Novos rumos para a Engenharia Química – ABEQ

Olá, leitoras e leitores! Textos sobre o futuro ou os caminhos da engenharia química são comuns neste espaço. Desta vez, a motivação é o estudo da Academia Nacional de Ciências, Engenharia e Medicina dos EUA, New Directions for Chemical Engineering (Novos rumos para a engenharia química, em uma tradução livre), publicado em 2022. Esta coluna é um resumo extremo do texto original, que vale a pena ser lido integralmente.

Apesar dos avanços e contribuições notáveis, o legado da engenharia química é complicado. Como profissão e disciplina, a engenharia química permitiu a produção econômica de materiais e produtos químicos. Por outro lado, a durabilidade de alguns destes produtos, como os plásticos e os produtos químicos fluorados, continua a ter consequências indesejadas para o meio ambiente. Ao mesmo tempo, as transformações energéticas geraram gases de efeito estufa que ameaçam o clima da Terra. É essencial, portanto, que quaisquer avanços futuros neste campo abordem a história dos avanços do passado.

Os Novos Rumos para a engenharia química

A engenharia química terá um papel fundamental na descarbonização de sistemas de energia e materiais, sem comprometer a confiabilidade e o custo, enquanto enfrenta a ameaça do aquecimento global. Os engenheiros químicos deverão selecionar e otimizar opções de carreadores de energia para atender às necessidades energéticas globais com menores emissões de carbono e custos. Além disso, eles enfrentarão desafios globais relacionados às mudanças climáticas, demanda por energia e crescimento populacional, aplicando tecnologias como agricultura de precisão e a redução do desperdício de alimentos.

Os engenheiros químicos também liderarão a engenharia de soluções para a saúde humana, abrangendo desde a medicina personalizada até a aplicação de sistemas em biologia e saúde, regulando a fisiologia normal e os estados de doença. Além disso, aplicarão o raciocínio sistêmico na produção e gestão de materiais úteis em uma economia circular. O uso de novas ferramentas, como aprendizado de máquina e inteligência artificial, será fundamental para resolver problemas complexos. Ou seja, a engenharia química desempenhará um papel crucial na transformação de sistemas energéticos, materiais, saúde e produção de materiais úteis, contribuindo para um mundo com menores emissões de carbono, menor desperdício e soluções inovadoras para os desafios globais. Esses desafios podem ser agrupados como:

  1. Descarbonização dos sistemas de energia
  2. Soluções de engenharia sustentáveis para o meio ambiente
  3. Medicina acessível e ajustada por engenharia
  4. Manufatura flexível e economia circular
  5. Materiais novos e melhorados

Descarbonização dos sistemas de energia

A mitigação das alterações climáticas é um desafio urgente que a humanidade enfrenta. Para alcançar a descarbonização dos sistemas energéticos atuais, a engenharia química desempenha um papel fundamental. A complexidade e a magnitude do panorama energético tornam a transição para um sistema de baixo carbono um desafio significativo, e a engenharia química contribui para a escalabilidade, entrega, integração de sistemas e otimização do mix de vetores de energia.

Os engenheiros químicos desempenham um papel vital em toda a cadeia de valor energético, desde a criação de fontes de energia até os usos finais. Eles ajudam a desenvolver tecnologias que atendem às necessidades energéticas com menores emissões de carbono e custos. A transição para um sistema energético de baixo carbono envolve a reestruturação completa das refinarias de petróleo para a produção de combustíveis e insumos mais sustentáveis devido ao aumento da penetração de veículos elétricos.

No longo prazo, para atingir emissões zero de carbono, são necessários avanços em fotoquímica, eletroquímica e na eficiência da conversão de energia solar. Isso envolve a melhoria da captura de fótons, armazenamento de elétrons e conversão direta de fótons em carreadores de energia, como hidrogênio, amônia e combustíveis líquidos.

Como muitas matérias-primas de base biológica têm menor conteúdo energético em comparação com seus equivalentes à base de combustíveis fósseis, o maior desafio para o aumento do uso de biocombustíveis é a produção de combustíveis de alta densidade a um custo competitivo em relação aos combustíveis fósseis existentes. Isso, aliado à necessidade de considerar as consequências ambientais da colheita de culturas para uso energético, cria oportunidades para que engenheiros químicos usem análises econômicas, ambientais e técnicas em nível sistêmico para selecionar as opções de biocombustíveis mais viáveis.

Quanto aos usos finais, a produção de cimento, aço e produtos químicos oferece oportunidades claras para que engenheiros químicos contribuam para a descarbonização do setor industrial. Para atingir o objetivo de emissões zero na indústria, cinco pilares amplamente aplicáveis de descarbonização exigem esforços intensivos ao longo das próximas décadas: redução da demanda, eficiência energética, mudança de combustíveis e eletrificação, tecnologias transformadoras e redução de emissões.

Novos rumos para a Engenharia Química: Soluções de engenharia sustentáveis para o meio ambiente

As pressões globais associadas às alterações climáticas e ao crescimento populacional exigirão tecnologias mais eficientes para a adequação dos padrões de qualidade da água para o consumo humano, especificamente criando sistemas de dessalinização mais eficientes e novos sistemas capazes de remover a crescente concentração de microplásticos na água.

A exigência de mudanças substanciais nas fontes alimentares mundiais pode ser resolvida por tecnologias facilitadoras. Oportunidades específicas para engenheiros químicos incluem agricultura de precisão, alimentos não baseados em animais e produção de alimentos com baixa intensidade de carbono, e redução ou eliminação do desperdício de alimentos. As práticas agrícolas avançadas concebidas para melhorar o rendimento e, ao mesmo tempo, reduzir a procura de energia e de água exigirão a colaboração com outras disciplinas, bem como abordagens sistêmicas, tais como avaliações do ciclo de vida (LCA). Uma oportunidade particularmente valiosa de colaboração é com pesquisadores que são pioneiros em demonstrações iniciais de alimentos “cultivados em laboratório” em pequena escala.

A atmosfera da Terra, com a sua grande variedade de escalas espaciais e temporais, apresenta desafios intrigantes para os engenheiros químicos, notadamente para remoção de CO2 e de outros gases que retêm calor.

A redução das emissões de chaminés e de tubos de escape através de melhorias nos motores e nas instalações industriais (por exemplo, motores com melhor controle eletrônico e economia de combustível, e motores multiválvulas), monitorização e diagnóstico avançados, manutenção melhorada, desenvolvimento de rotas catalíticas para destruir poluentes, utilização de combustíveis mais limpos (por exemplo, combustíveis renováveis e com baixo teor de enxofre) e filtros (por exemplo, filtros de diesel), e desenvolvimento de veículos elétricos e com células de combustível; melhor gestão dos resíduos, como a utilização de solventes ecológicos e equipamentos para captura do gás metano emitido em locais de acúmulo de resíduos e sua utilização como biogás.

Medicina flexível e ajustada por engenharia

Oportunidades para aplicar habilidades quantitativas de engenharia química à imunologia incluem imunoterapias para o câncer, design de vacinas e tratamentos terapêuticos para doenças infecciosas e distúrbios autoimunes. O desenvolvimento de métodos completamente não invasivos para a entrega de medicamentos representa uma emocionante fronteira de estratégias baseadas em dispositivos e materiais. Engenheiros químicos também estão bem-posicionados para avançar no estudo de sistemas de liberação controlada e direcionada de substâncias terapêuticas.

Além disso, a demanda por anticorpos monoclonais, proteínas terapêuticas e terapêuticos de RNA mensageiro (mRNA) continuará a crescer, em parte como resposta ao envelhecimento da população. Ao mesmo tempo, o custo de produção de biológicos e o custo subsequente para o consumidor criam pressão para melhorar a flexibilidade e reduzir os custos, a fim de aumentar a equidade no atendimento de saúde, mantendo a confiabilidade e estabilidade durante a fabricação e distribuição. Este desafio oferece uma oportunidade para os engenheiros químicos desenvolverem melhorias bioquímicas e biológicas inovadoras.

Manufatura flexível e economia circular

A profissão de engenharia química surgiu em grande parte para enfrentar os desafios urgentes enfrentados há mais de um século na então florescente indústria de refinação de petróleo. O petróleo é um recurso orgânico altamente heterogêneo. O esforço contínuo no sentido de processos de fabricação mais eficientes, ecológicos e econômicos beneficiará uma gama muito mais ampla de matérias-primas disponíveis para utilização como blocos de construção para a produção de produtos químicos e materiais. O desafio da flexibilidade das matérias-primas oferece aos engenheiros químicos uma oportunidade de desenvolver reações e processos que permitirão a utilização de matérias-primas oxigenadas, como a biomassa lignocelulósica.

Os engenheiros químicos também têm oportunidades substanciais de desenvolver sistemas de produção distribuídos e escalonados e processos inovadores e de grande escala que podem competir com a conversão de recursos fósseis. Oportunidades fundamentais de pesquisa incluem a coleta de dados termodinâmicos robustos para melhorar a modelagem de moléculas de matéria-prima que incluem oxigênio e outros heteroátomos.

Os desafios atuais na concepção de processos incluem a necessidade de melhorias na produção distribuída e na intensificação de processos – áreas nas quais a comunidade de pesquisa em engenharia química pode proporcionar liderança intelectual. Colaborações entre pesquisadores acadêmicos e profissionais industriais serão importantes para o escalonamento do processo. Na transição de uma economia linear para uma economia circular, as oportunidades específicas para os engenheiros químicos incluem redesenhar processos e produtos para reduzir ou eliminar a poluição, desenvolver novas formas de reduzir e utilizar resíduos, conceber produtos para serem utilizados durante mais tempo e conceber processos e produtos utilizando tecnologias e matérias-primas sustentáveis.

Materiais novos e melhorados

Os engenheiros químicos podem contribuir para o domínio do desenvolvimento de materiais em uma variedade de tipos e aplicações. Em particular, desempenham um papel único no contínuo desenvolvimento da ciência e engenharia de polímeros devido à compreensão da síntese química, catálise, termodinâmica, transporte e reologia, e design de processos e sistemas.

A engenharia química é o lar lógico para pesquisa e desenvolvimento de fluidos complexos e materiais moles. A combinação de compreensão em nível molecular e conceitos termodinâmicos e de transporte oferece insights importantes e possibilita avanços.

A ciência e aplicação de nanopartículas por engenheiros químicos, tanto na indústria quanto na biomedicina, estão avançando rapidamente, oferecendo oportunidades para avanços na aplicação. Os engenheiros químicos desempenham um papel essencial no avanço do desenvolvimento de biomateriais para engenharia regenerativa e tecnologia de órgãos em microdispositivos, e os princípios de engenharia química são essenciais para compreender e melhorar a entrega direcionada de medicamentos espacial e temporalmente.

A expertise da engenharia química em torno do dimensionamento de reatores, separações e intensificação de processos se torna cada vez mais fundamental para o sucesso e crescimento da indústria de materiais eletrônicos.

Qual é o mapa para chegar aos novos rumos para a Engenharia Química?

Os engenheiros químicos precisaram desenvolver novas habilidades e, consequentemente, a formação em engenharia química precisará ser atualizada.

É fácil imaginar um futuro não muito distante caracterizado por dados sob demanda, onde dados sobre qualquer coisa, em qualquer nível de minúcia, estarão prontamente e instantaneamente acessíveis. Tal futuro sugere oportunidades profundas e emocionantes para engenheiros químicos, que são treinados em integração de processos e pensamento em nível de sistema – habilidades que serão necessárias para sintetizar fluxos de dados discrepantes em informações e conhecimento.

A evolução da inteligência artificial na próxima década terá enormes implicações não apenas para os tipos de problemas que os engenheiros químicos serão capazes de resolver, mas também para como o farão. As crescentes complexidades operacionais e a diminuição dos investimentos de capital e margens econômicas na indústria petroquímica, juntamente com as rigorosas exigências ambientais e de qualidade na fabricação de produtos químicos e polímeros especiais, continuarão a impulsionar o uso crescente de modelagem e simulação para executar cenários e testar hipóteses.

Enquanto a indústria farmacêutica atualmente fica atrás da indústria química no uso de ferramentas de simulação, mudanças fundamentais nos requisitos regulatórios estão motivando maior uso de modelos matemáticos e simulação, especialmente no setor de biomanufatura em rápido crescimento.

Referência:

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2022. New Directions for Chemical Engineering. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/26342.

Texto: André Bernardo

O AUTOR

Química e Derivados - André Bernardo é Engenheiro Químico
André Bernardo é Engenheiro Químico

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e Doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do departamento de Engenharia Química da UFSCar. contato: [email protected]

 

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ABEQ

A Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) é uma entidade sem fins lucrativos que congrega profissionais e empresas interessadas no desenvolvimento da Engenharia Química no Brasil. É filiada à Confederação Interamericana de Engenharia Química. Seu Conselho Superior, Diretoria e Diretoria das Seções Regionais são eleitos pelos associados a cada dois anos.
Mais informações: https://www.abeq.org.br/

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