Kimya mühendisliği nedir?

Shutterstock

Kimya mühendisliği, hammaddeleri güncel isteklere uygun faydalı ürünlere dönüştürerek toplumun hizmetine sunan bir mühendislik dalıdır.

Hammaddeleri ürüne dönüştüren fiziksel ve kimyasal işlemlerin bütününe kimyasal süreç denir. Bu dönüşümü gerçekleştirmek için hammaddelerin ve özelliklerinin araştırılması, ekipmanların tasarlanıp geliştirilmesi, üretim sürecinde çevrenin korunması için gerekli önlemlerin alınması ve ürün maliyetinin optimize edilmesi yani birçok unsur dikkate alınarak en uygun hale getirilmesi gerekir.

Ham petrolün rafinerilerde çeşitli yakıtlara (benzin, gazyağı, tüpgaz) dönüştürülmesi, şeker pancarından şeker elde edilmesi ve bu süreç sırasında atık olarak elde edilen melasın (kıvamlı ve şekerli sıvı) etil alkole dönüştürülmesi, etilen molekülünün yapısındaki hidrojen atomlarının flor atomları ile yer değiştirmesini sağlayarak önce tetra floro etilen molekülü daha sonra da bu moleküllerin yan yana getirilmesiyle (polimerizasyon) tavaların yüzeyini kaplamada kullanılan teflonun elde edilmesi kimya mühendislerinin yapmış olduğu işlerden bazılarıdır.

Kimya mühendisliği, temel bilimler ile mühendisliğin ara yüzeyinde yer alır. Başta makina, elektrik ve inşaat mühendisliği olmak üzere diğer mühendislik disiplinlerinin yanı sıra malzeme bilimi ve bilgisayar bilimi ile yakın iş birliği içinde olan kimya mühendisliğinin temeli kimya, fizik, matematik, biyolojik bilimler ve ekonomiye dayanır.

Kimya mühendisi ile kimyager arasında ne fark vardır?

Fen-Edebiyat veya Fen fakültelerinin Kimya bölümlerinden mezun olanlar “kimyager” unvanı alır. Orta öğretimde aldıkları kimya dersleri nedeniyle kimyagerlerin neler yaptıkları konusunda birçok insan az çok bir fikir sahibidir. Ancak, kimya mühendislerinin hangi işleri yaptıkları genellikle bilinmez.

Kimya mühendisleri ile kimyagerlerin çalışma alanlarında bazı örtüşmelerin olmasına karşın her iki disiplin arasındaki en büyük fark, madde üretimindeki ölçek düzeyidir. Bu nedenle kimyagerler laboratuvar önlüğü giyer, kimya mühendisleri ise baret takar. Bareti burada büyük ölçekli üretime vurgu yapmak için kullanıyoruz,  yazının devamında göreceğiniz gibi kimya mühendisleri değişik alanlarda da farklı roller üstlenir.

Kimyagerler laboratuvarda az miktarda maddeyle çalışır. Kimya mühendisleri ise kimyasalların büyük ölçekteki üretimiyle ilgilenir. (Shutterstock)

Kimyagerler cam malzeme kullanarak laboratuvarda yeni madde sentezi üzerine çalışır. Deney sonuçlarının başarılı olması durumunda elde edilen madde miktarı oldukça azdır. Kimya mühendisleri ise kimyagerler tarafından sentezlenen yeni maddeyi çok fazla miktarda, uygun maliyetle ve çevreye zarar vermeden üretecek pilot tesis (üretime dönük denemelerin yapıldığı, küçük ölçekli öncü kurulum) veya fabrikanın tasarımını yapar. Bu tasarımda, üretilecek madde(ler) için piyasa araştırması yapılır, en ekonomik üretim süreci belirlenir, ekipmanların boyutları ve fabrika maliyeti hesaplanır. Tasarım tamamlandıktan sonra pilot tesis veya fabrika devreye alınıp emniyetli bir şekilde işletilmesi sağlanır ve sürecin verimliliği sürekli olarak arttırılır.

Kimya mühendisleri ile kimyagerlerin sorumluluk alanları arasında da büyük fark vardır. Kimyagerler belirli bir ürünün laboratuvarda kimyasal yöntemle elde edilmesinden sorumludur. Kimya mühendisleri ise üretimin yanı sıra hammadde tedarikçisinden son kullanıcıya kadar uzanan tüm süreçten (taşıma, depolama, nakliye, vb.) sorumludur.

Kimya mühendisleri ne yapar?

Günümüzdeki karmaşık projelerin tasarımı ve işletilmesi, farklı bakış açılarına ve uzmanlık alanlarına sahip bilim insanlarından oluşan çoklu disiplinli takım çalışması gerektirir.   Böyle bir grupta yer alan kimya mühendislerinin cevaplaması gereken başlıca sorular şunlardır:

    • Ürünün elde edilebilmesi için hangi tepkime yolunun kullanılması gerekir?
    • Kimyasal tepkime(ler) sonunda çoğunlukla birden fazla ürün ve atık ortaya çıkar. Bu ürünlerden istenenin miktarını artırmak, sonra da onu diğerlerinden ayırıp ürün olarak elde etme işi “saflaştırma” olarak adlandırılır. Saflaştırmanın hangi yöntemlerle yapılacağını belirlemek kimya mühendislerinin cevaplaması gereken en zor sorulardan biridir.
    • Ürün elde edilirken ortaya çıkan yan ürünlerin miktarı nasıl azaltılır?
    • Yan ürünler nasıl değerlendirilir?
    • Gerek tepkimeye girmeyen hammaddeler gerekse tepkime sonucunda oluşan zararlı atıklar çevreye zarar vermeden nasıl bertaraf edilir?
    • Süreç nasıl kontrol edilir ve emniyeti nasıl sağlanır?
    • Ürün maliyetini azaltmak için süreçte ne gibi değişiklikler yapılması gerekir?
    • Süreç için gereken enerji miktarı nasıl en alt düzeyde tutulur?

Kimya mühendisliği eğitimi neleri kapsar ve kimya mühendislerinin sahip olması gereken beceriler nelerdir?

Kimya mühendislerinin aldığı başlıca dersler şunlardır: matematik, kimya, fizik, kütle ve enerji denklikleri, termodinamik, akışkanlar mekaniği, enerji ve kütle aktarımı, ayırma işlemleri, mühendislik ekonomisi, kimyasal tepkime kinetiği, süreç tasarımı ve reaktör tasarımı. Kimya mühendisleri, görmüş oldukları çok yönlü eğitimi kullanarak insanların günlük yaşamlarını iyileştiren ilerlemeler sağlar.

Farklı disiplinlerden gelen kişilerle takım çalışması yapacak kimya mühendislerinin iletişim yeteneklerinin en üst düzeyde olması gerekir. Kimya mühendisleri gerek Türkçe gerekse en az bir yabancı dilde yazılı ve sözlü olarak kendilerini iyi ifade edebilmelidir. Kimya mühendisleri analitik düşünce yapısına ve titiz çalışma alışkanlığına sahip olmalıdır. İyi bir kimya ve matematik bilgisine sahip olan ve problem çözmeyi seven kişiler kimya mühendisliği mesleğinden büyük keyif alacaktır.

Kimya mühendislerinin çalışma alanları nelerdir?

Almış oldukları çok yönlü eğitim nedeniyle sanayideki birçok sektörde kimya mühendislerine talep vardır. Kimya mühendisliği, nanoteknoloji, alternatif enerji kaynakları ve biyoteknoloji gibi gelişmekte olan yeni alanlarda da en çok tercih edilen mühendislik disiplinidir.


Petrokimya tesisi (Wikimedia commons)

Geleneksel kimyasalları üreten kimya sektörü

Kimya mühendislerinin çoğunlukla çalıştığı bu fabrikaların başlıcaları şunlardır: rafineri, petrokimya, gübre, çimento, sülfürik asit, kağıt, ilaç, boya, tarım ilaçları, sivil ve askeri amaçlı patlayıcılar, vb.

 


Biyomedikal mühendisliği

Biyomedikal mühendisliği, mühendislik prensiplerinin ve problem çözme tekniklerinin biyoloji ve tıbba uygulanmasıdır. Biyomedikal mühendisleri, daha konforlu bir yaşam için malzemeler, cihazlar ve süreçler oluşturur. Kimya mühendisliğinin temel konularından biri olan kütle aktarımı, biyomedikal mühendisliği uygulamalarında kullanılır.

Taşınabilir suni böbrek. Kaynak[1]Gura, V., ve ark. (2016). A wearable artificial kidney for patients with end-stage renal disease. JCI Insight, 1(8). https://doi.org/10.1172/jci.insight.86397 ncbi.nlm.nih.gov

Böbrek nakli dışında, kronik böbrek hastaları için ana tedavi seçeneği diyalizdir. Diyaliz cihazı ile kanda biriken metabolik atıklar (örneğin üre) uzaklaştırılır. Diyaliz merkezlerinin sınırlı kapasiteye sahip olması ve işlemin maliyeti, hem hastalara hem de sağlık sistemine büyük yük getirmektedir. Bu nedenle çalışmalar taşınabilir suni böbrek yapımı üzerinde yoğunlaşmıştır. Gerek diyaliz gerekse taşınabilir suni böbrek cihazlarının tasarımında kimya mühendisleri görev almıştır.

 


Bir rafinerinin kontrol odası (Shutterstock)

Süreç kontrol ve izleme sistemleri

Ürünü tasarlanan kalitede ve miktarda elde edebilmek için sürecin sürekli izlenip gereken müdahalenin zamanında yapılması gerekir. Sıcaklık, basınç, derişim, sıvı yüksekliği ve debi gibi değişkenler sürekli olarak kontrol edilmelidir. Kimya mühendisleri, söz konusu kontrol sistemlerinin tasarımını yapar.

 


Sigara alışkanlığından kurtulmak için kullanılan nikotin bandı (Wikimedia commons)

Kontrollü ilaç salım sistemleri

Bu sistemler kullanılarak hastaların almaları gereken ilaçlar, dozu ayarlanmış olarak seçilmiş hedeflere istenilen süre boyunca verilir. Örneğin, tıkalı kalp damarlarının açılması için kullanılan stentlerin yüzeyine kaplanan kimyasal maddenin salımı ile plak adı verilen yağların birikimi önlenir.

 


Albert Sacco Jr. (Wikimedia Commons)

Malzeme bilimi ve mühendisliği

Malzeme bilimi ve mühendisliği, malzeme özelliklerini inceler ve yeni malzemeler geliştirmek için çalışır. Kimya mühendisleri ise elde edilen yeni malzemelerin (polimerler, elyaflar, seramikler, biyomalzemeler, nano yapılar, kompozitler) nasıl üretilmesi ve işlenmesi konularını araştırır.

Örneğin Worcester Polytechnic Institute ve Northeastern Üniversitesi kimya mühendisliği bölümlerinde uzun yıllar öğretim üyeliği yapan astronot Albert Sacco Jr., 1995 yılında Columbia uzay mekiği ile uzayda 16 gün kalarak zeolit kristallerinin büyümesi üzerine çalışmalar yaptı.


Gebelik test kiti (Wikimedia Commons)

Tıbbi tanı cihazları

İnsan vücudundan alınan numunelerin (kan, idrar, vb.) incelenerek teşhis konulmasına yardım eden bu cihazların tasarımlarında kimya mühendisleri de görev alır.

 

 


Yakıt pili kullanan elektrikli bir araç (Fotoğraf: MaximalfocusUnsplash)

Elektrokimyasal enerji üretimi 

Günümüzdeki enerji üretimi, büyük ölçekte fosil yakıtlara dayalıdır. Elektrokimyasal enerji üretimi, son yıllarda fosil yakıtlara seçenek olarak gündemde yerini almaya başlamıştır. Bu amaçla kullanılan pillerin ve yakıt pillerinin gerek matematiksel modellenmesinde gerekse üretiminde kimya mühendisleri önemli görev yapmaktadır. Piller, içlerine depo edilen enerjiyi elektrokimyasal tepkime ile elektrik enerjisine dönüştürür. Pillerden elde edilen enerji, depo edilmiş enerji miktarı ile sınırlıdır. Yakıt pilleri ise hidrojen içeriği yüksek yakıtlardan elektrokimyasal yöntemlerle sürekli elektrik üretir.


Elektronik Sanayisi

Dünyanın en büyük mikroişlemci üreten firması olan Intel şirketinde çalışan kimya mühendislerinin sayısı elektrik-elektronik mühendislerinden fazladır. Kimya mühendisleri, Intel şirketinde güncel ekipmanları ve malzemeleri kullanarak yarı iletken üretimini gerçekleştirir. Bunun yanı sıra, sivil ve askeri elektronikte önemli olan baskı devre ve kalın film üretimleri kimya mühendisleri tarafından yapılır.


Kozmetik kimyasalları özel kimyasallar arasındadır (Unsplash)

Özel kimyasallar

Özel kimyasallar, bileşimlerinden ziyade performanslarına veya işlevlerine göre satılan ürünlerdir. Korozyon önleyiciler, kozmetik kimyasalları, gıda katkı maddeleri, evsel ve kişisel temizlik maddeleri, motor yağı katkı maddeleri, baskı mürekkepleri, yüzey aktif maddeler ve sentetik yağlar özel kimyasallara örnektir. Kimya mühendisleri, söz konusu kimyasalların üretimi için gereken tesislerin tasarımını yapar ve işletir.


Kimya mühendisleri çevre korunmasında çevre mühendisleriyle birlikte çalışır. (Fotoğraf: Nariman Mesharrafa / Unsplash)

Çevre korunması ve kimya mühendisliği

Kimya mühendisleri, sahip oldukları bilgi donanımı ile çevre korunmasını gerektiren konularda çevre mühendisleri ile birlikte çalışır. Bu kapsamda, (i) havaya, toprağa ve su yollarına karışan atıkların miktarını ve toksisitesini azaltır, (ii) endüstriyel tesislerin, enerji santrallerinin ve motorlu taşıt araçlarının çevreye verdiği olumsuz etkileri azaltır, (iii) endüstriyel ve tüketici sonrası atıkların geri dönüşümünü mekanik ve/veya kimyasal yöntemlerle sağlar.

Katalitik konvertör (Shutterstock)

Motorlu taşıt araçlarından egzos yolu ile atılan zararlı maddeleri (yanmamış hidrokarbonlar, karbon monoksit, azot oksitleri) kimyasal tepkime yardımıyla zararsız hale getiren “katalitik konvertör” cihazı için en uygun katalizörün geliştirilmesi kimya mühendisleri tarafından gerçekleştirilmiştir.

 

 


Sürdürülebilirlik ve kimya mühendisliği

Sürdürülebilirlik, yaşamın dayandığı ekolojik süreçleri koruyarak ve gerekli doğal kaynakların devamlılığı sağlayarak hem şimdi hem de gelecekte tüm insanlar için yüksek bir yaşam kalitesini sürdürme becerisidir.

Yeşil mühendislik, ekonomik canlılık ve verimlilikten ödün vermeden, kirliliği en aza indiren, sürdürülebilirliği destekleyen ve insan sağlığını koruyan süreçlerin ve ürünlerin tasarımı, ticarileştirilmesi ve kullanılmasıdır.(Shutterstock)

Kimya mühendisleri sadece kaynakları daha verimli kullanacak veya zararlı atıkları azaltacak süreçler geliştirerek değil, öncelikle bu süreçleri ekonomik olarak elverişli hale getirerek sürdürülebilirliğe katkıda bulunur.

Kimya mühendisleri, alternatif enerji kaynakları üzerinde çalışır. Ayrıca, su kaynaklarını verimli kullanmak için su ayak izi (mal ve hizmetleri üretmek için tüketilen su miktarı) ile gerek hava kirliliğini azaltmak gerekse küresel ısınmayı önlemek için kullanılan karbon ayak izi (insan faaliyetlerinden kaynaklanan toplam sera gazı emisyonunun karbondioksit miktarı olarak ifade edilmesi) değerlendirmelerini yapar.


Araştırma-Geliştirme (Ar-Ge)

Kimya mühendislerinin çalıştığı sektörlerin (kimyasal madde üretimi, ilaç, enerji, elektronik, malzeme, vb.) yenilikçi ve rekabetçi yapıları vardır. Bu nedenle, söz konusu sektörlerdeki Ar-Ge faaliyetlerinin yoğunluğu diğer sektörlere göre çok fazladır. Üniversitelerde ve sanayi kuruluşlarının büyük merkezlerinde yürütülen Ar-Ge çalışmalarının başlıca amaçları, yeni ürün/sistem geliştirmek, maliyetleri düşürmek ve mevcut sistemle daha fazla çıktı sağlamaktır.

Ar-Ge mühendisi olarak çalışan kimya mühendislerinin sayısında giderek artan bir eğilim gözleniyor. Bunun doğal sonucu olarak kimya mühendislerinin lisansüstü programlara talebi artıyor.


Günümüzde kimya mühendisliği

Neredeyse 100 yılı aşkın bir zamandır var olan “kimya mühendisliği” adı, bu dinamik mesleği tanımlamakta artık yetersiz kalıyor. Kimya mühendislerinin işi sadece kimya endüstrisi, kimyasal tepkimeler ve kimya ile sınırlı değil. Günümüz kimya mühendisleri, insanlık için yararlı ürün veya sonuç üretecek tüm fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçlerle ilgilenir. Bunun doğal sonucu olarak ABD’deki Kimya Mühendisliği bölümleri adlarını son 15-20 yılda aşağıdaki gibi değiştirdi:

  • Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği (California-Berkeley, California-Irvine, California-Los Angeles, Clemson, Delaware, Georgia Tech, Houston, Illinois, Johns Hopkins, Lehigh, North Carolina State, Notre Dame, Ohio, Pennsylvania, Rice, Tennessee, Tulane)
  • Kimya ve Biyoloji Mühendisliği (Alabama, Buffalo, Colorado-Boulder, Colorado State, Drexel, Illinois Tech, Iowa State, Montana State, Rensselaer Polytechnic Institute, Wisconsin-Madison, New Mexico)
  • Kimya ve Biyokimya Mühendisliği (Iowa, Missouri Science and Technology, Villanova)
  • Kimya ve Malzeme Mühendisliği (Kentucky, New Jersey Institute of Technology, New Mexico State)
  • Kimya Mühendisliği ve Malzeme Bilimi (Minnesota-Twin Cities, Southern California, Stevens Institute of Technology)
  • Kimya, Biyoloji ve Malzeme Mühendisliği (Oklahoma)
  • Kimya Mühendisliği ve Biyomühendislik (Washington State)
  • Kimya ve Biyomedikal Mühendisliği (West Virginia)

Yukarıda verilen bu örneklere paralel olarak ülkemizde de Koç Üniversitesi’nde Kimya ve Biyoloji Mühendisliği bölümü bulunuyor.

İsmail Tosun
ODTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü


Farklı mühendislik alanlarını anlatan Sarkaç yazılarına ulaşmak için tıklayınız. 


Creative Commons LisansıBu eser (görseller hariç) Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır.  İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.


 

Notlar/Kaynaklar

Notlar/Kaynaklar
1 Gura, V., ve ark. (2016). A wearable artificial kidney for patients with end-stage renal disease. JCI Insight, 1(8). https://doi.org/10.1172/jci.insight.86397 ncbi.nlm.nih.gov