在我写化学工程的未来时，为了我自己于心无愧和声誉，我必须重申，我不会预测未来将会是什么。
人类的事情是如此繁琐，它的动机是如此的多，它的情况又是如此的错综复杂，以至于可以断言，对人脑来说要深七到未来是不可能的。如果明天发生一场毁灭一切的热核战争的话，那么我们今天最清晰的、最成熟的技术发展的景象将变得一无所有；相反，如果人类能够悬崖勒马的话，而关于这场战争所留下的灾难最确定的预测也将显得毫无意义。
所以，带着这些说明，我试着探讨下一世纪的化学工程。
核聚变能
技术的新领域无论在什么时候发展，它们都将包括原子和分子。这些必须进行大规模的处理，那意味着化学工程也不可避免地包括在里面。
例如，到21世纪，人们可以更好地看到实用的、能控制的核聚变能的时刻的到来。
核聚变能将证明它比目前使用的核裂变能有更多的优点。它的基础燃料是氘，而不是铀或钚。人们可以很容易地得到大量的氘。它的量大到足以维持人类能在地球上一直生存。核聚变不像核裂变那样需要燃料有一最小量的“临界质量”，只要在某一时刻有微量的物质就能工作，所以失控偏差是不可能的。核聚变也不会产生核裂变所产生的大量的强辐射物质。
核聚变能可用于通常能量所用的所有领域，但是，核聚变能的一个相当简单的应用对于它自己来说可能是独一无二的。我们能设计一个“等离子火炬”，它是一个用核聚变能作动力的超高热的气体喷射器，它的热量高到足以气化任何物质，并且把所有的分子打碎，变成它们的原子组分。
它的价值在于它可以成为一个万能的垃圾处理装置。我们正生活在这样一个世界里，地球上的废物垃圾不断地变得令人烦恼，甚至变成了难以对付的问题，一般的生活垃圾能被生物降解，并且在生物圈中能循环回复到能用的状态。但是，某些化学废物是有毒的，而且会长期存在，某些固体废物不能被生物降解。我们已经到了这样的地步；有毒废物威胁着世界上水和空气的供应，并且使得我们这个行星处于危险的境地，因为我们正在迅速地用完我们用来堆放日益增高的固体垃圾山的地方。
等离子火炬能烧光所有的不能用通常方法处理的废物，并把它们转变成元素，将使得这些元素有可能重新进入到各种自然地质和生物循环中去。
当然，这也不是那样容易的，在用火炬燃烧废物时，能产生一种元素气体的混合物，它们中有些是有腐蚀性的，而且有毒性，人类必须设计一个用惰性材料制成的火炬燃烧室，它可以尽可能快地发生化学反应以除去毒性和腐蚀性。这个反应速度是如此的快，你不需使钠和氯蒸汽存在很长时间，只需很短的时间就可更好地把它们转变成氯化钠。
火炬燃烧室要设法设计成可以把产品分成可批量分离的材料。它将用于分离，最后得到的分别是黑色金属、有色金属和硅酸盐。
理论上，这些产品应该分离到它们能更进一步纯化，其中多数产品能重新利用的程度。用这种方式，地球上矿产资源的负担能大大地得到缓和。实际上我们并没有消耗掉地球的初级资源，我们只是开始消耗了地球资源的一部分。它们是由于地质变化过程浓缩了某些元素，最后使它们很好地混合，这样就难以再分离利用了。
纵观历史，自从人类发现了火以后，已经从燃料木材、煤、石油或煤气中获得大部分能量，所有这些已经表明含有碳原子和氢原子的有机分子与氧一起燃烧生成二氧化碳和水。
这个过程不是一个很危险的过程，因为对于植物世界来说，它把二氧化碳和水重新组合生成有机分子和氧气，通过消耗太阳能以维持平衡。
然而在本世纪，燃料的消耗速度不断加快，已经超过了植物世界使物质恢复的能力。现在大气层中二氧化碳的量已经慢慢地上升，它的含量大约为0.03%。
空气中更多的二氧化碳对我们的呼吸没有一点影响，但是二氧化碳有阻碍红外线的趋势。它会影响地球上的热量向外层空间扩散。结果过量的二氧化碳会使得地球平均气温略微有上升。它最终能导致冰川融化，这是地球气候变暖的一个标志。这就是所谓的“温室效应”。
但是，如果我们有了核聚变能，就会明显地减少使用由燃烧燃料产生的能量。另外，我们是否可能把空气不断地通入火炬燃烧室，分解二氧化碳分子，脱出氧组分，逐渐积累起碳呢？实际上，我们将可能重新制造煤了。这将是化学工程师的任务，他们要迅速地、有效地完成这个工艺。
用这种方法，我们绝对不可能在二氧化碳一排放到空气中就回收它们，但是在一个二氧化碳生成量只是很少的社会中，火炬燃烧室少量的回收就能足够地有助于改变温室效应。
太空中的工程师
在下一次人类环境的大扩展中，化学工程师将会遇到一个更大的挑战。
20世纪后半叶，人类首次进入了太空，把宇航员送上了月球；探索火星和金星的表面，还探索水星、哈雷彗星、木星、土星和天王星最直接的信息。到本世纪末以前，旅行者2号还将送回有关海王星的信息。
在21世纪里，如果地球上各个国家能减少彼此间的敌意和猜疑，对巨大的非军事工程项目进行合作，就有可能以永久的方式进入空间去探索它、开拓它。
第一步无疑将是长期的载人空间站，当然人员可以替换，它能在太空中完成各种不同结构的建筑。这些可能包括太阳能空间站、观察站、实验室、工厂和居住区，尤其是居住区，它们中每一个可能成为1万人能长期或短期居住的家。
自然，很难想象从地球上已经很紧张的资源中得到用于这些结构的材料，并且主要依靠化学燃料火箭的推力把它们全部从地球表面送入空间。
现在，月球表面还完全没有被用过。它是一个完全没有生命的世界，所以甚至我们最伟大的空想家也不能争辩说月球是属于有生命形式的。它是一个巨大的世界，它的表面积相当于北美和南美的面积之和，但它还是远远小于地球，这样它的逃逸速度只有1.5英里/秒，相比之下地球的逃逸速度为7英里/秒。
这表明把月球表面的材料送入空间，它所耗去的能量比把它们从地球表面送到空间要少得多。月球上没有大气，在这方面它还有一个好处，就是不用克服空气阻力和大气的粘滞力。
确实，许多理论研究已经表明假设用电磁推力把大量的月球表面的材料送入空间是切实可行的，这种电磁推力就是通常所说的“物质发动机”，它是以太阳能为动力，而太阳能在月球上则是富裕的。
月球材料在太空能冶炼生产成不同结构用的金属，如铝、铁、钨、钛等等。用其他的方法处理，这种材料还能生产水泥、混凝土、玻璃和氧气。月球上缺乏的，又是非常需要的材料是碳、氢和氧，而在找到这些材料的代用品以前，地球能毫无麻烦地供应它们。
但是，在冶炼和另外处理这些月球材料时，在空间我们必须有#规模的化学加工工艺，并且要由化学工程师来设计毫无疑问，由于在空间是完全没有重力，并且有着无限的真空和太阳的强辐射，所以这些设计将明显地有别于地球上那些类似的结构。
例如，太阳能空间站需要数平方英里的把光转换成电的光电池，毋庸置疑，这些光电池必须在太空里制成。在太空里冶炼和焊接能使得物质含杂质更少，相比之下地球上高真空存在时间很短暂，它的值小，而且要花费大量的能量。这样很可能得到延续时间更长、更便宜、效率更高的电池。直到我们发现化学工程师究竟怎样利用太空的非同寻常性能的优点来生产我们所需的材料时，我们才能判断太阳能空间站的价值。
自然，太空也有它的短处。它是一个满是尘埃的场所，每个砂粒以每秒数英里的速度运动着，结果碰撞留下了它们的痕迹。确实，至今人们在探索太空活动中已经产生了大量的废弃的卫星和卫星碎片，太空中还确实存在着无数个高速运动的油漆和铁锈颗粒，所有这些都提供了受损害的机会。如何把电池设计成能够将超原子粒子碰撞或从太阳发出的高能太阳风亚原子粒子冲击的危害减到最小值，将是化学工程领域的一个主要部分。
在太空设计工厂将是一个更加艰巨的工作。直到现在，我们的工厂还都在地球上。这意味着在地球生活中伴随着工业化而产生的危害（火灾、爆炸等等）必定会发生。甚至，把工厂搬到远离人口密集区的地方，它们仍然会对植物、土壤、水和大气产生危害，毫无疑义人类生活必须依靠这所有的一切。实际上，化学废物的毒性可能威胁我们。甚至少量的化学品也能有很大的影响，例如，工业烟雾会转化成酸雨，含氯氟烃影响着臭氧层。
当然，我们不能毫无理由地期望把我们的工业抛弃掉，并且“回归自然”。不幸的是，由于工业化已经使我们有可能以更快的速度利用地球资源，并且由于存在着我们可以去建立和联系世界经济的更加复杂的方式，地球上人口已经增加到50亿。
在世界工业化以前，地球只能维持不到10亿人，而这些人的生活水准并不高。假设我们现在考虑不搞工业化，我们就等于要告诉自己，让其中的40亿人离开地球，而在试图决定哪40亿人离开的这场混战中，我们所有的人都会死去。
合理的选择是尽可能多地把我们的工厂搬离地球生物圈，即离开地球进入空间。用这个方法，工业将从我们中间消失（至少部分消失），但是它还没有全部消失。它只是在几千英里以外，一直高悬在我们头上。
我们能把工厂设计成能大部分自动化，像我们的火箭探测器一样能远距离操纵而不大需要人的保养和维修。
由于太空有不寻常的性质，许多人已经在推测有发展新的技术的可能性。例如，太空中人们感觉不到的重力作用会使得生产更完美的滚珠轴承成为可能。太空中存在着的太阳强辐射，使得某些工艺更容易，有的则更困难。可是，地球上由于大气层的过滤作用，这些辐射是到不了地球表面的。
但是，所有这些可能性还将需要严格的和牢靠的大规模的工艺才能达到太空的要求。人们能够把“轨道化学工程”设想成工程师们将应付所有新情况、正视新问题的领域中的一个新的、广阔的部分。
生物工程
如果轨道化学工程有希望成为21世纪吸引人的课题之一的话，那么生物化学工程一定会更密切地影响我们。
化学家和化学工程师必须涉及到的分子中没有一个像在活组织中发现的分子那样复杂，有时它还是很精细的。这些有机分子中也没有一个像蛋白质和核酸这样复杂和精细。
这两类分子中每一类都是聚合体，相关的小单位沿着链的方向从几十次直到几千次地重复自己构成了长链。就蛋白质来说，它的小单位是20种不同的氨基酸；对于核酸来讲，则是四种不同的核苷酸。
如果我们先来研究蛋白质。每种氨基酸由一个三原子（一个氮原子和二个碳原子）链构成（N-C-C），中间一个碳原子上附有一个侧链，不同的氨基酸其侧链是不同的。有的侧链小，有的侧链大；有的带有一个电荷，有的则没有。带有电荷的，有带正电的，也有带负电的。
一旦氨基酸串联在一起，它们会交迭成一个三维的分子，氨基酸侧链会形成一个团状的、不平的表面，表面上到处分散着正、负两种电荷。
氨基酸每种不同的排列产生了一个独特形状的表面，而氨基酸不同的排列的数目是不可思议的。
如果你只是以20种不同的氨基酸中的一个开始，你能把它们以2.4×1018 以上的排列方式，每种排列产生了一个形状稍有不同的分子。
可是，真正的蛋白质分子是由20多种氨基酸组成，每一种蛋白质中氨基酸的数目又是不尽相同的。血红蛋白分子能够把它的氨基酸作10640种方式排列，这个数目是如此地大，以至于物质世界中没有一样东西可以与之相比。但是在这10640中只有一种能完美地工作。
有的蛋白质是结构物质，它们组成头发、皮肤、结缔组织。最重要的蛋白质是酶，它们是催化剂。每种酶有一个独特的表面形状，使得一个特殊的小分子能刚好镶嵌在这个表面的某一部位。这个小分子与酶结合，在适当位置上被抓住，用这种方式，它能容易地与其他分子结合，进行化学转变——这个转变比起在酶的表面上来它进行得很慢或者一点也不发生。一旦化学转变已经发生，反应产物不再镶嵌在它的表面，于是被释放出来，为另一个分子腾出空间。
每个活细胞有几千种不同的酶，每种酶能够引起不同的化学反应。由于这些酶的存在，细胞就像一个蜂窝，在里面所有的蛋白质会一起迅速地发生连锁反应，维持着生命的化学反应。
可能存在的酶的数目是巨大的。这是因为不同的结合形式的酶的种类是各不相同的，它们的1~2千万个种类已经在地球上发展直到永远。这是因为至今有200万种不同种类的酶仍然存在于地球上，并且还要进化到未来，这也是因为酶的种类中每个不同的个体在酶和酶反应中稍有不同，所以没有一个人是完全相同的（不考虑同生兄弟、姐妹）。
每一个细胞含有脱氧核糖核酸（DNA），这种DNA在细胞每次分裂时能产生一个精确的复制品，因为这个原因可产生一个种类的特性酶或一个单一的特性酶。
这些DNA分子的不同部分，核苷酸的不同的排列次序（基因）含有酶中氨基酸排列次序的信息。每一个基因表明了一种特性酶的生产。
酶比起它们必须显示出的催化功能来要复杂得多。它的工作部位是它表面上由几种氨基酸组成的一个活性部分。人们已经弄清楚了其他可能的大分子只有一种分子类型适合它的表面，酶自己也适合于其他的酶，这样它将在整个体系的协调下进行工作。
但是，人们能设计一个可以模拟酶的活性中心形状的小分子。这样一个小分子可与海时催化活性一模一样。可是，这个小分子不能以酶那样快的速度进行工作，它也没有像蹿有那样精确的选择性。但另一方面，它比酶更稳定，能够忍受更剧烈的处理。
1987年，三位化学家D. J. 克拉姆（Donald J. Cram）、C. J · 佩德逊（Charles J. Pederson）和J. M. 莱恩（Jean Marie Lehn）由于他们的模拟酶分子的工作获得了诺贝尔奖金。现在只剩下人们将它们应用到大规模工业化的催化工艺中去，这必然成为化学工程师的目标，他们将设计几十个或者几百个大规模的反应，用有机催化剂来代替今天常用的金属粉和酸。这个工艺比现在所用的要更温和、更快、更便宜，我们还将拥有许多我们今天还没有的能快速催化、令人满意的催化剂。
化学家们也正学着测定核苷酸在基因中存在时的性能和排列次序，实际上他们一个原子一个原子地了解了整个结构。这样做展现了这种可能性：它不仅能发现一个特殊的基因是有缺陷的，而且也发现了缺陷在于某些遗漏的或过剩的或排错的或畸形的核苷酸，再者，这使得人们可以设想这个时刻会到来，到时候基因能被校正和修改，并且能减轻用其他方法治不好的病症。
这似乎不适用于化学工程方法，到这个时候人可以说一个缺陷基因必须精确地修正，并且把它调整到一个单一状态。
但是，人还可以设想一个更一般的情况。
存在于所有活有机体细胞中的不同的基因数目是相当大的。毫无疑问，你有着完全不同于其他有机体的基因，同样不同于我、他、她、附近的野兔、橡树、草的叶子。
然而，所有那些确实存在的和已经存在于一个有机体或其他有机体中，并且在其中很好地起作用的不同的基因比起那些可能存在的所有的基因来，只要想一下血红蛋白分子，其数目是相当微小的。
可以确定，如果我们把核苷酸任意地放在一起来设计基因，大多数基因将产生那些没有酶性质的蛋白质。尽管如此，有时甚至仅以小规模的方式，这些存在的基因就足以能产生几百万个种类和数不清的各不相同的个体。
然后，在某种条件下一定有许多数目的基因，这些基因能够生产酶，这些酶可以进行工作，并且是有用的，但它们从没有出现过，或者是只短短地出现过，但由于死得太快在进化中以至于没能留下它们的痕迹。
试图构造这些基因，并且观察这些基因将会形成什么样的酶，以及那些酶（如果有的话）将催化什么反应，这所有的一切都将是有趣的。显然，我们不可能有机会始终研究所有的可能的基因。如果宇宙中每一个原子是一位探索科学家的话，如果它们中的每一位每一秒钟通过整个宇宙存在物能够形成和研究一种新的核苷酸排列，这些一直在生产的基因的数目几乎不能与现存的所有的基因数目相比。
人们将有可能足够地了解到在计算机中基因和酶确实能创造新品种，还能设计出有一组基因的有机体的物理外观、生物化学和生理学性质，这个有机体中某些性质或者全押性质在现实中是不存在的，或者是虽然存在，但它以前从来没有用这种特殊的次序排列过。
用这种方式，我们能用计算机处理进化，并且能沿着似乎对我们有用的方向探索它可能的踪迹。
自从最早的原始细胞或多或少用断续的方式形成以来，直到现在，进化已连续地进行了三十五亿年。转变已经无规则地发生，自然选择力在这些转变中进行选择，并且沿着巨大的分枝和途径推动生命，而生命只是在有用的、被允许的转变范围内才得到了发展。
或许那会延续到某些生命形式足够地聪明、技术足够先进，在我们所希望的途径方面可以有意识地指明进化的程度，利用深谋远虑的打算来选择转变。这个途径可能是个错误的选择，并能导致灾难，但人们确信这不是不可避免的。至少有一个机会我们能变得聪明起来，做事更公平。
这可以与人类历史中某些已经确实发生的事相比。类人猿第一次用它们的后腿站起来的几百万年以后，由于失败和失误，他们在技术上发展得很慢。最终当现代科学发展的时候，人们能够有意识地沿着经过选择的技术路线取得进展。或许，从石器时代发展到蒸汽机一共花了近二百万年，而从蒸汽机发展到火箭飞船在月球着陆只花了二百年。我们不知道我们是否傻到在选择用核武器来毁灭自己的道路，然而，这确实不能强迫我们。我希望我们能选择明智的决定。
同样，如果某人从未来的高处朝后看，人们可以看到人类从踉跄的孩提时代最终到达了目前的成年时代，并且还能发展到我们目前几乎不能想象的光明的地步。
但是，在这种情况下，化学工程将在哪里起到它的作用呢？确实，可能不需要长的时间，我们就能达到用计算机处理进化，并在某些三维空间中对它进行研究的地步。但在我们能达到这一地步之前，我们必须更多地了解我们目前已知的基因。
我们必须更加努力将基因的分析，新的基因的合成，从基因到酶的转化，对新的和可能的酶变成大规模的研究。这就是我所说的生物化学工程。
至于这个怎样能完成，我没有最模糊的观点，但我也不是一个化学工程师。我相信，将来化学工程师会设计出大规模的研究基因的方法，并为它的计算机应用打下基础。
前面我所描绘的宏伟景象，到二十一世纪末也可能不会到来。事实上，在我那谨慎的心中感到它不会到来。但是至少已有了开头，至少在下一个世纪里，基础化学工程将日益增大。
[Chemical Engineering Progress1988年1月]