Der Chemieingenieur: Der Chemieingenieur: Ein Beruf des 21. JahrhundertDieser Projekt zeigt die Entwicklung des Berufes des Chemieingenieurs auf. Dabei wird zuerst in einem geschichtlichen Rückblick gezeigt, was die Aufgabe eines Chemieingenieurs in der Vergangenheit war und wie sie sich mit den Jahren entwickelt hat. Später wird auf das Berufsbild des Chemieingenieurs heute und morgen eingegangen. Dabei zeigt sich, dass Chemieingenieure auch in Zukunft gebraucht werden und dass dieser Beruf mit seinen vielen Herausforderungen und Möglichkeiten auch morgen und übermorgen interessant sein wird. In den Vereinigten Staaten gibt es heute ungefähr 60’000 praktizierende diplomierte Chemieingenieure, und über drei Millionen Personen sind in der chemischen Prozessindustrie tätig. Das Chemieingenieurwesen bildet zusammen mit dem Bau-, Maschinen- und Elektroingenieurwesen die Gruppe der bedeutendsten Ingenieurdisziplinen. Die materiellen Grundlagen unserer Gesellschaft basieren auf Prozessen und Produkten, die durch Umwandlung der chemischen Zusammensetzung und der äusseren Beschaffenheit von Rohmaterialien hergestellt werden. Die Verwirklichung dieser Umwandlung auf einer industriellen Stufe ist die Aufgabe des Chemieingenieurs. Ohne diese Errungenschaft wäre die heutige Gesellschaft nicht erkennbar, ja sogar unmöglich. Sie sind für unsere Nahrung, Unterkunft und Kleidung auf diese Prozesse angewiesen. Neben der Aufbereitung von Nahrungsmitteln werden Dünger und Pflanzenschutzmittel, Baumaterialien, Brennstoffe zur Beschaffung von Energie für Wohnungen und Transport, sowie Textilien für die Bekleidung, Farbstoffe, Putz- und Waschmittel, alle durch die verarbeitenden Industrien geliefert. Weitere Beispiele solcher Produkte sind Antibiotika und andere Medikamente, Kunststoffe und Materialien für die Photographie oder die Unterhaltungselektronik- und Computerindustrien.
Chemieingenieure von gestern – die Entdeckung der Einheitsoperationen
Die erste Vorlesungsreihe in Chemieingenieurwesen wurde in Manchester, England, im Jahre 1887, von George E. Davis gehalten und im darauffolgenden Jahr veröffentlicht. Ebenfalls 1888 wurde der allererste Lehrplan für Chemieingenieurwesen am Massachusetts Institute of Technology, USA, angeboten. George Davis schrieb: “mit wenigen Worten müsste ich einen Chemieingenieur als jemanden beschreiben, der ein Wissen in Chemie, Physik und Technik besitzt, und der dieses Wissen auch bei der Nutzung von chemischen Reaktionen im in industriellen Massstab anwendet.” Davis’ Definition gilt heute mit dem Zusatz von Mathematik, einschliesslich der Anwendung von Computern, als ein Partner von Physik, Chemie und Technik und im Bewusstsein, dass Elemente der Biologie bald diese Liste ergänzen müssen. Vor Davis’ Zeit wurde die Herstellung jeder Art von Chemikalien als eine separate Kunst betrachtet, deren Technologie unabhängig von anderem Wissen beherrscht werden musste. Er erkannte, dass gemeinsame wissenschaftliche Grundsätze auf die gleiche Operation angewendet werden können, unabhängig davon, in welcher Technologie sie stattfindet. Damit konnte das Heizen, Pumpen oder die Trennung einer Flüssigkeit unabhängig davon verstanden werden, ob diese Operationen in Schwefelsäure-, Farbstoff- oder Ammoniakherstellung vorkamen. Aus diesem Modell, Prozesse als eine Zusammensetzung weniger grundlegender Operationen zu verstehen, wuchs das Konzept von Einheitsoperationen. welche die Basis der raschen Entwicklung im Chemieingenieurwesen, besonders in den USA bis zum Zweiten Weltkrieg formte.
Berufsbilder
Die wichtigsten Tätigkeitsgebiete für Chemiker und Chemikerinnen sind die Forschung, vor allem die Entwicklung neuer Substanzen und Synthesewege; diejenigen für Chemieingenieure und Chemieingenieurinnen sind die Verfahrensentwicklung und die Produktion. Weitere Aufgabenbereiche sind – nach Eignung und Interesse – Analytik, Umweltschutz und Sicherheit, Patentwesen, Dokumentation, Marketing. Die Absolventinnen und Absolventen arbeiten an Hochschulen, in privaten oder öffentlichen Laboratorien, an Forschungs- und Versuchsanstalten sowie zu etwas mehr als der Hälfte in der chemischen Industrie. Auch in anderen Prozessindustrien werden sowohl Chemiker als auch Chemieingenieure benötigt, so etwa in der Metall- und Maschinen-, der Lebensmittel-, der Textil , Halbleiter und Elektronikindustrie und den kunststoffverarbeitenden Unternehmen – ganz allgemein überall dort, wo Stoffe erzeugt oder umgewandelt werden, oder wo stoffliche Wechselwirkungen eine Rolle spielen. Schliesslich finden die Berufsleute beider Ausbildungsrichtungen eine Vielzahl von Beschäftigungsmöglichkeiten im Handels- und Dienstleistungssektor, im Gesundheitswesen, im Umweltschutz, in öffentlichen Verwaltungen und im Lehramt. Wichtigste Voraussetzungen für den Chemikerberuf sind Freude und Interesse an chemischen Vorgängen, am Einblick in die vielfältigen Zusammenhänge zwischen chemischen Verbindungen und ihren Reaktionen sowie an den Überraschungen, die man im Umgang mit der Chemie stets von neuem erlebt. Die Beschäftigung mit Vorgängen auf molekularer Ebene erfordert die Fähigkeit zu abstraktem Denken. Für den Erfolg bei der Erarbeitung neuer Erkenntnisse sind Phantasie, Neugierde und schöpferische Begabung wichtig. Freude am Experimentieren ist unerlässlich. Dabei werden Eigenschaften wie manuelles Geschick, Sorgfalt und Beharrlichkeit sowie die Fähigkeit, Zusammenhänge zwischen den experimentellen Beobachtungen und den theoretischen Kenntnissen herstellen zu können, verlangt. Die Chemieingenieure und Chemieingenieurinnen interessieren sich in gleichem Masse für Chemie, Physik und Mathematik und deren Anwendungen auf Probleme von industrieller und gesellschaftlicher Bedeutung. Ihre Freude an den naturwissenschaftlichen Grundlagen wie auch an technischen Vorgängen und Systemen, zusammen mit ihren innovativen Fähigkeiten, erlaubt es ihnen, bei der Gestaltung und beim Betrieb von industriellen Prozessen erfolgreich mitzuwirken. Sie sollten ausserdem an ökonomischen und ökologischen Zusammenhängen interessiert sein.
AusbildungszieleStudiengang Chemie: Ziel ist die Ausbildung zum Forschungschemiker, resp. zur Forschungschemikerin. Die Vermittlung der Grundlagen der Chemie auf einer breiten Basis soll den Studierenden das wissenschaftliche Rüstzeug zur Verfügung stellen, welches sie für ihre berufliche Tätigkeit brauchen, und sie soll sie dazu befähigen, ihre Kenntnisse laufend dem Stand der Entwicklung anzupassen und sich in Teilgebiete der Chemie vertieft einzuarbeiten. Schwerpunkte der Ausbildung sind die Kenntnisse der verschiedenen Stoffgruppen, die Vertiefung der molekularen Betrachtungsweise und das Wissen vom Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften chemischer Verbindungen. Studiengang Chemieingenieurwissenschaften: Die Absolventen dieser Fachrichtung verfügen über die Kenntnisse, die zur Entwicklung und Durchführung industrieller Verfahren zur Gewinnung und Umwandlung von Stoffen notwendig sind. Das Ausbildungsprogramm misst den drei Gebieten Chemie, Physik und Mathematik etwa gleiches Gewicht bei und umfasst folgende Schwerpunkte: Vertiefung in den thermodynamischen, kinetischen und mechanistischen Grundlagen chemischer Reaktionen und physikalischer Vorgänge, Kenntnis der Prinzipien und Methoden für die Umsetzung chemischer Reaktionen in einem technischen Massstab, Übersicht über Planung, Spezifikation und Durchführung vollständiger industrieller Prozesse unter Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Aspekte.WeiterbildungDie wichtigste Weiterbildung nach dem Diplom ist das Doktorat, d.h. das selbständige Bearbeiten eines Forschungsprojektes in einem der chemischen Laboratorien. Da die Forschungstätigkeit in diesem Beruf eine zentrale Rolle spielt, macht die Mehrheit der Absolventen von dieser Möglichkeit zur optimalen Vorbereitung auf eine solche Tätigkeit Gebrauch. – Es besteht auch die Gelegenheit, nach Besuch der dazu angebotenen Lehrveranstaltungen den Didaktischen Ausweis für das höhere Lehramt in Chemie (Mittelschulen…) zu erwerben.Transportphänomene und Chemieingenieur-Praxis heuteIn den fünfziger und sechziger Jahren wurde vermehrt versucht, diese Einheitsoperationen wissenschaftlich zu erfassen. Ein grundlegenderes Verständnis der Einheitsoperationen konnte erreicht werden, indem man diese wiederum in einzelne Unterprozesse zerlegt, welche die Übertragung von Impuls, Wärme und Materie, oder die eigentlichen chemischen Reaktionen beinhalten. Wissenschaftliche Studien dieser Transport- und Reaktionsphänomene erlauben ein viel besseres Verständnis der Einheitsoperationen und die Fähigkeit, die Leistung im industriellen Massstab auf der Basis von gut gewählten Experimenten im Labormassstab zuverlässig vorauszusagen, womit sich oft kostspielige Untersuchungen im halbtechnischen Massstab erübrigen. Um eine grosstechnische industrielle Produktion einzuführen und zu betreiben, sei es in einer Oelraffinerie oder bei der Herstellung eines Vitamins, muss der Chemieingenieur Hand in Hand mit dem Forschungswissenschaftler arbeiten. Entwicklungsarbeit ist notwendig, um die industrielle Durchführbarkeit von im Forschungslabor entstandenen Ideen zu prüfen Der Chemieingenieur muss bestimmen, wie Reaktionen am besten im grossen Massstab durchgeführt werden können und die Auswirkungen von Veränderungen in Betriebsbedingungen voraussagen können. Er muss ebenfalls für die Vorbereitung der Rohmaterialien und die Abtrennung des Produktes von Nebenprodukten, Lösungsmitteln und anderen Materialien besorgt sein. Bei vielen Verfahren sind die notwendigen Apparaturen zur Produktaufbereitung viel grösser und aufwendiger als für die eigentliche Reaktionsführung. Der Chemieingenieur plant und führt Experimente im Laboratorium (einige Gramme) und in der Pilotanlage (einige Kilogramm) durch, auf jener Stufe des Verfahrens wo zusätzliche Informationen benötigt werden. Simulationsprogramme werden vermehrt angewendet, um die Gesamtleistung einer aus einzelnen Apparaten zusammengesetzten Anlage zu berechnen, die von den Rohmaterialien bis zu den Endprodukten führt. Die Resultate dieser Berechnungen helfen dem Ingenieur, den finanziellen Aufwand für Erstellung und Betrieb der verschiedenen Anlagenteile gegeneinander abzuwägen, Wenn dieser Verfahrensentwurf vervollständigt ist, folgen der detaillierte mechanische Entwurf der notwendigen Apparaturen und Pläne für deren Konstruktion und Montage. Der Chemieingenieur wird in die Planung und Überwachung dieser Arbeit miteinbezogen und wird spezielle Verantwortung für die Inbetriebnahme der Anlage übernehmen und sicherstellen, dass deren Leistung den Erwartungen entspricht. Neue und existierende Anlagen müssen im Interesse der Firma weiterhin höchstmögliche Leistungen erbringen. Ein zweites wichtiges Einsatzgebiet des Chemieingenieurs liegt in der Führung des Produktionsbetriebs. Führung ist notwendig, weil Systeme und die Umgebung in der sie betrieben werden, dauernd wechseln. Methoden für die Qualitätskontrolle, Lagerhaltung, Betriebszuverlässigkeit und Produktionsplanung sind vorhanden, die alle dem Manager behilflich sind, Änderungen zu bewältigen. Überdies muss er dauernd die Technologie und die Organisation für die er verantwortlich ist, verbessern.
Chemieingenieure von morgen – der Molekularingenieur. der Systemingenieur
Der Chemieingenieur muss in einer zunehmend komplexen Umgebung tätig sein. Die Erzeugnisse, die er herstellen soll, müssen immer anspruchsvollere Spezifikationen erfüllen. Wie die erforderlichen Eigenschaften erreicht werden können, zum Beispiel in einem neuen Polymer, verlangt Verständnis für die während der Kettenfortpflanzung des Polymers auf molekularer Ebene stattfindenden Abläufe. Auch die Eigenschaften anderer moderner Werkstoffe, wie Keramik und Verbundstoffe, hängen stark von ihrer Mikrostruktur ab. Viele chemische Erzeugnisse können nur wirtschaftlich hergestellt werden durch den Gebrauch spezifischer Katalysatoren, welche die gewünschten Reaktionen unterstützen und andere blockieren. Viele Reaktionen mit den heutigen Katalysatoren benötigen hohe Temperaturen und Drucke. Aktuelle Forschungsarbeit zielt auf die Identifikation von, Katalysatoren, die unter viel milderen Bedingungen eingesetzt werden können. Dies erfordert das Verständnis, wie sich die reagierenden Moleküle auf der Oberfläche des Katalysators verhalten. Arzneimittel werden entwickelt mit spezifischer Wirkung, welche auf eine genaue Anpassung der Form des Chemikalienmoleküls an die Form des Rezeptors auf dem Zielmolekül, auf welches es reagieren sollte, zurückzuführen ist. Auch das Verhalten neuer, supraleitender Materialien ist auf unerwartete Wechselwirkungen auf molekularer Ebene zurückzuführen Entdeckungen dieser Einflüsse werden von Physikern, Chemikern und anderen Wissenschaftlern sowie von Forschungs-Chemieingenieuren gemacht Damit diese Entdeckungen jedoch der Gesellschaft zugute kommen, müssen sie auf industrieller Stufe realisiert werden ob als Tausende von Tonnen Polymere oder supraleitende Keramik, oder als Hunderte von Kilogrammen neuer Medikamente, mit denen Tausende von Patienten behandelt werden können. Die Computer- und Elektronikhersteller in den Vereinigten Staaten erkannten die Notwendigkeit, für den Entwurf und den Betrieb ihrer Herstellungsverfahren Chemieingenieure einzusetzen, sodass in den letzten Jahren etwa ein Drittel der Chemieingenieur-Absolventen einiger bekannten amerikanischen Universitäten von solchen Firmen angestellt worden sind. Der Chemieingenieur ist für solche Aufgaben einmalig ausgerüstet. Er ist in der Lage, seine heutige Erfahrung in der Entwicklung, dem Übergang vom Gramm- zum Tonnenmassstab und bei der Inbetriebnahme mit fundamentalem chemischen und physikalischem Wissen zu kombinieren Prozesse, deren Produkte auf molekularer Ebene immer präziser definiert werden, müssen jetzt in den grosstechnischen Massstab umgesetzt werden. Die grundlegende wissenschaftliche Basis seiner Ausbildung wird dem Chemieingenieur ermöglichen, als echter Molekularingenieur, Prozesse, die auf Mikromassstab spezifiziert sind, auf Produktionsebene zu verwirklichen. Die durch die Transport- und Reaktionsphänomene beschriebenen Einheitsoperationen, mit welchen der Chemieingenieur vertraut ist, werden unter immer komplexeren Bedingungen betrieben. Komplizierte Wechselwirkungen zwischen vielen Komponenten können in Systemen gefunden werden, gleichgültig ob sie klein sind, wie das Verfahren zur Herstellung eines Megabyte-Speicherchips für Computer oder mittelgross wie im Fabrikationsbetrieb, wo die Herstellungsverfahren vieler Anlagen für effizienten Betrieb und wechselnde Kundenansprüche koordiniert werden müssen, oder gar grossmassstäblich, wie bei Verbrennungsprodukten, die sich in der Atmosphäre über Hunderte von Kilometern verteilen. Grössere Systeme können rein materielle Systeme sein, oder darüber hinaus auch die involvierten Menschen beinhalten, wie zum Beispiel Systeme für die Versorgung und Rückgewinnung von Energie, Wasser und anderen natürlichen Ressourcen. Ihr Studium verlangt die Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen menschlichen und technischen Systemen und der Art und Weise, wie Entscheidungen in der Gesellschaft getroffen werden. Die an den Chemieingenieur gestellten Anforderungen, sich mit diesen immer komplexeren und ausgedehnteren Systemen zu befassen, nehmen von Jahr zu Jahr zu. Es stehen ihm jedoch auch leistungsfähigere Werkzeuge zur Verfügung. Der Fortschritt wissenschaftlicher Kenntnis und die stark zunehmende Rechenmöglichkeiten erlauben die Losung von immer schwierigeren Problemen. Mit Computern können auch riesige Mengen Labor- und Betriebsmessdaten sowie aktuelle kommerzielle Daten gespeichert und analysiert werden. Das Wissen des Ingenieurs dient dazu, dass er die wichtigsten Informationen aus diesen Daten benutzt und sie vernünftig anwendet, um den Entwurf und Betrieb seiner Verfahren zu verbessern. Der Chemieingenieur ist sich von seiner Ausbildung her gewohnt, mit Systemen zu arbeiten; er stellt Komponenten zu einem vollständigen System zusammen, wobei jede ihre eigene Aufgabe erfüllt, um ein umfangreicheres Ziel zu erreichen. Eine chemische Anlage besteht aus Einheiten zum Mischen, Aufwärmen, Reagieren, Trennen und Reinigen, wobei er die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Einheiten innerhalb des Gesamtsystems ausgleichen muss. In der industriellen Praxis wird sein Systemdenken schnell erweitert, um menschliche Aspekte bei Betrieb und Führung mit einzubeziehen. Seine Ausbildung als Systemingenieur rüstet ihn aus für zukünftige Betriebsanforderungen vom Mikromassstab molekularer Wechselwirkungen bis zum Makromassstab sehr grosser Systeme, welche gelegentlich auch gesellschaftliche Komponenten einschliessen und sogar globale Dimensionen annehmen können. Im 21. Jahrhundert wird unsere Gesellschaft lernen müssen, die beschrankten Bodenschätze unseres Planeten wirksamer und nutzvoller anzuwenden, damit für die Bedürfnisse der gesamten Weltbevölkerung gesorgt ist. Neue und verbesserte Verfahren werden benötigt, um rare Mineralien aus Erz zu gewinnen. Abfallprodukte werden dank der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren zur Vermeidung der Abfallproduktion und durch verbesserte Verfahren bei der Abfallrückgewinnung reduziert. Die Umwelt wird von der abnehmenden Verbreitung und Ablage von Abfallprodukten profitieren, und der Industrie wird es zugute kommen, Grundstoffe zurückzugewinnen, weil die Gewinnung aus natürlichem Erz immer kostspieliger wird. Vermehrte Aufmerksamkeit wird eben falls der Trennung, Rückgewinnung und Wiederaufbereitung wertvoller Materialien aus den Abfallen der Gesellschaft geschenkt. Die Einwirkung der industriellen Aktivitaten auf die natürlichen Kreislaufe von Wasser und Energien und auf die Luft wird besser verstanden und damit berücksichtigt werden. Wenn natürliche Vorrate erschöpft sind, wird die Gesellschaft mit tragbaren Zyklen von Gebrauch und Wiedergewinnung von Materialien arbeiten müssen. Chemieingenieure sind ausgerüstet, einen Beitrag zur Erfindung und Bewirtschaftung solcher Zyklen zu leisten, die Industrie und Gesellschaft innerhalb unserer totalen Umwelt miteinander verbinden. Chemieingenieure, gleichzeitig als Molekularingenieure und Systemingenieure ausgebildet, werden vom Mikromassstab bis hinauf zum Makromassstab arbeiten. Für ihre auf die Bedürfnisse der Gesellschaft ausgerichteten Fähigkeiten wird auch im 22. Jahrhundert noch ein Bedarf vorhanden sein.