Cap1 Texto Príamo PEQ Coppe A Engenharia Química do Novo Século

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Capítulo 1
Preâmbulo: A Engenharia Química do Novo Século*
engenharia química é uma disciplina fascinante. Alguns a definem como a
engenharia da aplicação da ciência, matemática e princípios econômicos para
converter matérias-primas em formas mais úteis e valiosas (Wikipedia, 2003).
Outros, simplificam o escopo da profissão imaginando engenheiros químicos como
engenheiros que fabricam produtos químicos ou químicos que trabalham em uma fábrica.
Mais importante do que uma definição precisa do engenheiro químico é o reconhecimento
do que torna sua profissão diferente das demais engenharias, pelo menos em sua
concepção: a habilidade de utilizar a ciência da química para resolver um vasto número de
problemas.
Esta habilidade advém da assimilação de um conjunto de conceitos, técnicas e
métodos oriundos de fontes diversas (notoriamente da química, física, matemática, biologia
e economia) que dão flexibilidade notável ao profissional. Apesar de os conceitos
fundamentais da engenharia química terem sido preservados ao longo do último século, o
conjunto de técnicas e métodos que instrumentalizam a atividade e o campo de aplicação
dos mesmos evoluíram de forma sistemática. Eram inimagináveis as potencialidades da
profissão um século atrás, pouco depois de sua fundação. Os engenheiros químicos hoje,
através de seu trabalho, investigam o metabolismo de células, desenvolvem materiais
multifuncionais e polímeros biodegradáveis, buscam tecnologias limpas e a tão desejada
auto-sustentabilidade, preocupam-se com o projeto de produtos e a satisfação plena dos
clientes, e realizam pesquisas científicas em escalas cada vez menores da matéria. Ou seja,
 
* Por Príamo A. Melo Jr.
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são polivalentes no senso estrito da palavra e conseguem gerar interfaces com quase todos
os campos da ciência.
Esse fenômeno de evolução aconteceu ao longo da segunda metade do século
passado. Antes da II Guerra Mundial, apesar da existência da indústria de petróleo, eram os
processos de separação que estavam em foco, como a destilação, o carro-chefe em termos
de operações unitárias da época. Antes de 1939 (Figura 1), praticamente não havia
processos catalíticos, não existiam refinarias e os compostos aromáticos eram derivados de
subprodutos do carvão mineral. A indústria química tinha sotaque alemão e produzia
compostos orgânicos de baixo peso molecular e compostos inorgânicos ordinários como
ácidos, bases, fertilizantes, etc. (Amundson, 1986).
Figura 1 – Planta de produção de pigmentos por volta de 1920 (Wintermantel, 1999).
Após a guerra, o que se viu foi um aumento tremendo da demanda por produtos
químicos, que culminou, naturalmente, com a expansão das indústrias petroquímicas e a
tendência por desenvolver processos contínuos, para aumentar a capacidade de produção
(Sargent, 2002; Wintermantel, 1999). A indústria dos processos de polimerização floresceu
e a engenharia das reações químicas passou a ser o tema central para a pesquisa. Aqueles
que durante a guerra estavam trabalhando para a indústria de defesa foram liberados, e o
que se viu foi a entrada de químicos, físicos e matemáticos na engenharia química, e como
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relatado por Amundson (1986), o desafio de problemas excitantes deu ao meio acadêmico
da engenharia química uma injeção no braço que durou por quase quarentas anos. Poder-
se-ia dizer que ainda estamos sentido os efeitos desta injeção no braço.
Nos departamentos de engenharia química todos queriam publicar seus resultados.
A disciplina era quase virgem após a guerra (Danckwerts, 1981). Não havia cinética
aplicada e fenômenos de transporte naquela época, por exemplo. E a termodinâmica da
engenharia química e controle de processos estavam em sua infância (Hougen, 1977). Em
1950 foi fundada a Chemical Engineering Science, na Europa, por Dr. Rosbaud. No meio
acadêmico, havia uma certa consternação em alguns lugares, pois este era o título escolhido
pelo AIChE (American Institute of Chemical Engineers) para seu novo periódico científico,
para expandir o Chemical Engineering Progress, que não atendia às demandas científicas
de então. O título do novo periódico terminou ficando AIChE Journal. Na mesma época a
ACS (American Chemical Society) dividiu a Industrial and Engineering Chemistry em três
partes - Fundamentals, Process Design and Development e Product Research and
Development. O Canadian Journal of Chemical Engineering começou a se destacar, assim
como o The Chemical Engineering Journal e o Chemical Engineering Communications
(Amundson, 1986). O meio acadêmico da engenharia química finalmente havia
conquistado os meios apropriados onde publicar os seus achados.
Também na década de 50 observou-se o início da era da computação. A entrada dos
computadores nos departamentos de engenharia química provocou a cisma entre aqueles
que vislumbravam as potencialidades da nova ferramenta e aqueles que acreditavam que
cálculos matemáticos computacionais estavam bem longe da realidade do dia-a-dia
(Sargent, 2002). Foi nessa época que a matemática ganhou força na engenharia química,
certamente catalisada pelo surgimento do computador digital, através da consolidação da
modelagem matemática por pioneiros como Robert Pigford, Neal Amundson e Rutherford
Aris.
Após a revolução do pós-guerra, a grande revolução na engenharia química veio em
1960 com a publicação do livro Transport Phenomena de Bird, Stewart e Lighfoot (veja
foto abaixo da segunda edição, lançada em 2002), analisando os processos elementares de
transporte de matéria, energia e momentum, que são os princípios fundamentais das
operações unitárias (Villermaux, 1984; Astarita, 1991; Astarita e Ottino, 1995). O livro de
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Bird, Stewart e Lighfoot introduziu um novo paradigma na
engenharia química por incorporar não apenas uma abordagem
unificada dos processos de transporte mas também por realizar a
conexão com a cinética química e apresentar maneiras para
representar modelos matemáticos e representações conceituais
abstratas (Villermaux, 1984).
Os anos 70 testemunharam a crise do petróleo, o que forçou mudanças e rearranjos
na engenharia química. Foi a vez dos produtos químicos especializados e da química fina.
As indústrias atentaram para a necessidade de projetar seus produtos para a tender a
demanda crescente por produtos feitos sob medida para o mercado (Sargent, 2002),
tendência que hoje está se fortalecendo no meio acadêmico (Wei, 2002; Favre et al., 2002;
Mackley, 2002; Charpentier, 2002). Já havia siso vista a expansão da engenharia química
para a engenharia bioquímica, agora plenamente estabelecida (Sargent, 2002).
Resumindo, a ciência viu, ao longo da segunda metade do século XX, uma
expansão exponencial da capacidade de análise de sistemas físicos, químicos, biológicos,
econômicos e computacionais. Da física, os engenheiros químicos aprofundaram estudos
em mecânica dos fluidos e assimilaram rapidamente as técnicas computacionais de estudo
de fluidos e sólidos: o estudo das misturas foi introduzido de forma sistêmica por
Danckwerts (Figura 2), e mais recentemente potencializado pela fluidodinâmica
computacional (Figura 3), e pelos balanços populacionais (Ramkrishna e Mahoney, 2002).
Além disso, advém da física os conceitos eletroquímicos e eletrônicos tão amplamente
utilizados hoje por engenheiros químicos em atividades de pesquisa como a microeletrônica
(Jensen, 1999; Chow, 2002).
Da química, foram assimilados os avanços na área dos métodos analíticos como, por
exemplo, a ressonância magnética nuclear (Gladden, 2003). Também, as técnicas de
simulação molecular computacional(Escobedo e de Pablo, 2002) e a química combinatorial
(Davis, 1999), tornaram-se ferramentas úteis no projeto de catalisadores e produtos, embora
aplicações concretas ainda são relativamente incipientes.
A biologia tornou-se um dos pilares fundamentais da engenharia química (MIT
Report, 2003). A metodologia de análise dos engenheiros químicos foi estendida aos
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sistemas biológicos (i) no projeto de biorreatores, microbiológicos ou de células animais
(Leib et al., 2001, Khosla, 2002); (ii) no desenvolvimento de bioprocessos para a produção
de fármacos; (iii) na obtenção de catalisadores biológicos (Panke e Wubbolts, 2002); (iv) na
elucidação de reações e fluxos mássicos intra- e inter-celulares, ou engenharia metabólica
(Stephanopoulos, 2002; Stephanopoulos e Stafford, 2002); (v) no desenvolvimento de
biomateriais, como os biopolímeros facilmente degradáveis (Lee, 1996; Madison e
Huisman, 1999); (vi) no controle de liberação de fármacos no organismo humano e controle
de anestesia (Morari e Gentilini, 2001; Edwards, 2001), etc.
Figura 2 – Capa do artigo seminal de Peter V. Danckwerts (1953).
O desenvolvimento auto-sustentado1 passou a ser tema freqüente quando os
impactos dos avanços da indústria sobre o meio-ambiente são analisados e há dúvidas sobre
a capacidade de que as novas gerações de engenheiros químicos sejam capazes de lidar com
este assunto (Batterham, 2003). Discute-se hoje o projeto consciente de produtos e
processos químicos dentro do que se chama engenharia verde (Allen e Shonnard, 2001). A
idéia, aqui, é ajudar a criar processos industriais acoplados de forma mais eficiente em
termos de integração energética e mássica - uma ecologia industrial.
 
1 Desenvolvimento auto-sustentado significa o crescimento da prosperidade humana de modo a não
comprometer a prosperidade potencial e a qualidade de vida de gerações futuras (Batterham, 2003).
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Medições Aparato Experimental Simulação
Figura 3 – Aplicação de CFD: Comportamento dinâmico de colunas de borbulhamento
(Wintermantel, 1999).
Diante do cenário exposto acima, pode-se afirmar que a engenharia química vive
um momento especial. Existem alguns fatores que, combinados, reforçam a idéia de que o
alcance da engenharia química deve ser reavaliado, a saber: (i) a evolução da engenharia
química de um disciplina enraizada a uma única indústria, a indústria petroquímica, para
uma disciplina que interage com uma ampla gama de indústrias e tecnologias; (ii) o advento
da biologia molecular; (iii) o rápido desenvolvimento de métodos de aprendizado e ensino
em ciência e engenharia e consolidação da tecnologia da informação (MIT Report, 2003);
(iv) os avanços notáveis de métodos analíticos e da instrumentação em geral; (v) a demanda
por materiais e produtos cada vez mais especializados; (vi) e a demanda crescente por
tecnologias limpas que preservem o planeta Terra.
Neste ciclo de palestras da Escola Piloto Virtual de Engenharia Química, uma
iniciativa do Programa de Engenharia Química (PEQ) da COPPE/UFRJ2, pretendemos
apresentar algumas evidências e implicações da evolução da engenharia química ao longo
das últimas décadas, com vistas ao reconhecimento da potencialidade de novas áreas de
pesquisa e à restruturação de áreas já consolidadas.
 
2 URL: http://www.peq.coppe.ufrj.br/piloto/
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A evolução da engenharia química na América do Norte está muito melhor
documentada do que em qualquer outro lugar e é por isso que, freqüentemente, seus
registros históricos são utilizados como referência para análise. Nos Estados Unidos, os
departamentos de Engenharia Química cresceram ao longo do eixo horizontal da Figura 4,
fundindo conhecimentos associados com a química e a engenharia mecânica (MIT Report,
2003). Assim, como discutido no MIT Report3 (2003), muitas das primeiras aplicações de
engenharia química naturalmente recaíram dentro dos domínios de química aplicada e
transporte. Continuando: "Em anos recentes, muitas novas indústrias começaram a
apreciar a necessidade por engenharia de processo e analisaram os benefícios potenciais
para novos produtos de engenharia molecular acoplados com análise multiescala e projeto
de processo". O surgimento destas novas indústrias (nos campos da biotecnologia,
microeletrônica, especialidades, etc.), entretanto, promove a interação natural da engenharia
química com essencialmente todas as outras engenharias e disciplinas apresentadas na
Figura 4. A engenharia química não desloca ou substitui as outras disciplinas. Ao contrário,
a engenharia química evoluiu para trabalhar de forma cooperativa e criar parcerias com as
outras disciplinas que a cercam (MIT Report, 2003; Sargent, 2002), uma vez que o
desenvolvimento de novas tecnologias requer o acoplamento de diferentes disciplinas.
Além disso, a engenharia química desenvolveu a habilidade de examinar os
processos em seus mais variados níveis ou escalas, indo muito além das operações unitárias
quando a interação de sistemas complexos deve ser analisada em detalhe; indo de nano- e
micro-sistemas para processos contínuos em escala industrial, como mostrado na Figura 5
(Wintermantel, 1999; Charpentier, 2002). Um dos grandes desafios da engenharia química
de hoje é entender e descrever a relação entre eventos em escala nano e micro para melhor
 
3 Entre janeiro e junho de 2003, chefes de departamentos de engenharia química dos Estados Unidos
realizaram uma série de workshops destinados a reexaminar e reprojetar o currículo de graduação em
engenharia química. Os relatórios destas discussões, que chamamos aqui de MIT Report, estão disponíveis
para consulta na página do MIT na rede (vide Referências).
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converter moléculas em produtos úteis em escala de processo (Charpentier, 2002). Esta
tarefa envolve o entendimento das relação entre estrutura molecular e produto, a fim de que
propriedades de uso final bem definidas possam ser obtidas de forma controlada.
Engenharia
Química
Química
AplicadaQuímica
Cerâmicas
Polímeros
Fluidos
Estruturados
Microeletrônica
Transporte
Energia
Engenharia
Mecânica
Aplicações
AmbientaisBioquímica
Biomédica
Biologia Engenharia
Civil
Engenharia
Elétrica
Ciência da
ComputaçãoMatemáticaFísica
Ciência dos
Materiais
Figura 4. A engenharia química em uma posição única entre as ciências moleculares e as
engenharias (MIT Report, 2003).
Moléculas
Processos
Moleculares
Partículas,
gotas,
bolhas
Acoplamento:
reação +
transporte de
massa,
energia,
impulso
Operação
unitária
Acoplamento:
processo +
equipamento
Planta
Integração:
unidades
↓
planta
plantas
↓
conexões
Mercado /
meio-
ambiente
Interações:
vendas,
logística,
recursos,
emissões
Nanoescala Microescala Mesoescala Macroescala Megaescala
Complexidade de estrutura molecular,
dinâmica de fluidos e reação
Complexidade de processos,
e considerações de negócios
Figura 5. Níveis de consideração no desenvolvimento de processos (Wintermantel, 1999).
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Uma outra característica da engenharia química de hoje é a interdisciplinaridade. O
bojo de ferramentas e conhecimentos acumulados pelos engenheiros químicos estão
penetrando cada vez mais em atividades outrora impensáveis. Há departamentos de
engenharia química, nos Estados Unidos, por exemplo, com linhas e laboratórios de
pesquisa em virologia (UW, 2003), e engenharia de tecidos, nomeque abrange o conjunto
de técnicas que visam ao desenvolvimento de polímeros biocorrosíveis, usados para criar
tecidos como o do fígado, peles, nervos e cartilagens em animais e humanos (MIT, 2003).
Para exemplificar as parcerias da engenharia química com outras disciplinas,
analisemos dois casos, que estão atualmente em curso no Programa de Engenharia Química
da COPPE. Recentemente, uma nova linha de pesquisa foi criada e trata do cultivo de
células animais, visando a produção de vacinas e biofármacos (PEQ, 2003). Estão
agregados nesta linha de pesquisa pesquisadores com formação básica e superior em
engenharia química, microbiologia e farmácia. Um dos objetivos principais é o
desenvolvimento de tecnologia para produzir de forma eficiente vacinas, como a da febre
amarela, que ainda hoje são fabricadas com métodos que podem levar a reações adversas, e
biofármacos, como o fator IX (utilizado no tratamento da hemofilia B), que são importados
em sua totalidade. A visão sistêmica que os engenheiros químicos aplicam na engenharia de
processos, acoplada à experiência prévia de pesquisadores da área da saúde, são
fundamentais para o projeto de biorreatores que operem de forma controlada e eficiente.
Além disso, ferramentas utilizadas amplamente pela engenharia química, como modelagem
matemática e otimização de processos, permitem o desenvolvimento de estratégias seguras
para ampliação de escala dos sistemas investigados.
Em uma outra parceria, uma equipe de pesquisadores do PEQ vem desenvolvendo,
junto com uma empresa da área médica, uma estratégia de produção controlada de
microesferas de poli(álcool vinílico) com núcleo de poli(acetato de vinila). As microesferas
(semelhantes às apresentadas na Figura 5) se destinam a aplicações de embolização
vascular, que consistem na utilização das microesferas para bloquear fluxos sangüíneos
para tumores cancerígenos, ou seja, evitar a alimentação dos tumores. Neste caso, a
habilidade dos pesquisadores do PEQ na condução de reações de polimerização
heterogêneas de forma controlada foi o fator determinante para a implementação da
parceria com a área médica.
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Figura 5. Micropartículas de poli(estireno) com morfologia controlada do tipo casca-
núcleo: aplicações potenciais na área médica (Lenzi et al., 2003).
Casos como os apresentados acima abundam atualmente nos departamentos de
engenharia química, notoriamente naqueles que conduzem atividades de pesquisa básica e
aplicada. E a razão fundamental deste tipo de trabalho decorre principalmente de novas
fronteiras de investigação em engenharia química, cada vez mais incorporadas nos
programas de pesquisa, como veremos ao longo do ciclo de palestras que constituem este
curso. Q
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Príamo A. Melo Jr. é professor do Programa de Engenharia
Química da COPPE/UFRJ desde 2002. Defendeu sua tese de
doutorado em 2000 no PEQ/COPPE, tendo realizado parte de suas
atividades de pesquisa no Departamento de Engenharia Química
da University of Wisconsin, em Madison, WI (E.U.A.). Seus
interesses de pesquisa incluem a modelagem matemática e
dinâmica de processos químicos, com ênfase em sistema de
polimerização.