendisliğinin günümüzdeki kapsamı ve önemi

●Ürünler ve üretim prosesleri (İç katman)

Son zamanlara kadar K&B mühendislerinin faaliyetleri prosesin kilit önemde olduğu ticari kimyasallara yönelikti. K&B mühendisliğinin kapsamının moleküler ve fonksiyonel ürünlere ve kimya bazlı cihazlara doğru genişlemesiyle, K&B mühendisliğinin eğitimi, araştırmaları ve uygulaması da ürünlere ve bu ürünlerin üretildiği sürdürülebilir proseslere doğru yöneldi. K&B mühendisliğinin kapsamı ve öneminde rol oynayacağı düşünülen diğer alanlar ise kısaca şunlar olarak saptanıyor:

-Bir yanda daha iyi kalitede ve daha uzun dayanıklılık süresine sahip yeni ve yenilikçi kimyasal ürünlerin tasarımı ve geliştirilmesi alanındaki güçlükler varken, aynı zamanda maliyet ve süreyi azaltan, deney ve model bazlı entegre teknikler vasıtasıyla geliştirilebilecek bu tür ürünlere duyulan ihtiyaçtan kaynaklanan fırsatlar söz konusu.

-Biyokütleyi değerli hammaddelere dönüştüren yeni biyokatalitik proseslerle ortaya çıkan biyo bazlı ekonomi hızla genişlemekte. Genetik olarak değiştirilmiş hücreler ve protein mühendisliği ile elde edilen enzimler gelecek vaat ederken, kombine hibrit biyokimyasal ve kimyasal dönüşümler hala merak uyandırmaya devam ediyor.

-Özellikle geleneksel kimya mühendisliği proseslerinden esinlenen biyo-bazlı üretimlerde yan ürünlerin ayrıştırılması ve dönüşümü artmalı. Ayrıca, yoğunlaştırılmış proses tasarımlarının ortaya çıkmasına ve halen bertaraf edilen ikincil yan ürünleri tutmak için kullanılacak ayırma teknolojilerinin dikkate alınmasına gerek var.

●Kaynaklar (orta katman)

K&B mühendisliği alanında iki tip kaynak kullanılmaktadır: a) Ham petrol veya biyokütle gibi, belirli bir proses işlemi ile faydalı ürünlere dönüştürülenler ve b) prosesi işletmek için gerekli girdiler; örneğin enerji (fosil yakıt, güneş veya rüzgar), su ve malzeme (metaller, katalizörler, çözücüler). Proses kademelerinin ve kaynağın seçimi, eğitim ve uygulamadan çok araştırmaya konu olan önemli konulardır. Üçüncü kaynak ise işgücü olup, gelişmesi eğitime, yaşama geçmesi ise uygulamaya bağlıdır. Önemli rol oynayabilecek konular ise şöyle sıralanmaktadır:

-Önümüzdeki yılları da kapsayacak şekilde, fosil yakıtlardan alternatif enerji kaynaklarına ve enerjinin verimli kullanımına doğru temelden bir dönüşüm başlamış bulunmaktadır. Bundan öte, yenilenebilir ve yenilenmeyen enerji kaynaklarının birlikte kullanımı, özellikle enerji depolama ve enerjinin yönetimi açısından daha fazla araştırılmalıdır. Küresel enerji ve mobilite hala petrol türevlerine bağlı olduğundan, hibrit teknolojilerle bu kaynakların daha verimli kullanımı veya bazı sektörlerde (otomotiv sanayi gibi) kullanımlarından tamamen vazgeçilmesi kalan kaynaklar üzerindeki baskıyı azaltacaktır.

-Su ile ilgili tedarik zincirleri meselelerinin dikkatle izlenmesi gereklidir. Suyun verimli kullanımına yönelik proseslerin tasarımı ve suyun geri kazanım teknolojileriyle kazanılması yoluyla su yönetimi proses tasarımının bir konusu olmaktadır. Nadir toprak elementleri gibi malzemelerin çevre açısından verimli şekilde elde edilmesi ve verimli şekilde kullanımı, geri kazanımı ve geri dönüşümü ile ilgili olanaklar daha fazla araştırılmalıdır.

-Sınırlı olan ekilebilir arazilere yönelik ihtiyacın azalmasını sağlamak üzere, gıda ve hayvancılık alanındaki yetiştiriciliğin verimli hale gelmesi; proses ve malzeme teknolojilerinin belirli uygulamaları vasıtasıyla gıda atıklarını azaltmak için teknolojilerin geliştirilmesi gerekli görünüyor. Paralel olarak, sağlıkla ilgili olumsuz etkileri dikkate alınarak, gıdada ve çevremizde (örneğin hava ve suda) istenmeyen iz kimyasalları ortaya çıkarmakta analitiğin rolü giderek artacak olup, bu durum ürün ve üretim proseslerinde yeni talepler yaratacaktır.

●Toplumsal (dış katman)

İklim değişikliği, enerji, su ve gıda ile ilişkili sorunlar karşısında K&B mühendislerinin toplumsal sorumlulukları vardır:

-Yenilenebilir enerji kaynaklarının uyarlanması ve depolama teknolojileri önemli bir ilgi alanı olup, bu konudaki hükümet teşvikleri ve toplumsal destek uygulamaların hayata geçmesini kolaylaştıracaktır.

-Sağlık alanında ileri cihaz ve malzemelere yönelik talepler erken teşhis ve hastalık tedavisi konusunda itici güç teşkil edecektir. Bu itici güç aynı zamanda hastalığı tedavi etmeye odaklı sağlık sisteminden koruma bazlı bir sisteme geçiş için, hassasiyet temelli ve kestirimci erken tanıya doğru bir ivme sağlayacaktır. Bu konuda PSE (proses sistem mühendisliği) kapsamındaki model bazlı yaklaşımlar ve veri güdümlü araçlar önümüzdeki gelişmeleri kolaylaştırabilir.

-Düzenli nüfus artışı ve genel olarak kaynakların sınırlı olduğu dikkate alınırsa gıda ve diğer ürünlerin sürdürülebilir üretimi ve dağıtımı çok önemli olacaktır. Bu durum enerji, su kullanımı kadar toprak kullanımında da zincirleme etki yaratacaktır. Toplumsal açıdan Su-Enerji-Gıda bağlantılarının bütüncül ve tüm yönetiminin yanı sıra toprak kullanımın da verimli şekilde yönetilmesi önem taşıyacaktır.

 

 

Chemical Engineering Research and Design, Volume 155, March 2020, Pages A133-A145,

A multi-layered view of chemical and biochemical engineering - ScienceDirect

Official URL: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2020.01.008

                                                                                                                               Mart 2021

                                                                                                                      

 

                                                                                                                         Mart 2021