¿Qué es la Ingeniería Química?

(*) Reimpreso con permiso de "Frontiers in Chemical Engineering" Copyright GH 1988 por la National Academy of Sciences. Cortesía de la National Academy Press, Washington. D.C.

(1) Frontiers in Chemical Engineering. Research Needs and Opportunities. National Research Council. National Academy Press, Washington, D; C., 198&

En ocasión del centenario de la Ingeniería Química, el Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos creó en 1988 un comité encargado de estudiarlas fronteras de esa disciplina y las necesidades y oportunidades de la investigación. El comité, presidido por el profesor NoeI R. Amundson, de la Universidad de Houston, constituyó paneles sobre Ingeniería Bioquímica y Biomédica; Dispositivos y Materiales Electrónicos, Fotónicos y Registradores; Materiales Avanzados; Procesamiento de Recursos Energéticos y Naturales; Protección y Seguridad Ambientales y Substancias Peligrosas; Procesos Asistidos por Computación e Ingeniería de Controles; Ingeniería de Superficie e Interfacial.
El Informe (1) fue re visado por un grupo de representantes de la Academia Nacional de Ciencias, la Academia de Ingeniería y el Instituto de Medicina. El texto siguiente pertenece al preámbulo de ese documento. El informe original completo está a disposición de los asociados en la oficina de la AID.

La Ingeniería Química tiene un rico pasado y un brillante futuro. En poco más de un siglo sus practicantes han erigido una gran parte de la infraestructura tecnológica de la sociedad moderna, En los 10 o 15 años venideros, la Ingeniería Química evolucionará para afrontar desafíos que abarcan una amplia gama de disciplinas intelectuales y escalas físicas (desde la escala molecular hasta la escala planetaria). Y los ingenieros químicos, gracias a sus fuertes vínculos con las ciencias moleculares, serán los "investigadores interfaciales" que unirán la ciencia con la ingeniería en los ámbitos multidisciplinarios donde surgirá una pléyade de nuevas tecnologías.

PARADIGMAS TRADICIONALES DE LA INGEMERIA QUIMICA

Toda disciplina científica tiene su propio conjunto de problemas y métodos sistemáticos para solucionarlos, es decir, su paradigma. La Ingeniería Química no es una excepción. Desde su nacimiento en el siglo pasado, su modelo intelectual básico ha experimentado una serie de cambios dramáticos.

Cuando el Massachusetts Institute of Technology (MIT) inició en 1888 un programa opcional de Ingeniería Química en su departamento de química, el curriculum se basaba en la descripción de operaciones industriales y estaba organizado por productos concretos. Pronto se advirtió la falta de un paradigma. Se necesitaba una mejor base intelectual porque el conocimiento de una industria química era a menudo diferente del conocimiento de otras industrias, del mismo modo que la industria del ácido sulfúrico es muy diferente de la del aceite lubricante.

Operaciones unitarias

El primer paradigma para la disciplina se basó en el concepto unificador de las operaciones unitarias", propuesto por Arthur D. Little en 1915. Se desarrolló en respuesta a la necesidad de la producción económica en gran escala de productos primarios. Dicho concepto sostenía que todo proceso de manufactura química podía resolverse en una serie coordinada de operaciones tales como pulverización, desecación, calcinación, cristalización, filtración, evaporación, destilación, electrólisis y así sucesivamente. Por ejemplo, el estudio académico de los aspectos específicos de la fabricación de trementina podía ser reemplazado por el estudio genérico de la destilación, proceso que era común a muchas otras industrias. Una forma cuantitativa del concepto de operación unitaria apareció alrededor de 1920, justo a tiempo para la primera crisis gasolinera de Estados Unidos. El rápido crecimiento del parque automotor presionaba fuertemente sobre la capacidad productiva de las fuentes naturales de gasolina. La capacidad de los ingenieros químicos para caracterizar cuantitativamente operaciones unitarias tales como la destilación permitió el diseño racional de las primeras refinerías modernas de petróleo. Así empezó el "boom" del empleo de ingenieros químicos en la industria petrolífera.

Durante este periodo de desarrollo rápido de las operaciones unitarias se introdujeron o perfeccionaron otros instrumentos analíticos clásicos de la Ingeniería Química. Entre estos se incluían los estudios del balance material y energético de los procesos y de las bases termodinámicas de los sistemas de multicomponentes.

Los ingenieros químicos ayudaron a Estados Unidos y sus aliados a ganar la Segunda Guerra Mundial. Desarrollaron la producción de caucho sintético para reemplazar las fuentes de abastecimiento capturadas por los japoneses a principios de la guerra. Suministraron el uranio-235 necesario para construir la bomba atómica, escalando en un solo paso el proceso de manufactura desde el laboratorio hasta la mayor planta industrial jamás edificada. Contribuyeron a perfeccionar la producción de penicilina, que salvó cientos de miles de vidas de soldados heridos. El examen de este aporte demuestra el grado de refinamiento alcanzado por la Ingeniería Química en la década de los 40.

La penicilina había sido descubierta antes de la guerra, pero solo podía prepararse en soluciones muy diluidas, impuras e inestables. Hasta 1943, cuando entraron
en el proyecto los ingenieros químicos, los fabricantes utilizaban un proceso de purificación por lotes que destruía o inactivaba las dos terceras partes de la penicilina producida. Al cabo de siete meses de trabajo, los ingenieros químicos de una empresa petrolífera (la Shell Development Company), aplicando su conocimiento de los principios generales de ingeniería a la construcción de una planta integrada, llegaron a procesar 200 galones de caldo de fermentación por día, con un índice de recuperación de penicilina pura del 85 por ciento. Una vez que este proceso fue adoptado por cuatro empresas la producción del antibiótico aumentó desde un nivel que en 1943 permitía sostener el tratamiento de 4100 pacientes por mes hasta un nivel, a mediados de 1944, equivalente a casi 250.000 tratamientos por mes.

Otro problema que dificultaba el envío de la penicilina al frente era la inestabilidad del producto en solución. Se necesitaba una forma estable que permitiera el almacenaje y el despacho a hospitales y clínicas. El proceso de congelación y desecación - en que la solución de penicilina era congelada y luego sometida al vacío para extraer el hielo en forma de vapor de agua - parecía ser el mejor, pero nunca había sido aplicado a escala industrial. Un programa acelerado de estudios emprendido por ingenieros químicos del MIT logró una comprensión de los fenómenos básicos que hizo factible la construcción de plantas de producción.

El avance de la ingeniería científica

El pináculo de la dominación americana en la industria química después de la Segunda Guerra Mundial vio el gradual agotamiento de la investigación sobre operaciones unitarias convencionales. Esto condujo a un segundo paradigma para la Ingeniería Química, iniciado por el avance de la ingeniería científica. Descontentos con la descripción empírica del funcionamiento de los equipos de procesamiento, los ingenieros químicos empezaron a reexaminar las operaciones unitarias desde un punto de vista más fundamental. Los fenómenos que ocurren en las operaciones unitarias fueron reducidos a conjuntos de eventos moleculares. Se elaboraron modelos mecánicos cuantitativos de estos eventos, que se utilizaron para analizar los equipos existentes y diseñar nuevos equipos de procesamiento. También se hicieron modelos matemáticos de procesos y reactores, que se aplicaron a industrias de capital intensivo, como la de productos petroquímicos primarios.

La capacitación de ingenieros químicos en la actualidad

Paralelamente al avance de la ingeniería científica evolucionó el núcleo curricular de la Ingeniería Química, hasta alcanzar su estado actual. Tal vez más que cualquier otro factor, di núcleo curricular es responsable por la confianza con que los ingenieros químicos integran el conocimiento de muchas disciplinas en la solución de problemas complejos.

El núcleo curricular suministra conocimientos de las ciencias básicas: matemáticas, física y química. Esta base
es necesaria para emprender el estudio riguroso de los temas centrales de la Ingeniería Química, a saber:

--termodinámica y cinética de multicomponentes,
--fenómenos de transporte,
--operaciones unitarias,
--diseño y control de procesos, y
--diseño de plantas e ingeniería de sistemas.

Esta capacitación ha permitido que los ingenieros químicos adquieran protagonismo en esferas interdisciplinarias tales como catálisis, combustión, ingeniería electroquímica y ciencia y tecnología de los coloides y los polímetros.

UN NUEVO PARADIGMA PARA LA INGENIERIA QUIMICA

Dentro de pocos años el efecto combinado de los adelantos intelectuales, los desafíos tecnológicos y las fuerzas económicas transformará la naturaleza de la Ingeniería Química y el trabajo de los ingenieros químicos.

Una de las principales fuerzas impulsoras de esta evolución será la cantidad de nuevos productos y materiales que entrarán al mercado en las dos décadas próximas. Ya sea que provengan de la industria biotecnológica, de la industria electrónica o de la industria de los materiales de alta performance, la utilidad de estos productos dependerá críticamente del diseño y la estructura a nivel molecular. Requerirán procesos de manufactura que permitan controlar con precisión su estructura y composición química. Esas demandas generarán nuevas oportunidades para los ingenieros químicos, tanto en el diseño de los productos como en la renovación de los procesos.

La segunda fuerza que contribuirá al nuevo paradigma de la Ingeniería Química es el aumento de la competencia en el mercado mundial. La calidad y la performance de los productos son más importantes que nunca para el éxito en esa competencia.

La tercera fuerza que moldeará el futuro de la Ingeniería Química es la creciente conciencia social de los riesgos sanitarios y ambientales derivados de la producción, el transporte y la utilización de productos químicos y la eliminación de sus residuos. La sociedad moderna no tolerará la repetición de incidentes como el derrame de isocianato de metilo en Bhopal (1985) y la contaminación del Rhin (1986). La profesión deberá asumir la responsabilidad de actuar como guardián desde la cuna a la tumba de los productos químicos, asegurando su utilización en condiciones de seguridad ambiental.

La cuarta y más importante de las fuerzas que afectarán la evolución de la Ingeniería Química es la curiosidad intelectual de los propios ingenieros químicos. A medida que extienden los límites de las ideas y concepciones pasadas, los investigadores en Ingeniería Química crean los nuevos conocimientos e instrumentos que habrán de afectar profundamente la formación y la práctica de la próxima generación de ingenieros químicos.

El foco de la Ingeniería Química ha estado siempre en los procesos industriales que cambian el estado físico ola composición química de los materiales. Los ingenieros químicos trabajan en la síntesis, el diseño, el ensayo, la escalación, la operación, el control y la optimización de tales procesos. El nivel tradicional de magnitud y complejidad al que han trabajado sobre esos problemas podrían calificarse como de mesoescala.

Como ejemplos de esta escala pueden citarse los reactores y equipos para procesos simples (operaciones unitarias) y combinaciones de esas operaciones en plantas industriales. En el futuro, la investigación a la mesoescala será complementada por un estudio más profundo de los fenómenos que ocurren en la dimensión molecular -microescala - y en las dimensiones de sistemas extremadamente complejos - macroescala.

Los ingenieros químicos del futuro integrarán una variedad mayor de escalas que cualquier otra rama de la ingeniería. Por ejemplo, habrá quienes trabajen para relacionar la macroescala del ambiente con la mesoescala de la combustión y la microescala de las reacciones moleculares. Incorporarán a la investigación y la práctica nuevos instrumentos y conceptos procedentes de otras disciplinas: biología molecular, química, física del estado sólido, ciencia de los materiales, ingeniería eléctrica. Harán más uso de las computadoras, la inteligencia artificial y la ingeniería de sistemas para la resolución de problemas, el diseño de productos y procesos y la producción industrial.

Des importantes novedades formarán parte de esta transformación de la disciplina:
--Los ingenieros químicos tendrán mayor intervención en el diseño de productos como complemento del diseño de procesos. Dado que las propiedades de un producto dependen cada vez más del proceso de producción, la distinción tradicional entre diseño de proceso y de producto tenderá a borrarse.
Los ingenieros químicos serán frecuentes participantes en esfuerzos multidisciplinarios de investigación. La posición de la Ingeniería Química como la disciplina más fuertemente vinculada a las ciencias moleculares constituye una ventaja, dado que dichas ciencias son las que plantan las semillas de las tecnologías de mañana. La Ingeniería Química tiene un brillante futuro como la "disciplina interfacial" que servirá de puente entre la ciencia y la ingeniería en el ámbito multidisciplinario que verá nacer las nuevas tecnologías.
Ciertas cosas, sin embargo, no cambiarán. La filosofía que orienta la formación de los ingenieros químicos
- apoyada en principios fundamentales inmunes a los cambios en su esfera de aplicación - debe permanecer incambiada para que los profesionales del futuro puedan dominar los problemas que se les presentarán. Al mismo
tiempo, la manera en que esa filosofía asuma forma concreta en los programas y requisitos docentes deberá responder a las nuevas necesidades y situaciones.

CONVERSION DE FRUCTOSA: EJEMPLO DE PROCESO CONTROLADO

El jarabe de maíz rico en fructosa ha sustituido a la sacarosa como endulzante de la mayor parte de las bebidas sin alcohol de consumo masivo en todo el mundo. La producción de jarabe, que ha adquirido gran importancia en nuestro país, ofrece un excelente ejemplo de aplicación de los principios generales de la ingeniería química al diseño y control de un proceso industrial en condiciones óptimas de eficiencia, economía y adecuación a las demandas del mercado. Para ello fue preciso desarrollar y combinar dos bioprocesos distintos y escalarlos a volumen de fábrica: la producción de isomerasa y la conversión de dextrosa en fructosa. La obtención de isomerasa por fermentación es un proceso relativamente rápido, que depende de algunas variables críticas: mantenimiento de la esterilidad, manejo de las transferencias de masa y calor, control de los niveles de ~2 y C02, regulación de presión, temperatura y tenor en dextrosa. La solución debe ser cuidadosamente mezclada durante la fermentación, pues la agitación puede dañar las células y matar los microorganismos generadores o entorpecer la recuperación de la enzima del caído de cultivo. Los ingenieros químicos se especializan en resolver esta clase de problemas. La conversión del jarabe de dextrosa en jarabe con alto contenido en fructosa requiere dos nuevas operaciones de ingeniería química. La primera es la rigurosa purificación de la dextrosa para eliminar los contaminantes capaces de inactivar la enzima. El jarabe es sometido a desmineralización, filtración y refinación sobre carbono activo tratado con un co-catalizador magnésico y llevado al nivel adecuado de temperatura y acidez. Luego se pasa a la segunda operación: se hace descender la dextrosa por una columna que contiene la isomerasa aislada sobre un transportador. El proceso de isomerización puede acelerarse o retardarse, según la demanda del producto final en las distintas estaciones del año. En verano se aumenta el flujo de dextrosa en la columna, elevándose la temperatura, con lo que se acorta la vida útil de la enzima. En los meses fríos se invierten esos parámetros, reduciéndose el consumo de enzima. La economía total de la industria, por lo tanto, es función directa de un control estricto del proceso en todas sus etapas.

CONCRETO DE ALTA TECNOLOGIA

Por tratarse de un material tan común y de bajo costo, no se suele pensar que el concreto pueda tener aspectos de alta tecnología. Sin embargo, las investigaciones sobre nuevos aditivos químicos y minerales han puesto en relieve la complejidad de las reacciones que se producen durante el fraguado y han permitido introducir mejoras en la estructura del concreto. Se han encontrado maneras de reducir la porosidad y reforzar los enlaces entre partículas, con lo que se ha podido elevar la resistencia del concreto a la compresión desde 6000 psi a mas de 40.000 psi. El secreto de esta alta performance radica en el uso de substancias químicas que modifican las superficies y las interfases del material grueso. Los mejores aditivos son poderosos surfactantes, conocidos como superplastificantes, y deshidratantes, que reducen la porosidad del concreto fresco antes de que se endurezca, sin alterar sus propiedades útiles. La adición de minerales muy divididos, como microsilice, combinados con un superplastificante, mejora notablemente características tales como la resistencia a la abrasión y a la desintegración por acción de sales, agua marina y ciclos de calor-frío. Una mayor atención a los problemas de ingeniería superficial e interfacial del concreto redundará en la mayor duración de obras públicas, la reducción de los costos de mantenimiento y el hallazgo de nuevos usos para ese noble material.

INTERFERON PARA LA LUCHA CONTRA EL CANCER

Una de las terapias más prometedoras para ciertos tipos de tumores malignos se basa en el uso de interferón, proteína que existe en ínfimas cantidades en el cuerpo humano, como parte esencial del sistema de inmunidad natural. Se puede producir interferón fuera del cuerpo humano en cultivos de células linfoblastoides modificadas. Hasta hace poco años esos cultivos eran viables únicamente en volúmenes de unos pocos cientos de mililitros. Los ingenieros químicos han desarrollado reactores para el cultivo aséptico de células humanas en una escala 100.000 veces mayor, lo que ha hecho posible la producción de interferón en cantidades prácticas. Los problemas aparecidos en esta escala ilustran las dificultades de aplicar los principios de la ingeniería química a los procesos vitales. Se puede alcanzar un rendimiento del 20 por ciento de interferón a partir de un cultivo celular, pero 19s primeros resultados no superaban el 5 por ciento. Eso se debía a que, como subproducto del cultivo, aparecía una proteasa, es decir, una enzima proteolítica, destructora del interferón. Los ingenieros químicos cooperaron con los bioquímicos en el diseño de inhibidores de la proteasa e hicieron un aporte crucial al idear un proceso continuo de corta duración que minimizaba la exposición del interferón a la enzima. También desarrollaron sistemas de separación cromatográfica que mejoraron el rendimiento, extrayendo el interferón de la mezcla de reacción en forma más rápida y eficiente.

TERAPIA BIOTECNOLOGICA DE AFECCIONES CARDIACAS

Las oclusiones arteriales y venosas causadas porcoágulos sanguíneos constituyen una de las principales causas de muerte en todo el mundo. Hasta hace poco tiempo solamente se conocían dos substancias, la uroquinasa y la estreptoquinasa, capaces de destruir coágulos. El tratamiento tiene riesgos dado que ambos agentes, por carecer de especificidad contra los coágulos, pueden desencadenar la caída del sistema hemostático y conducir a la hemorragia general. Un adelanto reciente en la terapia cardiaca utiliza una enzima, el activador de plasminógeno tipo tisular, (APT), que es un componente de la sangre normal. Administrado en cantidades muy altas, este agente reduce el tiempo de destrucción de coágulos de una semana a menos de una hora. Pero este dramático resultado requiere concentrar el APT contenido en 50.000 litros de sangre humana, con el consiguiente costo prohibitivo (alrededor de 100 dólares por dosis). que hace imposible la extensión del tratamiento. Los químicos moleculares han logrado efectuar la donación de la molécula de APT y su expresión en células de mamíferos, en lugar de bacterias, para facilitar la multiplicación. Se ha producido una molécula que tiene el mismo plegado, los enlaces internos y la cobertura de azúcar residual de la proteína natural. Ahora, los ingenieros bioquímicos han desarrollado los métodos de cultivo celular y de purificación que se requieren para satisfacer una demanda creciente en cantidad y exigente en calidad dada la pureza necesaria para el uso seguro del producto. La disminución de los costos de producción en todos sus rubros sigue siendo un problema mayor para poder poner el APT al alcance de todos los que lo necesitan. El desafío para la ingeniería química es tan claro como urgente.