Kimya ve Biyokimya mühendisliğinin çoklu katmanları -II

"Kimya ve biyokimya mühendisliğinin çoklu katmanları" başlıklı makalede yer alan önemli hususlara kimya ve biyokimya mühendisliğinin gelecekteki rolü ve sürdürülebilir teknolojiler ile devam ediyoruz. 

K&B mühendisliğinin gelecekteki kapsamı ve önemi

●Mevcut gereksinimlere dayalı proseslerdeki iyileşmeler

Enerji ile ilgili meseleler K&B mühendisliğindeki araştırma-geliştirme çalışmalarında ağır basacaktır. “Yeşil” girdilere dayalı yakıtlara, özel kimyasallara ve farmasötiklere doğru gelişen süreç enerji, su, gıda ve çevre alanlarındaki sorunlarla başedilmesine katkıda bulunabilir. Atıklar ve etkileri de en aza indirilebilir. Bu nedenle, sürdürülebilirliği daha fazla olan proseslere ve tedarik zincirlerine yönelen optimize edilmiş prosesler için sistematik belirlemelere ihtiyaç vardır. Bu konularda önemli rol oynayacak hususlar şunlar olabilir:

-Kimyasal ve biyokimyasal proseslerin yoğunlaştırılması (process intensification-PI: proseslerin, fonksiyonların ve olguların entegrasyonu yoluyla, proses, fonksiyon ve olgu/olay düzeyinde elde edilen iyileştirmeler), sürdürülebilirlik niteliği arttırılmış yeni proses alternatiflerini geliştirmeyi sağlayabilir. Lab-on a chip (çeşitli analitik işlemlerin bir çip üzerinde bütünleştirilmesi) teknolojisindeki hızlı gelişmeler, mikro/nano sensörlere ve tek hücre genomiks (Organizma genomlarının çalışılması), transkriptomik (hücre genomundan transkripsiyonla (kopyalama)  oluşan mRNA transkriptlerinin eş zamanlı incelenmesi) ve proteomics (Protein yapı ve işlevlerinin geniş ölçekte çalışılması) için yüksek hızlı analiz yöntemlerine yönelebilir.

-Reaksiyonları mekan ve zaman içinde kontrol eden yeni reaktör kavramları ve tasarımları üretkenliği arttırmaya, atıkları azaltmaya, çevresel etkilerin azalmasına ve imalatın maliyetinin düşmesine yönelecektir. Bu çerçevede, akışkanlar kimyasının yaklaşımlarıyla proses sistem mühendisliğinin (PSE) metot ve araçlarının biraraya getirilmesi ilginç yeni gelişmelere yol açabilir. Bu birleşik kavram setinde akış kimyası ve mikrokimya, reaksiyon mühendisliğinde gelişmelere yol açarken, PSE yöntem ve araçları model temelli yaklaşımla test edilecek alternatiflerin araştırma sahasının genişliğini sistematik olarak azaltıp deneyler için gereken zamanı, maliyeti ve kaynakları düşürecektir. Çoğu birim işlemler için sürekli imalat yaklaşımlarının hazır olması ve bunların entegrasyonu işletmede ilave esneklik sağlayacaktır. 

-Olayın/olgunun atomik ölçekten birim işlemlere ve tedarik zincirinin yönetilmesine kadar olan çok ölçekli modellemesi, optimizasyonu ve deneysel yaklaşımın sürükleyici rol oynaması gereklidir. Bu bağlamda, örneğin hesaplamalı kimya moleküler seviyede kavrama için kullanılabilir ve yeni ürünlerin geliştirilmesinde yardımcı olabilir. Bu, üretimde ve bu tür yenilikçi ürünlerin dağıtımında gerekli olan tedarik zincirleri konusunda birim işlemlerde yeni kavramların güvenilir bir şekilde geliştirilmesi için kullanılabilir. Bu şekilde, deney maliyetleri ve çabalar azaltılarak kavramdan uygulamaya doğru daha hızlı bir ürün geliştirme süreci oluşturulabilir. Bununla birlikte, bu tür sorunların çözülmesi için, bilgisayar bilimindeki ilerlemelerle birlikte, yenilikçi çözüm stratejilerinin geliştirilmesine ihtiyaç duyulur.

●Gelecekteki ihtiyaçlara yönelik proseslerin geliştirilmesi (ürünler)

Enerji geleceğe yönelik proseslerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynayacaktır. Enerji talebi ve elektrolizörler/yakıt pilleri ve yenilenebilir enerjinin depolanması için yüksek ölçekli batarya uygulamaları (örneğin redoks akışlı bataryalar) açısından yeni batarya teknolojilerinin bileşimi, büyük miktarlarda enerjiyi depolama dikkat çekici bir konu olacaktır. Diğer dikkat çeken konular aşağıda verilmektedir:

-Yüksek verimli malzemelerin üretimine olanak sağlayan yeni katalizörler ve teknolojiler önem kazanmaktadır.

-Ürünlerin geri dönüşümü/geri kazanımı, sıfır atık hedefli döngüsel bir ekonominin hayata geçmesine olanak sağlayacaktır: Minimum enerji kullanımı ile “sıfır atık” hedefine yaklaşan proseslerin geliştirilmesi; yeni proseslerin geliştirilmesi ve mevcut teknolojilerin yeniden tasarlanması için atom ekonomisi kavramının kullanılması; sadece hammaddeler ve ürünlerle sınırlı kalmamak üzere, aynı zamanda ekipman ve enerji teminini de kapsayacak şekilde döngüsel ekonomi kavramına dayalı olarak proseslerin yeniden düşünülmesi…

-Bir hammaddeyi oksitleyen ya da indirgeyen reaktif maddelerin kullanılmasından kaçınan ve bunun yerine elektriği kullanan elektrokimyasal teknolojiler, istenmeyen yan ürünlerin ve/veya atıkların oluşumunu önleyebilecektir. Reaktör ve katalizör mühendisliğinde doğadan esinlenen yaklaşımlar, sürdürülebilirlik açısından heyecan verici gelişmelere doğru yeni tasarım metodolojilerine yönelecektir.  Burada ana sorun ve fırsat, yeni teknolojiler ve yenilikçi tasarım metodolojileri geliştirmek için canlı sistemleri kavramak ve onlardan öğrenmek olacaktır.

●Sürdürülebilir teknolojiler

Döngüsel ekonomi, toplumsal temel sorunlara cevap vermek üzere döngüsel mühendislik çalışmalarına ihtiyaç duymakta veya doğrudan bu tür faaliyetlerle ilişkili olmaktadır. Gelecekte döngüsel ekonomi kavramını kullanmak yerine, döngüsel ekonomi mühendisliği kavramını kullanmak daha uygun olabilir (özellikle bizim durumumuzda döngüsel ekonomi-K&B mühendisliği). Bu alanda temel rol oynayacak konular aşağıda dikkate sunulmaktadır:

-Tutma, dönüştürme, yararlanma ve depolama dahil, CO2 yönetimi ayırma ve geri kazanım için yeni katalitik kimya ve malzeme uygulamalarıyla entegre olmalıdır. Bu kavramlar, % 100 atom verimi ve sıfır atık hedefi doğrultusunda moleküler düzeyde kimyasal reaksiyon yollarını kontrol edebilir. Bu, CO2 gibi yan ürünleri ikincil ürünlere dönüştürmek veya karbonatlara çevirerek, derin depolamanın herhangi bir olumsuz etkisi olmaması koşuluyla, yeryüzünde birikmesini önlemek amacıyla derin depolamaya göndermeye yardımcı olabilir.

-Girdi yönetimi: Özellikle birçok tekniğin birleştirilmesi yoluyla biyolojik girdilerin kullanımı; evsel atıkların geri dönüşümü, kompleks biyokütle girdilerinin kimyasallara dönüştürülmesi, içme suyu temini için saflaştırma ve tuzdan arıtma teknolojileri, yapım malzemelerinin (inşaat, otomotiv vb.) geri dönüştürülebilir olması konularının çalışılmasına ihtiyaç vardır.

-Enerji yönetimi: İnsanlık için uzun vadeli sürdürülebilirliği olan, en muhtemel enerji kaynağı olarak, ödenebilir koşullarda, güvenilir, yaşam döngüsü boyunca sürdürülebilir olan güneş enerjisinin, daha fazla üzerinde durulmalıdır.  Aynı zamanda optimum arz-talep dengesi içinde tüm enerji kaynaklarının sürdürülebilir yönetimi döngüsel ekonomi, akıllı üretim ve sıfır-emisyon gibi kavramlarla birlikte ele alınmalıdır.

-Su yönetimi: Suyun farklı ihtiyaçlar ve uygulamalara yönelik, örneğin içme, yıkama, endüstriyel kullanım, ısıtma-soğutma vb. alanlardaki arzı ve dağıtımı acil olarak ele alınmalıdır. Su yeryüzünde bol miktarda bulunmakla birlikte, coğrafi olarak düzenli dağılım göstermemekte ve kullanımı öncesinde işleme tabi tutulması gerekmektedir. Bu nedenle enerji açısından verimli su arıtımı, taze su talebinin azaltılması vb. su kaynaklarının daha iyi kullanımına yönelik yeni teknolojilere ihtiyaç vardır.

Sonuç

Disiplinler arası bilgilerinin genişliği, sanayinin temel ayaklarının geliştirilmesindeki, endüstriyel işletmecilikteki ve yönetim alanındaki kilit rolleri, aynı zamanda birçok sektörle olan mesleki ilişkileri nedeniyle kimya ve biyokimya (K&B) mühendisleri topluma sürdürülebilir bir gelecek sağlanmasına yardımcı olmak için önemli bir pozisyondadır.

Mesleki uzmanlar ve aktif, sorumlu yurttaşlar olarak bu yüzyılın halledilmesi gereken büyük sorunlarına/ güçlüklerine ilişkin olarak içinde yaşadıkları topluma rehberlik, bilgi ve öncülük temin edebilirler. Bu uzmanlık, toplumun tüm aktörlerini içine alan ve ihtiyaç duyulan disiplinler arası çabalara önemli katkı sağlayacaktır.

K&B mühendisleri, döngüsel ekonominin sıfır atık ve minimum enerji sarfiyatı gibi hedefleriyle birlikte sürdürülebilir bir gelecek kurulmasında topluma yardımcı olmak konusunda önemli unsurlardır. K&B mühendisleri, kaynak ve enerji kullanımını azaltmak ve üretimi daha iyi bir seviyeye çıkartmak için sanayi 4.0 teknolojilerinin kullanımı ile geleceğin fabrikasının tasarımı ile meşgul olacak, böylelikle adına döngüsel ekonomi mühendisliği denilebilecek sürdürülebilir tasarıma yönelecektir.

Önemli ve acil olan mesele, öncelikle toplumun karşı karşıya kaldığı büyük çaplı konuları, bu şekilde K&B mühendisleri için ortaya çıkabilecek fırsatları belirlemektir.  K&B mühendisleri topluma yararlı olmak için, toplumsal sorunlara sürdürülebilir (ekonomik, sosyal, ekolojik) ve/veya teknik çözümler bulmak; diğer bölgelerle rekabet içinde endüstriyel ekonomik temellerini ve jeopolitik farklılıklarını korumak (ürünler, prosesler, işler) veya yeni fırsatların ve zorlukların değerlendirilmesi için mühendislik sezgilerini öne çıkarmak yoluyla öğrenim, sanayi ve kamu alanındaki hizmetlerinde başarı sağlayabilirler.

Mühendislerin topluma kattıkları değerin kavranmasıyla, genç insanlar K&B mühendisliği eğitimi almak ve uygulamak konusunda motive edilecek ve cesaretlendirilecektir. K&B mühendislerinin birçok disiplini içeren kavramlaştırma becerileri ve problemleri birim işlemlere ve fizikokimyasal proseslere indirgeme yetenekleri kuşkusuz ki yeni değerler katacaktır.  Kütle akışının, enerji açısından verimli işlemlerin, aynı zamanda tedarik zincirlerinin yönetimi ve insan ile doğa arasındaki etkileşimin uzmanları olarak K&B mühendislerinin etkisi sadece sürdürülebilir endüstriyel sistemi şekillendirmekle sınırlı olmayacak, daha öteye geçerek, geleceğin akıllı kentleri ve bölgelerinin planlanması ve uygulanmasının yanı sıra, geleceğin sağlık hizmetlerine de önemli destek sağlayacaktır. Mühendisler, karar vericileri etkileyecek bir pozisyonda olacakları gibi, eğitim politikaları, araştırmaların yönü, çevre ve güvenlik kuralları, kaynak yönetimi ve bunun gibi birçok alanda önemli kararların alınmasına yardımcı olacaklardır. Ancak bilinmelidir ki, istenen bir ürünü ve imalat prosesini daha sürdürülebilir hale getirmek için tekno-ekonomik çözümler bulunurken, eğer yetkili makamlar ve kurumlar talebi veya üretim hızını kısıtlamazlarsa, artan sarfiyat ve kaynakların tükenmesi nedeniyle ürün hala sürdürülebilir nitelikte olmayabilir.

Sonuç kısmında, makalenin K&B mühendisliği konusunda genel bir bakış açısı vermek amacıyla hazırlandığı, okuyucuların kendi coğrafi bölgelerine göre bunları yorumlayabilecekleri; eğitimciler ve uygulamacıların da kendi spesifik ihtiyaçları açısından çok katmanlı bakış açısını değerlendirebilecekleri de not edilmektedir.

Söz konusu makalede yer alan hususların teknolojinin ve mesleğimizin gelişimine dair öngörülere ve tartışmalara bir katkı sağlamasını umarız. 

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