مجلات الکترونیکی انگلیسی زبان مهندسی شیمی Chemical Engineering Journal and the Biochemical Engineering Journal
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects
مهندسی شیمی و بیو تکنولوژی صحبت درباره بيوتكنولوژي و شناخت آن به عنوان يك عرصه هر چند جوان اما گسترده علم، نيازمند بحث طولاني و دقيق مي باشد كه در صورت امكان و در فرصتهاي بعد به آن پرداخته خواهد شد. در اينجا صرفاّ با بيان تعاريفي از آن و بحث اجمالي در باره توانايي هاي آن سعي مي شود به نقش مهندسي شيمي در اين عرصه و همچنين نقش بيوتكنولوژي به عنوان يكي از زمينه هاي اصلي مهندسي شيمي در آينده نه چندان دور پرداخته شود و اين دو رشته تخصصي در تعامل با يكديگر مورد بررسي قرارگيرند.
بيو تكنولوژي (Biotechnology) ، يك كلمه مركب است كه از دو كلمهBio و Technology تشكيل شده است. Bio به معناي حيات به كارمي رود.براي Technolgy نيز تعارف گوناگوني وجود دارد از جمله:
« تكنولوژي ، عاليترين دستاورد عينيت و ذهنيت بشري است.»
و يا « تكنولوژي ، تبلور كار انسان در ابزا ر است.»
در جستجوي تعريف بيوتكنولوژي به سادگي مي توان به تعارف بالا مراجعه كرده و به صورت خلاصه ترجمه زير را براي لغت بيوتكنولوژي ارائه داد: « صنايع زيستي »
اما صنايع زيستي به چه معناست و چه كاربردها و چه توانايي هايي دارد؟ به اين منظور به چند تعريف گوناگون كه براي اين عرصه علمي ارائه شده است اشاره مي شود:
«بيوتكنولوژي يا صنايع زيستي عبارت از مجوعه فنوني است كه با ياري گرفتن از جانداران به ويژه ميكروبها و تك سلولها( سلولهاي جانوري، گياهي ، انگلها، باكتريها، قارچهاو مخمرها) محصولات متنوعي در ارتباط با علوم پزشكي ، كشاورزي و صنايع توليد مي كند.»
با توجه به اينكه بحث حاضر مربوط به ارتباط بين بيوتكنولوژي و مهندسي شيمي است بيش از اين در مورد جزئيات فراواني كه در بيوتكنولوژي مي تواند مطرح شود از جمله: چرايي بيوتكنولوژي ، علت توجه روز افزون به آن، علت استفاده از موجودات زنده و مسائل بيشمار ديگر بحث نكرده وبه مساله اصلي پرداخته مي شود. بدين منظور ابتدا به صوت اجمالي به كاربردها و ويژگي ها بيوتكنولوژي مي پردازيم:
-توليد فرآورده هاي غذايي
-توليد آنزيم هاي گوناگون با كاربرد در صنايع غذايي و دارويي
-توليد انرژي
-توليد فرآورده هاي ويژه دارويي ( آنتي بيوتيكها و پروتئينها) كه از طرق عادي امكان توليد آنها ميسر نيست.
-تصفيه بيولوژيكي آبهاي آلوده و پسابها
-استخراج فلزات و مواد كاني ارزشمند و…
همان طور كه مشخص است، بيوتكنولوژي به مانند مهندسي شيمي داراي كاربردهاي فراوان و اكثراّ در زمينه هايي مشترك با آن مي باشد.
از اين طريق مي توان به ارتباط موجود بين اين دو رشته پي برد. هدف اين دو تخصص در نهايت توليد يك فرآورده است. تفاوت در اينجاست كه در مهندسي شيمي كلاسيك، موجودات زنده نقشي نداشته و در مهندسي بيوتكنولوژي، اين موجودات نقش اساسي دارند. بدين ترتيب مي توان بيوتكنولوژي را به عنوان مسير ارتباطي بين تكنولوژي بدون حيات به تكنولوژي وابسته به حيات معرفي كرد.
«بيوتكنولوژي بكار گيري فرآيندها و تبديلات بيولوژيكي در مقياس صنعتي جهت توليد مواد بيوشيميايي يا تسهيل توليد فرآورده هاي مختلف مي باشد.»
تا اينجا با تعريف بيوتكنولوژي به ارتباط دو رشته تخصصي مهندسي شيمي و بيوتكنولوژي به صورت اجمالي پرداخته شد در قسمت بعد به نقش مهندسي شيمي در بيوتكنولوژي پرداخته مي شود.
يك ماده در فرايندهاي بيوتكنولوژي نيز به مانند هر فرآورده ديگر مستلزم گذشتن از مراحل گوناگوني مي باشد. مانند مرحله پژوهش آزمايشگاهي و تحقيقاتي، توليد يك ماده در آزمايشگاه، توليد نيمه صنعتي يك فرآورده و بررسي فاكتورهاي عملياتي و اقتصادي و درنهايت توليد صنعتي. به غير از مرحله اول كه مربوط به متخصصان علوم زيستي مانند زيست شناسي، ميكروب شناسي بيوشيمي و مهندسي ژنتيك است، در قسمتهاي بعدي كه مربوط به كارهاي صنعتي است، نيازمبرم به مهندسي شيمي و تخصص آن احساس مي شود. طراحي فرآيندها و دستگاههاي لازم در فرآيند بيولوژيكي كه توانايي ايجاد شرايط براي توليد بهينه از نظر اقتصادي و كيفي داشته باشد از وظايف اصلي يك مهندس شيمي مسلط به اصول بيوتكنولوژي مي باشد. همچنين طراحي فرآيندهايي مانند جداسازي و خالص سازي از وظايف اصلي يك مهندس شيمي مي باشد و اينها همه بيانگر نقش اساسي مهندسي شيمي در توليد فرآورده هاي بيولوژيكي مي باشد.
بحث در اين مورد به صورت خاص بسيار طولاني و تخصصي مي تواند باشد كه از حوصله اين گفتار خارج است و در فرصتهاي بعدي تا حد امكان به آن پرداخته خواهد شد.
در نهايت و به عنوان نتيجه بحث مي توان چنين بيان داشت كه مهندسي بيوتكنولوژي با توجه به قابليتهاي فراواني كه دارد از جمله پائين بودن هزينه هاي توليد در آن، عدم ايجاد آلودگي و همچنين امكان ايجاد در نقاط مختلف كره زمين اين قابليت را دارد كه بعضي بحرانهاي موجود در دنياي امروز را تا حدودي برطرف كند و يا از بين ببرد.
پیل سوختی و مزایای آن
در سال 1839ويليام گرو فزيكدان و روزنامه نگار برجسته انگليسي، اصول كار پيل سوختي را كشف كرد. گرو چهار پيل بزرگ كه هر كدام داراي ظرفي محتوي هيدروژن و اكسيژن بودند را براي توليد الكتريسيته بكار برد. الكتريسيته حاصل،آب را در يك ظرف كوچكتر به اكسيژن و هيدروژن تبديل مي كرد.
اما سابقه توليد پيل سوختي به سال 1889 بر مي گردد كه اولين پيل سوختي توسط لودويك مند و چارلزلنجر ساخته شد. در اوايل قرن بيستم تلاش هايي در جهت توسعه پيل سوختي صورت گرفت. در سال 1955 پيل سوختي قليليي 5كيلو واتي ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضايي آمريكا(ناسا) از پيل مزبور در سفينه هاي جيميني و آپولو جهت توليد الكتريسيته و تهيه آب مورد نياز فضا نوردان استفاده كرد. در طي دهه 70 فن آوري پيل سوختي در وسايل خانگي و خودرو بكار گرفته شد. اولين خودروي مجهز به پيل سوختي حدود سال 1970 توسط شركت جنرال موتورز آمريكا ساخته شد. با سرمايه گذاري جدي وزارت انرژي آمريكا از زمان جنگ خليج فارس و نيز سرمايه گذاري اين وزارتخانه از سال 1990 فن آوري پيل سوختي توسعه چشمگيري پيدا كرده است.
از دهه 80 به بعد شركت بالارد در كانادا تحت حمايت دولت با انجام پروژه ساخت زير دريايي كه در آن از پيل شوختي استفاده مي شد به عنوان پيشرو اين صنعت،در دنيا معرفي شد.
هواپيماي پيل سوختي ناسا در سال 2000 با نيروي محركه دوگانه باتري خورشيدي و پيل سوختي مورد بهره برداري قرار گرفت. اين هواپيما توان پرواز طولاني(شش ماه) و بدون وقفه را دارد و با حركت مستمر خود در يك منطقه از آسمان در سيستم هاي مخابراتي، جاسوسي و امداد رساني(در حوادث طبيعي) كاربرد وسيعي پيدا كدده است.
امتيازات ويژه پيل سوختي جهت كاربرد نظامي
1- كم بودن علايم راداري
2- كم بودن علايم قابل شناسايي در ميدان جنگ
3- قابل حمل و سبك بودن
4- چگالي انرژي بالا
5- توان بالا
6- تابش هاي گرمايي پايين
7- افزايش امنيت انرژي الكتريكي مورد استفاده به واسطه به كار بردن مولد ها در محل
در اينجا به برخي از مزاياي پيل سوختي مي پردازيم:
1-بازدهي بالا: پيل هاي سوختي از قوانين حاكم بر ماشين هاي گرمايي تبعيت نمي كنند،از اين رو بازدهي آنها به سه برابر ماشين هاي گرمايي مي رسد. بر اساس نوع و طراحي، بازدهي الكتريكي پيل هاي سوختي حدود 40 تا 60 درصد (كمترين ارزش گرمايي) مي باشد. بازدهي پيل سوختي ثابت و مستقل از اندازه آنها مي باشد.وقتي كه از گرماي خروجي آنها نيز استفاده شود بازدهي تقريبا به 85 درصد مي رسد.
2-تنظيم سيستم بر حسب نياز: پيل هاي سوختي بسيار انعطاف پذير هستند. يعني مي توان در هر لحظه يك چند توده پيل را به كار گرفت و يا از كار انداخت. توان خروجي آنها بسيار متغير است(گستره توان خروجي از 100 مگاوات براي سوخت زغال سنگ تا بيش از 500 مگاوات براي گاز طبيعي در تغيير است).ارزش تمام شده توده پيل به ازاي هر كيلو وات براي يك نيروگاه بزرگ و يا كوچك يكسان است، چرا كه بازدهي الكتريكي به طور منفرد محاسبه مي شود و تعداد پيل روي بازدهي كلي كم اثر است.
3-سازگاري با قوانين محيط زيست: پيل هاي سوختي داراي بازدهي بالا مي باشند و در هر توان خروجي، دي اكسيد كربن توليد شده كم مي باشد.اين پيل ها بي سر و صدا هستند و صداي آنها 60 دسي بل در هر متر مربع مي باشد، از اين رو قابل نصب در هر محلي مي باشند.پيل هاي سوختي را مي توان به گونه اي طراحي كرد كه از لحاظ مقدار آب مورد نياز خود كفا باشند.
4- انعطاف پذيري نسبت به سوخت: هيدروژن سوخت اصلي پيل هاي سوختي است كه از تفكيك آب،گاز طبيعي،زغال سنگ،متانول و ديگر سوخت هاي هيدروكربني بدست مي آيد.
5-افزايش توليد و كاهش توزيع: با توجه به نياز روز افزون به انرژي در مناطق دور دست در صورت استفاده از پيل سوختي مشكلات توزيع با كاهش خطوط جديد انتقال انرژي برطرف مي شود. هم اكنون 8 تا 10 درصد از انرژي توليد شده بين نيروگاه و مصرف كننده ها از طريق خطوط انتقال هدر مي رود. ولي با استفاده از پيل هاي سوختي اتلاف انرژي الكتريكي در هنگام انتقال كاهش مي يابد و بازدهي كلي تبديل سوخت بهينه مي شود. همجنين خطر ناشي از از ميدان هاي الكترومغناطيسي موجود در اطراف خطوط انتقال نيرو در ولتاژ بالا از بين مي رود.
مهدسی شیمی از کجا و چگونه در سال 1881 اولين درس در زمينه مهندسي شيمي در انيستيتو تکنولوژي ماساچوست امريکا (MIT)توسط پروفسور نورتون در دانشکدهءمکانيک تدريس شد.وي استاد درس شيمي صنعتي بود.علت ارائهء چنين درسي افزايش روزافزون صنايع شيميايي بود و بايد تعيين فرايند ساخت و چگونگي بهره برداري به نحوي رضايت بخش صورت ميگرفت.ساخت چنين صنايعي بايد به دست مهندساني که اطلاعات کافي دربارهء فرايندهاي شيميايي داشتند صورت مي گرفت.درآن زمان طراحي و نظارت بر ساخت اين قبيل صنايع به دو صورت انجام پذير بود
الف) به کمک شيمي دان ها که از تئوريهاي آزمايشگاهي مطلع بوده ولي اطلاعات مهندسي وتجارب آنها کافي نبود
ب) توسط مهندسان مکانيک که تجربهء طراحي داشتند ولي از کم وکيف تئوري فرايند مطلع نبودند
در نتيجه هر حوزه به تنهايي درک و برداشت کاملي از طراحي و فرايند صنايع شيميايي نداشتند و به ناچار از هر دو حوزه استفاده مي شد تا با تبادل اطلاعات وهمکاري بين آنها طراحي و ساخت واحد شيميايي صورت پذيرد.چنين وضعي يعني استفاده از شيمي دان ها ومهندسان مکانيک در طراحي و ساخت واحد توليدي در آلمان مورد توجه بوده است.يعني اين که براي ساخت و يا طراحي يک فرايند شيميايي بخشهاي مهندسي مکانيک و علوم شيمي در کنار يکديگر قرار مي گرفتند.از شواهد چنين بر مي آيد که براي هماهنگ و يکنواخت کردن طراحي و ساخت لازم بود که از اين دو حرفه (شيمي و مهندسي مکانيک) در يک مجموعه ترکيب شود. فارغ التحصيلان چنين رشته اي که اطلاعات مربوط به فرآيندهاي شيميايي و طراحي را با هم دارند قادر به طراحي ساخت و نظارت بر يک فرايند شيميايي خواهند بود.بر اساس اين ايده بود که درس شيمي صنعتي و بعضي از تجربه هاي آزمايشگاهي ارائه گرديد.در اين مقطع متخصصاني در دانشگاه آموزش مي ديدند که تحت عنوان شيمي صنعتي يا صنايع شيميايي فعاليت ميکردند.به تدريج که صنايع شيميايي پيشرفت کردنياز به متخصصاني که به هر دو حوزه تسلط داشته باشند بيشتر شده و مطالعه دروسي که بتواند نياز صنايع شيميايي را برآورده کند در دستور کار استادان دانشگاه ها قرار گرفت و دوره ها يي با نام "مهندسي شيمي مدرن"تاسيس شد.
توسعه روز به روز صنايع شيميايي و احساس نياز مبرم به مهندسان شيمي دانشگاهها را بر آن داشت تا اقدام به تاسيس دانشکده هاي مهندسي شيمي مستقل از دانشکده هاي مکانيک کنند.
براي مثال پيشرفت صنايع شيميايي در امريکا به حدي بودکه در سال 1910 توليد مواد شيميايي در اين کشور بيشتر از مجموع توليدات مواد شيميايي در آلمان و انگليس شد که اين پيشرفت سريع را مديون توجه حاضر محافل علمي امريکا به حرفهء مهندسي شيمي مي دانند.در اين ميان در ايران اولين بخش مهندسي شيمي در سال 1325 در دانشکده فني دانشگاه تهران شروع به کار کرد.امروزه دامنه رشته مهندسي شيمي بسيار وسعت يافته است.شاخه هايي در بيو تکنولوژي که هم اکنون در دنيا به عنوان يک"" فناوري برتر""مطرح شده است.مثل کاربرد آنزيمها در بهبود فرايندو....مهندسي پزشکي در مهندسي شيمي.تصفيهءپسابها کنترل فرايندهاو..... از زير شاخه هاي مهندسي شيمي محسوب مي شوند.گسترش و پيشرفت اين قبيل شاخه ها نشان دهندهء آن است که مهندسي شيمي ديگر نه تنها تخصصي در شيمي و مکانيک نيست بلکه دامنه اش بسيار فراتر از اين رشته ها مي باشد.
