臺灣化學教育

國小學生製作科學玩具「整人墨水」

江志宏^{1, 3,} *、張自立²、辛懷梓²

¹國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
²國立臺北教育大學自然科學教育學系
³新北市立新莊區民安國民小學
*[email protected]

n  前言

「自然課」與「趣味科學實驗活動」都同屬於科學領域方面的課程，然而對國小階段的孩子們來說，這兩種課程是截然不同的。在學校幾乎所有的孩子們都很喜歡玩科學玩具、熱衷於動手操作趣味科學實驗，但是孩子們卻不見得都喜歡上自然課。當然我們都很清楚，這並不是一個好現象！在趣味科學實驗活動的背後，是許多學校自然課程內容的知識延伸或應用，自然課跟趣味科學實驗活動也許本該就要「混為一談」，因為兩者之間是互相有關聯的。究竟是什麼原因造成了孩子們對這些課程反應產生了差異？值得我們深思。

另外，筆者認為還有一個更嚴重的問題是「老師到底教會了孩子什麼？」在教育部所頒佈的自然與生活科技之分段能力指標中提及—「科學是經由探究、驗證獲得的知識的過程」。探究、驗證其實就是一種科學方法，「如何去觀察到現象？」、「如何從現象中提出假設？」、「如何將假設設計成實驗？」…等等，這些科學方法是我們應該要教會孩子的能力。但不管是學校的正式課程，或者是每年寒假、暑假必定場場客滿的科學營隊，在這些課程中，孩子們是否真的學會了這些能力？我想答案是否定的！許多學校的自然課常淪為知識背誦活動；人滿為患的科學營隊，也常淪為孩子們的一種遊戲活動—孩子們只是在「玩實驗」。

當然，「科學知識（技能）」的重要性是無庸置疑的；而「趣味科學實驗」活動本身也具有「能高度引起學生興趣」的優點。於是我嘗試將兩者結合，並以新莊區某國小六年級班級學生共24人為對象，班級中每4人一組，共分為6組，結合了「整人墨水」與「科學實驗設計」，並實際在學校進行教學、紀錄。

n  「整人墨水」介紹

「整人墨水」是一種藍色液體，在接觸空氣一段時間後，顏色會慢慢轉為透明無色。通常會將整人墨水噴在別人的衣服上，造成衣服被暫時染色，達到「整人」的目的。

ø墨水成分

氫氧化鈉、酒精、百里酚酞、水。（百里酚酞可在化工材料行購得，25 g裝約1000元）

ø變色原理

百里酚酞：是一種鹼性指示劑，pH值9.3（無色）～10.5（藍色）。

藍色整人墨水：溶解百里酚酞於酒精中，並加入氫氧化鈉水溶液。

空氣中的二氧化碳溶入墨水中：，是碳酸（弱酸）。

碳酸與氫氧化鈉酸鹼發生酸鹼中和反應：藍色百里酚酞（pH > 10.5）→ 無色百里酚酞（pH < 9.3）。

n  課前準備

ø準備時間：40分鐘

ø配製溶液（全班共用）

1.      500 mL的氫氧化鈉溶液（0.01%）：取0.05 g的固態氫氧化鈉，放入一個錐形瓶中，加水至500 mL，攪拌均勻。

2.      50 mL的百里酚酞酒精溶液（0.2%）：取0.1 g的百里酚酞粉末，放入一個燒杯中，加酒精至50 mL，攪拌均勻。（見圖一）

3.      參考配方：10 mL的氫氧化鈉溶液（0.01%）與0.5 mL的百里酚酞酒精溶液（0.2%）均勻混合。（變色時間約90~120秒）（見圖一）

 

圖一：百里酚酞（左），整人墨水成品（右）

ø器材準備（各組使用）

試管架 1個、試管 4支、塑膠滴管 6支、量筒（20 mL） 2支、碼表 1個、衛生紙 1張。

n  教學活動設計

ø引起動機

示範科學小玩具－整人墨水

ø發展活動

活動一：水溶液的酸鹼性與pH值

1.        介紹在科學上表示酸鹼濃度的單位—pH值。（見圖二）

2.        概略複習、說明水溶液的酸鹼性質。（見圖三）

圖二：pH值介紹

（右圖來源：http://goo.gl/RkECem）

活動二：pH值的測量

1.        酸鹼指示劑的介紹。

2.        鹼性指示劑—百里酚酞。（見圖三）

 

圖三：說明溶液濃度計算及稀釋溶液的方式（左），百里酚酞介紹（右）

活動三：整人墨水

1.        整人墨水的製作與原理。

2.        實驗—整人墨水的變色等待時間。

ø綜合活動

活動四：實驗結果與討論及分享。

1.        實驗成果發表。

2.        反思與學習單的填寫。

3.        實驗器材的收拾與整理。

n  學生實驗操作過程

課程進行的過程中，有一部分的學生小組順利在計算過質量濃度後，調配出所需要的NaOH水溶液；但有一部分小組的學生無法在課堂中掌握質量濃度的計算方式，因而造成實驗的過程中，配製NaOH水溶液的部分產生了困難。

為了要解決這個困難，計算出現困難的學生小組在實驗設計的部分做了調整，他們將操作變因「NaOH水溶液濃度」調整為「加入NaOH水溶液（0.01%）的水量」，因此降低了實驗的難度。

在此情況下，學生的實驗操作就分為兩大組同時進行，A組：具備質量濃度計算能力的小組。B組：對質量濃度計算產生困難的小組。學生實驗操作過程如圖四和五所示。

 

  

圖四：器材使用方式說明（左），小組進行實驗設計討論（中），實驗溶液調配紀錄（右）

  

圖五：稀釋氫氧化鈉溶液（左），配製墨水（中），變色時間測試（右）

n  學生課後回饋

在課程結束後，筆者發下課後學習單讓學生進行填答，以作為教學者日後改進教學的參考。學生的學習單填答內容摘錄如下：

學生a：喜歡。因為在這堂課中我學到很多沒聽過的東西，像是百里酚酞、質量濃度…等。

學生b：不喜歡。因為質量濃度十分難算。

學生c：我學會計算稀釋溶液的方法，並能實際動手操作。

學生d；我還是不清楚整人墨水的變色原理，為什麼會變成透明無色？

從問卷的回饋中可以發現，大多數的學生非常喜歡整人墨水的實驗，喜歡本實驗的原因不外乎能學習到課本以外的科學知識、可以自己動手製做出市面上商品化的玩具以及實驗本身的效果；但也有少數學生因為面臨質量濃度計算的困難而感到興致大減。

另外，學生在這堂課中也理解了溶液酸鹼值與pH值間的關係、溶液稀釋的方式以及實驗遭遇瓶頸時的應對方式；但在質量濃度的計算方式以及百里酚酞變色的原理，學生還是充滿了許多疑惑。

n  課程實施問題與困境

本次教學活動設計，可區分為「酸鹼概念的說明」、「實驗設計撰寫」、以及「實驗操作與紀錄」三個部分，完成整個教學活動大約需要三節課的時間。若再加上器材、藥品的準備時間，建議要預留半天的時間以便課程能完整進行。以下依照三項活動的課程內容和實施困境描述之。

n  課程設計修正

針對前述的問題，修正課程設計如下：

1.        可簡單的用化學反應過程，解釋酸鹼指示劑在酸鹼中的變色現象。

2.        更詳盡的說明「酸鹼」與「pH值」的定義，更緊密連結兩者概念。

3.        讓學生練習濃度的計算，先從簡單的數字（整數）開始練習，再代入小數的濃度計算。

4.        詳細的介紹各器材的使用方式，並提示實驗技巧。（例如：墊一張白紙在試管架下，可直接將試管中的溶液濃度記錄在紙上）

5.        介紹「實驗誤差」的概念，並指導學生處理誤差的方式。

6.        可在課程中加入延伸的挑戰任務：指定各實驗小組不同的變色秒數作為目標，讓學生找出其比例。（例如：第一組在第30秒時讓墨水變色、第二組在第60秒時讓墨水變色）

n  結語

自然科學與其他學科在本質上有著一個很大的差異，就是有各種「現象」可供觀察。有些現象因為在日常生活中不易被觀察，因而在課堂上呈現時，能有效激發學生的好奇心與興趣。在本課程中，利用趣味科學實驗的現象（整人墨水的變色），引起學生的學習動機，再引導學生進行實驗設計、操作，不僅讓學生對未來的科學課程更有興趣，也提升了學生的科學素養與實驗操作的能力。

n  參考資料

1.        pH值，維基百科，https://goo.gl/ktcgML。

2.        臺灣酸雨資訊網，http://goo.gl/RkECem。

3.        百里酚酞，百度百科，http://goo.gl/v8on4D。

4.        質量濃度，維基百科，https://goo.gl/9586Cc。

n  謝誌

衷心感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104學年度碩士在職專班碩一課程—化學特論（一）的周金城教授及全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見。

n  附錄

附錄一、教學活動設計

 

附錄二、實驗課程學習單

實驗目的
組別	實驗組一
	實驗組二
	實驗組三
變因分析	操作變因
	控制變因
實驗步驟
預期結果
實際結果 （應變變因）

 

實驗記錄

附錄一、課後反思與回饋單

Q1：你喜歡本次課程嗎？為什麼？

Q2：在這次課程中，你有什麼收穫？

Q3：在這次課程中，你還有那些不懂的內容？

Q4：我還想說…

附錄二、上課PPT

下載：https://drive.google.com/open?id=0B5MoVWBFwnG_ZjZJWjkwOEhwN2s。

 

 

《臺灣化學教育》第十五期（2016年9月）

目  錄

n  主編的話

u  第十五期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

n  本期專題【專題編輯／陳郁文、童國倫】

u  新世紀的化學工程／陳郁文、童國倫〔HTML｜PDF〕

u  新世紀的化學工程：化學工程的重要內涵／呂世源〔HTML｜PDF〕

u  新世紀的化學工程：臺灣石油化學工業／李世陽〔HTML｜PDF〕

u  新世紀的化學工程：化學工程在製藥過程中所扮演之角色及其發展／李  度、李弘霖、李之穎〔HTML｜PDF〕

u  新世紀的化學工程：化學工程在生物科技上的應用與發展／孫一明、朱一民〔HTML｜PDF〕

u  新世紀的化學工程：電子材料與電子特用化學工程／竇維平〔HTML｜PDF〕

u  新世紀的化學工程：快速偵測與分析的實驗室晶片／莊怡哲〔HTML｜PDF〕

u  新世紀的化學工程：節能減碳相關新產業之發展／顧  洋〔HTML｜PDF〕

u  新世紀的化學工程：薄膜水處理技術／童國倫〔HTML｜PDF〕

n  教學教法／化學小故事【專欄編輯／洪振方】

u  拉瓦節的化學革命／洪文東〔HTML｜PDF〕

n  化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／廖旭茂】

u  加水來電：鎂電池／廖旭茂、廖心妍、黃家均、林群耀〔HTML｜PDF〕

n  教學教法／高中化學教學疑難問題與解題【專欄編輯／施建輝】

u  疑難問題集錦之一：有關離子安定性和分子偶極的問題／施建輝〔HTML｜PDF〕

n  新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／翁榮源¹、邱美虹²】

u  ¹化學教育者的天堂—參加2016 BCCE心得／翁榮源〔HTML｜PDF〕

u  ²參加ICCE 2016古晉行的過程和心得／傅麗玉〔HTML｜PDF〕

u  ²參加ICCE 2016發表論文感想／鍾曉蘭〔HTML｜PDF〕

u  ²參加ICCE 2016發表工作坊與心得分享／廖旭茂〔HTML｜PDF〕

u  ²高瞻計畫教師參加ICCE 2016的經過和心得／劉曉倩、蔡孟祐〔HTML｜PDF〕

n  新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／林靜雯】

u  國內外化學教育交流（第十五期）／林靜雯〔HTML｜PDF〕

 

第十五期 主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所教授
美國國家科學教學研究學會（NARST）理事長（President）
國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
[email protected]

自幼在中油高雄煉油廠長大的我，總是覺得煉油廠內那些矗立的大型燃燒塔就是我們這些油廠子弟的精神堡壘。不論是幼年往返嘉義和高雄之間拜訪祖父母，或是長大後在大學就讀自臺北返鄉，只要看到半屏山下那些冒著熊熊烈火的幾座中油燃燒塔，就知道家鄉已近，安全與溫暖的感覺不禁油然而生，那是一種返鄉遊子殷殷的企盼。

然而小時候在中油宿舍常會在下雨的日子聞到自廠內飄來刺鼻的異味，大一點才知道那些場內排放的廢氣會形成酸雨，除此之外其他環保的問題逐漸浮上台面，漸漸地形成了後勁事件，使得身為臺灣石油化學（簡稱石化）工業龍頭的中油高雄煉油廠，在反五輕運動之後，面臨遷廠、關廠的命運，最後在服役近50年後終於吹起熄燈號於2015年11月1日停工了。

究竟石化工業是什麼？簡單來說，就是把石油或天然氣變成材料（如塑膠、橡膠、纖維、化學品等），再將這些材料加工成為日常用品（如鞋子、輪胎、衣服、油漆等）的工業，舉凡食（如乳製品）、衣（如纖維）、住（如油漆）、行（如橡膠）、育（如印刷）、樂（如運動用品）、生老病死等皆與之有關，可見石化工業的產品越遍及於日常生活中，一般國民的生活水準也就越高 （臺灣中油公司網站，2016）。

那從教育的觀點來看人才培育，大學設立化學工程系（簡稱化工系）的目的是什麼呢？有的是強調專業知識與應用能力的培養，並兼顧科技創新、環境保護與社會永續發展（臺灣大學化工系）；有的是化工核心訓練及材料科學的專業知識，並著重在新興研究領域和尖端產業的應用（中央大學化工與材料工程系）；有的是強調奈米科技、生物生醫工程、光電科技、精密製程技術與能源暨環境科技等（清華大學化工系）；有的是能源技術與程序系統工程、生物科技與工程、高分子材料與工程、光電材料與奈米工程（成功大學化工系）；有的則是環境科技、燃料電池、高分子材料、光電材料、生醫材料（元智大學化工與材料工程系）；有的重視基礎化學工程知識外，並強調尖端材料與精密製程、生醫與生化工程及高分子與奈米科技之發展與應用（中興大學化工系）；還有的則是強化新能源、節能、環保、工安、衛生等教學目標（臺灣科技大學化工系）等。由此可見化學工程的研究與應用範疇相當廣闊，從生物科技、電子產業、醫用化學、能源工程、藥物、奈米科技等，從專業知識的基礎訓練到實務操作的結合，以推動化學工程的發展。

然因中學自然科學課程綱要多著重於基礎科學理論與原理的知識傳授，對於實務技能的培養較為忽略，更遑論基礎科學知識在應用層面的引介。若有，也通常不是教學的重點，使得學生對於這一門與生活息息相關的學問—化學工程的認識相當有限，也因而對於未來職業的選擇較難掌握，此次特別邀請陳郁文教授和童國倫教授共同擔任本期〈新世紀的化學工程教育〉專題主編，特邀國內專家學者撰文評介化學工程教育的範疇與其具前瞻性的未來，希望可以藉此讓中學教師與學生對這一領域有更具體的認識。

除此專題文章以外，本期還有洪文東教授的科學小故事、廖旭茂老師的影片介紹、施建輝老師的解題、以及數位出席國際純粹化學與應用化學聯盟（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）化學教育委員會的國際化學教育研討會（International Conference on Chemical Education, ICCE）的教授和中學教師就其出席研討會的心得為文分享，他們在大會中積極的參與態度、具創意的教案與實驗分享，都讓國際與會的學者與教師刮目相看，可見臺灣在職教師不斷自我提升與國際學者分享成果毫不遜色。希望未來有更多的中學化學教師可以參與這類型的活動。只要勇於跨出第一步，語言就不再是主要的阻礙了。

參考文獻

臺灣中油股份有限公司網站（2016），http://new.cpc.com.tw/life/classroom-more.aspx？id=4。

 

新世紀的化學工程

陳郁文^1, *、童國倫^2, *

¹臺灣化學工程學會（理事長）
²國立臺灣大學化學工程學系
¹[email protected]; ²k[email protected]

n  新世紀的化學工程

「化學工程」一辭的源起可從20世紀初的第一次工業革命談起，當時有些學化學的產業人士能夠用燒瓶、試管做出一些有實用價值的東西，當初稱之為應用化學（applied chemistry）。當初的小型工廠，把燒瓶換成大鍋子，生產較大量產品的工作，就是所謂的化學工藝（chemical technology）。為了追求短時間能有大產能，大量的生產自然而然地與機械工程接合，使工作越來越工程化，一個新的工程領域便誕生了，取了個名字叫「化學工程（chemical engineering）」[1]。

然而，一向標榜重視大量產的化學工程過了一世紀之後有了大轉折，這個世紀初幾個國際主要的大型化學工業公司為擺脫製造環境污染的形象，一方面強化製程（intensifying process）以減少生產大宗化學品（bulk chemicals或commodity chemicals）過程對環境的衝擊、另一方面提高對化學的依賴，轉向高附加價值之精緻化學品（fine chemicals）或是生技醫療相關之藥品或化學品。這一波轉型，讓一向著重連續大量生產之化學工業回頭檢視「少量多樣」之生產模式，而化學工程教育也把化學工程科學手法延伸至分子級之微觀領域（molecular scope），使化學工程教育逐漸朝向兩大核心分也: 一為程序導向（process-oriented）之化工程序工程（process engineering），另一為化學導向（chemistry-oriented）之化學產品工程（product engineering）。這些轉變顯示化學工程專業訓練的與時俱進演變彈性，也因此讓化工人除了在專精的石化業之外，也都能在台灣產業轉型的各個階段都扮演了重要推手的角色，如90年代起步的半導體產業、2000年接棒的光電產業，以及這幾年的生技起飛、再生能源與循環經濟等重點產業。成功大學前校長馬哲儒教授就曾打趣的說：「化學工程」是一個「界線不明，無所不在」的領域；化學工程師所學的不只可用在化學工業，在許多新興工業也很有用。

n  本期專題簡介

因此，本專輯特邀請國內專家學者執筆，分八篇介紹新興的化學工業，包含第一篇介紹何謂化學工程、教學核心及其與化學的關連、第二篇介紹高值化取向的新興石化產業、第三篇介紹化學工程在製藥過程中所扮演之角色及其未來展望、第四篇介紹化學工程在生物科技的應用及其未來展望、第五篇介紹化學工程在電子材料產業的應用及其所需電子特用化學品的開發與生產、第六篇介紹快速偵測與分析的實驗室晶片、第七篇介紹國際上節能減碳相關產業之發展狀況與未來趨勢、以及第八篇循環經濟催生下的薄膜水處理及回收再利用技術。期能讓讀者在浸淫化學領域奧妙的同時，能一窺新世紀的化學工程的演變。

n  延伸閱讀

1.      馬哲儒，「大學化工教育的檢討與因應」，化工，62(1)，4-8 (2015)。

2.      吳和生 等著，「化工與材料概論」，高立圖書，第二版，臺北（2015）

3.      吳和生 等著，「化學工程概論」，高立圖書，第三版，臺北（2007）

4.      呂維明，「大家來認識化工」，二版，五南，臺北（2010）。

5.      周更生 主編，「二十一世紀的新化學工程」，五南出版社，臺北（2007）。

6.      翁鴻山 主編 「台灣化工史」，五南出版社，臺北（2013）。

7.      新世紀的化學工程網：http://web.thu.edu.tw/smhsieh/www/Powerpoint-s/index.files/frame.htm。

 

新世紀的化學工程：化學工程的重要內涵

呂世源

國立清華大學化學工程系
[email protected]

n  化學與化學工程的區別

何謂化學工程？一個簡單且容易為高中生理解的說明方式，是從區隔化學與化學工程入手。從名稱上看，化學工程較化學多了工程。工程乃是用於處理大量或大規模事物之手段。對於有用的產品，要藉由工程手段將之大量生產，以能降低產品成本，讓眾多使用者能夠負擔、蒙受其益。此工程手段之使用於是區隔化學與化學工程。為能適當地使用工程手段，化學工程的內涵除了化學的核心知識外，更包含將大量物質從原料轉變成產品的相關知識。大量生產通常需藉由工廠的操作進行，其進行方式需是安全且無害於環境的，且其結果能產生利潤，以能長期經營。化學工程於是可以說是經由研究發展與工廠之設計、建造、操作以安全且無害於環境的方式生產有利潤的產品來服務人類社會的學問。

一項有用的產品在實驗室中發展完成後，需要藉由工程手段將之大量生產。其生產規模需由實驗室的毎天幾克等級放大到工廠的毎天幾噸等級。實驗室的研發可以不計血本，工廠的生產則必需降低成本、創造利潤、造福大眾。現今的生產成本除原料與製造成本外，也包含對環境衝擊所衍生的環境成本，例如廢棄物的處理、二氧化碳的排放等。實驗室的研發可以試管、燒杯、攪拌棒等小型器具進行，工廠的生產則需使用反應槽、輸送管線、熱交換器、蒸餾塔等大型設備方可達成大量生產。試想一個簡單的〝將A與B均勻混合〞的操作，在實驗室可以量筒、燒杯及攪拌棒輕鬆達成，但如果是在工廠要處理噸級的量，則非使用輸送管線、反應槽、攪拌設備不可，其相關設計與操作則是化學工程的重要內涵。這些大型設備的設計、操作與連結，配合適當的化學與生物反應，得以將原料大量生產成產品。這種藉由適當化學（生物）反應單元與物理操作單元之配合，以達成從原料到產品之大量生產目的的程序，稱之為製造程序，簡稱製程。化學工程的目的即在於此，發展、設計、建構、操作製程以大量生產有用的產品。化學工程師因精於此道，過去常被稱為製程工程師。

n  化學工程的內涵

化學工程的學習除了基礎的化學核心知識外，包括普通化學、有機化學、分析化學、物理化學等，還得加上達成大量生產目的的工程手段所需的相關知識。如果將化學工程粗略地分為〝化學〞與〝工程〞兩部分，則〝化學〞的部分包括探討一個程序能否進行的化工熱力學與探討一個程序能多快進行的反應工程。〝工程〞的部分主要經由物理操作以達成反應條件的設定，原料與產品的傳送及產品的分離與純化等。這些物理單元包括管線輸送、攪拌、流體化、旋風分離、熱交換、乾燥、蒸餾、萃取、吸收、吸附、過濾等，稱之為單元操作。這些單元操作進行的基本原理可歸納成動量、能量與質量之輸送，因此還需進行輸送現象課程的學習。可以說單元操作是輸送現象的應用，而輸送現象是單元操作的原理。前面提到，製程是化學工程的主體，如何將製程控制在最適操作狀態以取得最適操作結果，亦是一重要關鍵，因此需修習程序控制學。化學工程的修習，最後以一門總驗收的課程，程序設計，來結尾。學生需將之前所學習到的化學工程18式融會貫通，應用到一項產品的製造程序的設計，其所牽涉到化學（生物）反應單元與物理操作單元為何、如何安排與串連、其反應與操作條件如何設定、程序控制儀表如何建置等。另外值得一提的是，任何工程問題都牽涉到計算，因此微積分與工程數學（微分方程、線性系統、向量微積分等）之修習亦不可免。總的來說，化學工程之內涵牽涉到的不僅是化學而已，還要加上物理、生物與數學，是所有工程科系中對自然科學的基礎要求最完整的。對化學有興趣僅是適合念化工的必要條件，而非充要條件！圖一展現化學工程的整體修習內涵。

圖一：化學工程的修習內涵

n  化學工程的應用與省思

製造程序之發展、設計、建構與操作既是化學工程的拿手絕活，化學工程的應用自不僅限於化學產業。任何牽涉到使用製造程序以獲致產品的產業，都需要化學工程師。化學工程之應用與時俱進，從牙膏、肥皂、菸酒、石化到半導體、光電、生物技術、環境與能源產業都需要。現今人類所面臨的兩大生存危機，一為化石原料的過度使用，造成化石能源枯竭所產生的能源危機，二為二氧化碳過度排放所導致的全球氣候極端化與生態浩劫。發展乾淨的替代能源與減少二氧化碳排放是人類在本世紀必需積極從事且要成功突破的科技挑戰。不管是二氧化碳的減排、捕捉、再利用或是太陽能、生質能、氫能的發展，都是化學工程師能夠積極貢獻，也是責無旁貸的任務。有志之士，盍興乎來！

 

新世紀的化學工程：臺灣石油化學工業

李世陽

經濟部石化產業高值化推動辦公室（執行長）
[email protected]

n  石油化學工業簡介

什麼是石油化學工業？簡單地說，就是把石油或天然氣變成材料（如塑膠、橡膠、人造纖維、化學品樹脂等），再將這些材料加工成為日常用品的工業。日常生活中，汽、柴油、塑橡膠、輪胎、人造纖維、寶特瓶、塑膠袋、保麗龍到現今流行穿戴科技智慧衣著纖維、人工洗腎導管、PV太陽能發電元件、風力發電中風車葉片、汽車工業、航空工業、船艦遊艇、建築材料工業，林林總總。這些名詞在我們日常生活之中，從觸手可及可見的生活必需品到遙不可及無法觸摸科技產業產品，塑膠、化學材料與我們生活，密不可分。石化產品可說是無所不在，石化工業衍生應用（見圖一），提供我們一切生活方便所需食、衣、住、行、育、樂、生、老、病、死十大需求。這個產業仍不斷在研發進步，未來將更多應用在政府新倡導五大產業發展的關鍵材料所需。

圖一：石化工業衍生應用

（圖片來源：經濟部石化高值化推動辦公室）

石化產業範疇應用如圖二所示，由石油或天然氣製造出來的石化基本原料如乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等，經過特定製造程序，可先製得中間原料，此中間原料經過聚合（polymerization）、酯化（esterification）、烷化（alkylation）等製造過程可得各種塑膠材質（plastics）如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯（俗稱寶麗龍的原料）、PET（寶特瓶材質）與各種橡膠材料（rubber）、合成纖維（Synthetic Fibers）（尼龍、腈綸）材料及化學品如清潔劑、黏著劑、溶劑、肥料等。各種原料再經過塑膠、橡膠、纖維等特定的加工程序，提供現代生活科技產業不可或缺的材料。石化產業為國家工業發展的火車頭工業，是一切的產業材料來源的基礎。

圖二：石化產業範疇應用

（圖片來源：2014年IEK整理）

n  臺灣化學工業的發展概況

一、臺灣的石化工業起源與場域

回溯我國塑膠化學材料產業的發展源頭，主要是沿襲日治時代遺留下來的高雄煉油廠及臺灣肥料株式會社，民國50年代開始建立，從一輕、二輕輕裂廠開始，接著十大建設發展國家級基礎石化工業，建立「仁大石化工業區」與「林園石化工廠」、臺灣經濟步入起飛階段。經過60多年發展，主要的產業聚落分散於大高雄地區、雲林離島工業區（台塑麥寮六輕廠）、桃園、新竹、苗栗、頭份、彰化等各縣市。石化產業扮演臺灣經濟成長重要的推手。我國石化工業區分布概況如圖三所示。雖然北、中、南部各有石化聚落分布，但總體而言雲林麥寮六輕台塑體系與在高雄林園、仁武、大社泛中油體系石化中心，此二區域是臺灣兩個最大石化重鎮，供應臺灣化學材料工業中、下游產業所需原材料，佔整體臺灣石化產業產值三分之二。

圖三：我國石化工業區分布概況

（圖片來源：經濟部石化高值化推動辦公室）

二、我國乙烯的產能居世界地位

乙烯產能可以概稱是石化產業發展能力的指標，是石化工業導入民生工業與產業應用的起始。臺灣乙烯產能以台塑麥寮六輕生產300萬噸與中油系統新三輕廠與四輕、五輕廠生產150萬噸，兩者合計450萬噸，產能佔世界第10位。表一為2014年全球主要乙烯生產國家產能，表二為我國103年以前乙烯生產裝置。近期發生乙烯產能生產重大事件有：民國100年政府停建國光石化計畫，104年政府承諾中油五輕廠（高雄左營地區）運作25年後將遷廠，乙烯減產50萬噸。當今環保聲浪興起，民間普遍對石化錯誤不良印象，導致國內石化投資環境險峻，業者很難在臺灣繼續投資擴廠。最近十年來石化產業重大投資都在海外，如台塑集團在美國德州廠與興建中路易斯安那州頁岩氣乙烯輕裂廠。長春集團在新加坡裕廊島與大陸盤錦工業園區投資。中、下游產業在大陸與東南亞地區擴廠生產更是普遍。國內石化業者克服臺灣地區乙烯設廠拓展產能不足問題，以海外發展補足石化產業原料需求不足問題。

表一：2014年全球主要乙烯生產國家產能

（資料來源：2014 年石化高值化推動辦公室）

表二：我國乙烯生產裝置

（資料來源：2014年石化高值化推動辦公室整理）

三、我國化學工業產業規模發展

臺灣沒有資源，臺灣經濟過去一直仰賴進口原物料加工成產品再外銷，賺取經濟利益，石化工業也是如此。我國化學工業依照經濟部統計處廣義定義範圍包：皮革、毛皮及其製品製造業（13）、紙漿、紙及紙製品製造業（15）、印刷及資料儲存媒體複製業（16）、石油及煤製品製造業（17）、化學材料製造業（18）、化學製品製造業（19）、藥品及醫用化學製品製造業（20）、橡膠製品製造業（21）、塑膠製品製造業（22）。總體103年營業產值4.3兆，從業人員：41.6萬人，工廠數：~1.6萬家。各類別營業額、工廠數、就業人口與人均產值如表三全國化學工業產業概況。

表三：全國化學工業產業概況

（資料來原：103年經濟部統計處）

上、中、下游，將煉油、化學製品、塑橡膠原料、製品業含括在內，占製造業總產值25~30%，足見其產業影響重大。圖五為統計化學工業歷年佔總體製造業產值比例。若以狹義石化上、中游化學材料製造業定義（18），石化工業包含：基本化學材料製造業、石油化工原料製造業、肥料製造業、合成樹脂及塑膠製造業、合成橡膠製造業、人造纖維製造業。化學材料製造業年產值~2.14兆，略大於我國政府年歲出預算1.9兆。

圖四：化學工業歷年佔總體製造業產值比例

（圖片來源：經濟部工業局）

四、化學材料製造業市場，以外銷出口為導向之工業

我國石化上中下游產業完整，除石油需進口外，從原油煉製到輕油裂解乙烯，各種化學品單體、塑橡膠原料製品到支援民生工業需求，整體產業發展完整，表四為化學材料製造業概況(18)。上游石化原料以自給供應為主，中、下游衍生化學品、塑膠原料產品除自給外，也肩負外銷促進經濟發展的主要任務。我國大宗石化塑膠產品主要以出口為主（見圖四），表五為2014年我國大宗石化產品出口比例與出口中國大陸情況，石化產品主要生產泛用塑膠等石化原料，且以中國大陸為主要出口市場，但中國大陸近年積極擴建產能提升自給率，加上我國石化品主要以中國大陸市場為出口地（約占出口量之63％），並以五大泛用塑膠通用級產品與人纖原料為主，市場過度集中成為我國石化業隱憂。

表四：化學材料製造業概況(18)

（資料來原：102年經濟部統計處）

圖五：2014年我國大宗石化產品各地區出口比例

（圖片來源：經濟部石化高值化推動辦公室）

 

表五：2014年我國大宗石化產品出口比例與出口中國大陸情況

（資料來源：103年經濟部統計處）

n  我國石化產業的問題點

一、長期以來缺少重視研發到現今高值化轉型

臺灣過去塑膠化學產業原料多以技術引進，技術輸入後，較重視Know-How及製程技術改良，少有上、中游原料端自主技術研發。產業由末端下游製品量的需求，帶動上、中游原料廠的投資興建。民國100年政府宣布停建國光石化後，塑膠化學材料產業進入另外一個產業發展的階段，從過去的重視擴張產能積極發展海外市場版圖，轉向產業高值化發展。政府推石化塑膠產業高值化策略發展，擬定「量在外、質在內」的發展策略。除成立「經濟部石化產業高值化推動辦公室」，協助國內石化塑膠化學材料產業配合政府政策，朝向高附加價值之方向發展。化學材料業界近年來投入開發有最先進的光學透明材料環狀嵌段聚烯烴共聚物CBC (cyclic block copolymers)，開發引進陶氏化學專利技術自行研發量產，做高級光學手機鏡頭與顯示器光學膜。自行研發超大尺寸電視面板（> 60吋電視）用改質聚苯乙烯透明材料、各種可再生回收的特殊熱塑性彈性體橡膠，可以用在電子、汽車工業、軟性醫療包材。關鍵PI（聚亞醯胺）軟板材料的原料單體開發，PI軟板應用在手機、iPad產業極為普遍，未來先進的ICT產業、國防工業所不可或缺的材料。

二、東南亞、大陸、中東興起競爭

近年來，我國塑膠化學產業面臨多重威脅，外在方面包括中東、中國大陸、東南亞等新興國家快速增建輕裂廠，造成全球塑膠化學材料業產能過剩壓力；中東產油國沙烏地阿拉伯投入輕裂廠生產乙烯，併購石化中下游原料廠。中國大陸十一五、十二五政策發展下，不斷擴充石化產能，逐漸填補內需缺口，臺灣石化產品已漸漸喪失其在中國大陸市場原有之版圖。新加坡、馬來西亞、泰國等東協國家，也逐漸發展石化工業，挾帶低成本與貿易優惠等優勢，加入戰局。美國以頁岩氣為進料之成本優勢，對傳統以輕油進料裂解生產之廠商帶來很大的競爭壓力。

三、環保壓力沉重，擴廠困難

內部方面，產業總體缺乏國土規劃、國際環保風氣興起、環保聲浪高漲引發民眾抗爭、民眾對產業不友善，缺水、缺電問題，而下游產業方面面對人工薪資高，終端製品加工產業外移，逐漸衝擊我國塑膠化學材料產業總體發展。過去量大生產，忽略環境成本的方式需要改變，要考慮更多環境、生態成本，著重污染防治處理與綠色生產製程，才能擺脫被新興國家追趕的窘境，進而開發一個經濟、生態發展並重的新經濟體。

n  石化產業發展的趨勢

一、頁岩氣衝擊影響產業結構，多元進料是產業趨勢

傳統石化產業以輕油裂解製程生產乙烯、丙烯、丁烯與芳香烴。各種輕裂後比例依製程進料不同，得到不同成分比例產品（見表六）。近年來石化產業進料逐漸趨向於多元化，例如以頁岩氣為主的乙烷脫氫，變成乙烯。成本元低於過往用輕油裂解乙烯，據估計每噸乙烯生產可小於400美元，遠低於目前輕油成本。未來石化輕裂廠製程，須朝向多元進料方式生產。適時轉換有利進料方式，才能擺脫新興頁岩氣競爭。

表六：不同進料石化單體成分產出

（資料來源：CE Delft 2013）

二、新興科技支援新材料運用須不斷發展

石化上游原料，是一切工業的基礎。上游製程朝更多元運用天然資源方式與新製程生產乙烯、丙烯原料，以得到更低成本。高值化應用下游製品隨著新興產業興起，發展新工業用途。未來石化不再侷限在過去的食衣住行日常用品。例如因3C消費電子產業興起，筆電、手機、i-Pad產品發展，帶動聚亞醯胺（polyimide）材料需求。聚亞醯胺薄膜廣泛應用在新興消費電子軟性印刷電路板產業。聚碸（Polysulfone），以往用於耐溫、尺寸安定性佳之工程元件，也用於高品質奶瓶容器。最近一～二十年在洗腎透析導管用量遽增，成為聚碸塑膠成長應用最快的領域。另外PET雙軸延伸薄膜厚膜，隨著大尺寸電視、PV太陽能產業興起，用途跳脫了既有的礦泉水容器、人造纖維、食品包裝用途。PLA發展發泡薄板應用，未來取代傳統保麗龍發泡食品容器，獨特的自身生物可分解性與經過發泡加工後產品兼具輕量化與隔熱特性在可預期將來為市場明日之星。

三、清潔製程與循環經濟需要對等重視

低毒性製程是新興化學製程開發的另一方向。例如光氣（phosgene）的使用，以往是高效率反應最具效益的反應方式，用來生產聚碳酸酯塑膠、二甲基碳酸酯等化學品。但此種製程因光氣毒性高近年來已轉化利用低毒性製程，避免生成光氣的非光法化製程。另一例為氫氰酸（HCN）的生成使用，新開發的尼龍66單體，己二胺製程，與MMA單體製程都有非用氫氰酸劇毒的低毒性製程。

循環經濟再利用，石化製程帶來便利汽、柴油、航空用油能源的使用，也帶來生活的方便。但煉油廠與石化廠區也伴隨有大量CO₂氣體產生與廢水、廢熱排放。如何做到園區內最終零排放目標，減少環境衝擊。未來石化園區須考量環境成本。整體考量園區內能資源整合、減少CO₂減排、從物理性吸附、化學方法捕捉CO₂，進而發展CO₂化學衍生物如二甲基碳酸酯、與氫氣結合生成甲醇或直接利用CO₂光合作用回歸大自然農作物吸收發展溫室植物工廠，都是未來循環經濟石化工廠場域規劃可考量項目。

n  結語

塑膠化學材料與人民生活息息相關到了密不可分的程度。塑膠化學材料帶來人們生活方便需求，也不斷在創造更多前瞻應用。未來端賴更多高值化研發帶動臺灣地區石化業轉型生存。高值化新材料研發除強化我國既有強項產業之產業鏈完整性產品，搭配新政府五大產業領域發展新應用領域，塑膠化學領域，發展新材料循環經，開創臺灣經濟新成長未來。

 

新世紀的化學工程：
化學工程在製藥過程中所扮演之角色及其發展

李  度*、李弘霖、李之穎

國立中央大學化學工程與材料工程學系
*[email protected]

n  前言

一般而言，藥物製品在經過設計與監控人體內的藥物釋放後，就能針對疾病作出精準的治療。藥物製品包含「活性藥物成分」（Active Pharmaceutical Ingredient, API）及特定的賦形劑，其中API是藥物當中的主要有效成分，通常是經由化學合成或生物化學所製備的，而賦形劑則具有許多作用，譬如：使藥錠不易碎裂、遮掩藥物的苦味、與促進藥物的溶解度使其易於吸收以增強藥效，此外，亦可使藥物在有效期內不會變質。在美國，聯邦和各州都有法律管制藥品的生產及銷售，如美國食品藥物管理局（Food and Drug Administration, FDA）的存在目的是要執行美國國會的授權，去審查與批准食品、藥品和化妝品的製造及發售的整個過程，由於歐美在製藥業有著上百年的歷史背景與文化，因此我們將以歐美現有的概況來進行介紹。

n  藥物研究與發展時程

在現今的製藥產業中，新藥的研發從在實驗室裡藥物分子的開發到投入市場販售約需花費10到15年，而在數千至數萬個被評估可能具有療效的藥物分子當中，只有極少數的藥物分子能通過所有的安全、有效性及臨床試驗，最終獲得批准。圖一為典型藥物發展的時間表。

圖一：藥物研究與發展（從開發到核可）的時間表

（圖片來源：Pharmaceutical Industry Profile 2009, Pharmaceutical Research and Manufacturers of America, PhRMA, www.phrma.org）

由圖一可知，藥物臨床時期長達6到7年（臨床試驗一期到三期）其目的是為了要瞭解藥物對於特定疾病的療效和毒性、突變性以及致癌性等負面影響。最近10年，已有超過300個新藥獲准上市，根據統計，2006年製藥產業創造了約68萬個工作機會；2007年在研究與開發（Research & Development, R&D）方面投資約600億美元。一個新藥通過臨床試驗且獲得FDA的批准，其成本在2008年估計約為10至35億的美元，相較於2001年，一個藥物獲准上市所需的平均成本僅為8億美元，然而，從產生一個藥物化學結構到新藥市售所花費的成本可以分為：藥物分子的探索25%，安全性與毒性的評估15-20%，臨床試驗35-40%，而產品開發則佔30-35%。近幾年，藥物分子能通過二期和三期臨床試驗後成功獲得法律認可上市的比例持續地下降，其中，有時臨床試驗的成功率偏低是由於製藥公司把比較複雜的疾病作為標靶治療的緣故。

了解疾病的症狀及起因是新藥開發中相當重要的一環，時至今日許多疾病的症狀和起因，包括不太複雜的生物學機制等問題都已獲得解決，而愈複雜的疾病其新藥的開發就越是艱難，臨床試驗的通過變得更加艱鉅，使得R&D的投資報酬率降低，整體計畫的支出和投入的資源也隨之提高，，此外，一旦重要藥物的專利即將到期，高利潤將會逐漸被眾多副廠藥（Generic Drug）所瓜分。在製藥產業中，R&D的費用不僅會隨著法規審核標準的提高而增加，同時也會面臨產品獲利及定價上的挑戰。

藥物銷售的另一個影響是在於病人給付醫藥費用的方式：負責支付處方藥的機構，例如保險公司和健康維護機構（Health Maintenance Organizations, HMOs）都將會影響其成員的醫療選擇。雖然這些機構不能直接指定患者該使用何種藥物，但對於較貴的藥物他們可以規定患者需要負擔其部分費用。隨著人類壽命的延長，健保收入的減少，而醫藥製品的需求卻不成比例的大幅增加，為了確保各行各業的人都有藥品可用，更低的價格無疑是需要的。另一方面，由於互聯網的日漸普及，患者可以獲得更多資訊去選擇更有效的治療方案。

為了降低成本，滿足全球的新興市場，製藥業從原本集中地—美國、歐洲、日本等國家和地區遷移到中國、印度等地區，這促使精密實驗室在這些國家快速發展。雖然全球化帶來了物流、語言障礙和製藥上的文化差異等種種挑戰，但藥物的銷售卻因而獲得顯著的成長。

日前新藥的研發正試圖解決治療上的許多問題，但探討複雜疾病需要更艱深的科學，而製藥本身就是一門高度跨領域整合的重要科學，涵蓋了生物學、化學、工程學及統計學，這些專業將面臨更多的挑戰。從分子領域到下一個新藥物，製藥科學的挑戰包含以下幾方面：(1)大多數藥物分子在人體組織內的溶解度和滲透性皆偏低，使得藥物在人體內的輸送更加困難，(2)高藥效的分子所需的劑量非常低（有時只需要不到幾毫克），這會大幅度地增加藥物在配方上的難度，需要更新的藥物輸送系統以確保新藥物的效用，以及(3)從學術上瞭解人類基因遺傳密碼的運作，把獲得的知識轉化為改進人類健康的鑰匙。除此之外，在製藥的發展上也須與國際合作、與國際人才交流來開拓國際市場及維護藥物專利，因此製藥公司的員工也必須增進其英語—聽說讀寫的能力。

n  化學工程與製藥

不過，挑戰的同時也創造出不少機會，例如：化學工程師需求增多，結合工程概念以尋求規模經濟和高效技術的應用，而技術的創新和工程的剖析促使病人對產品價值的認識日漸成熟。化學工程領域的知識及技術常與錯綜複雜的製藥科學交織在一塊，藥物科學結合化學工程常用的工具可增加藥品的價值。不論在策略或技術方面，包羅萬象的化學工程常要面對這些工業上的挑戰。由於成本的考量，工程師開始廣泛使用各式各樣的工程工具以提升製藥的利潤，而這些工具包括：單元操作的理論模型、高效的實驗方法設計及程序上的控制，製藥工程師所使用的理論計算同樣是源自於石油精煉的程序，這些程序可以優化API的蒸餾製程和溶劑回收的製程；同樣地，熱力學的溶解度理論模型亦可應用於優化API的結晶製程，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）則應用在藥物的流動上。

基本科學和工程科學可以突破瓶頸、提高產量並解決製程中所面臨生物、化學及配方上可能發生的問題。在研發過程中，高通量篩選（High-throughput Screening）工具的使用和實驗室多重反應器系統都能有效且快速地產生數據，如果理論模擬和評估無法提供一個完整的程序構圖，工程師亦可用快速且高效的技術來獲得所需的數據。重要的是，並非所有實驗室內先進的技術皆能在所有情況下產生作用，例如：微型反應器系統適用於均相化學反應，而對於非均相化學反應會造成混合上的不均勻，因此，對於化工原理的洞悉，包含質傳、熱傳、反應動力學和流體力學等，都有助於提供實驗室技術的選擇以及對數據的正確詮釋。有了適當的設備後，工程師方可利用統計學上的實驗設計獲得數據，對於化學工程師而言，理論模型與實驗數據的整合有助於對整個製程的理解。

由於法規環境的改變，依據國際醫藥法規協合會（International Council for Harmonization, ICH）品質設計（Quality by Design, QbD）的原則提供更大的操作自由度，可在製程的限定範圍內修正，進一步提升藥物品質和減少製程中的浪費。化學工程師藉由理論模型來引導QbD的執行，一個周嚴的操作空間會使效率提升，且讓消費者獲益更多。透過運用化學工程的原理及其技術，我們可以從單一設備、一般操作技術和應用技術平台進行大量生產與製造，這不僅能減少設備購置的數量、降低開發的成本，也有助於往後不同計畫的執行，使程序更易接軌以因應全球化的需求，但是建立這些平台有兩項挑戰：(1)如何得知哪一類分子適用此一平台，(2)如何在基礎平台與技術方面維持知識上的領先。

不論是患者、藥師或是醫生，他們都不在意藥品如何被製造，而在乎藥品的安全性和服藥的便利性。在此，化學工程師的貢獻有兩個例子可以說明：(1)藥物輸送和(2)診斷，首先，以改善吸入型藥物的釋放作為例子，從粉末工程、空氣對流理論到吸入器的應用都可提高藥劑量的一致性，而較佳的一致性又提高了接受度，相較於口服型藥物，如：膠囊和藥錠，工程師可藉由操縱API的顆粒大小及配方達到一致的釋放速率，一個穩定且緩慢的藥物釋放方式可以減少病患服藥的頻率或次數，進而降低可能產生的副作用。為使藥品的劑量達到一致，工程師可藉由藥物結晶工程、過濾和乾燥的操作來控制API的顆粒大小並使其粒徑分布均勻。此外，工程的原理還可用於改善疾病的診斷效率及方法，除了能減少病患的花費以外，醫生也能在一開始的時候就定出最佳的治療方法。

溶液結晶（Solution Crystallization）、噴霧乾燥（Spray Drying）、輾壓技術（Roller Compaction）和擠出成型（Twin Screw Extrusion）是當前化學工程在製藥工業上的核心技術。工程師利用模組、標準化的技術平台和完善的戰略技術降低成本，以因應全球化的挑戰以及生產設備與診斷工具的改進。隨著基礎科學和技術的日益進步，化學工程的研究與發展也將日新月異，與其他學科的合作也會愈來愈緊密、頻繁，因此工程師的角色不該僅侷限於生產過程，更應使產品在全球化的舞台上不斷地求新求變，如此一來，企業才能尋找到成功的契機，降低藥物專利到期後與學名藥（副廠藥）競爭的壓力，並非一味地遷廠到人力便宜的國家發展。臺灣為了進入這個國際產業與市場，必須提升自身知識及技術水平，以達到國際的專利及法規要求。

n  附帶資訊

全球前25大製藥與生物製藥公司銷售營業額如表一所示。

n  參考文獻

1.        美國化學工程學會，http://www.aiche.org/about。

2.        美國醫藥科學協會，http://www.aaps.org/default.aspx。

3.        American Journal of Pharmaceutical Education, http://www.ajpe.org/.

4.        2008, 72 (3), Article 68: Impact of the Career Explorers Program on High School Students’ Perceptions of the Pharmacy Profession.

5.        2010, 74 (8), Article 149: Theoretical and Conceptual Framework for a High School Pathways to Pharmacy Program.

6.        2011, 75 (10), Article 203: An Elective Course to Engage Student Pharmacists in Elementary School Science Education.

7.        2014, 78 (9), Article 167: An Educational Program for Underserved Middle School Students to Encourage Pursuit of Pharmacy and Other Health Science Careers.

8.        Pharmaceutical Technology, http://www.pharmtech.com/.

9.        BioPharm International, http://www.biopharminternational.com/.

10.    Contract Pharma, http://www.contractpharma.com/.

 

新世紀的化學工程：
化學工程在生物科技上的應用與發展

孫一明^1, *、朱一民²

¹元智大學化學工程與材料科學系
²國立清華大學 化學工程系
*[email protected]

n  前言

乍看之下，化學工程給大家的聯想是是用大量的化學物質來製造化學品或是塑膠類的產物，往往造成空氣、水與大地的污染。然而，化學品的使用卻是與人類生活所需息息相關，不但提供了最現代的衣物纖維原料，製造身上穿戴的涼感衣，也提供了最新手機內電子元件製造所需要的原料。若沒有化學工程，所有科技都失去進步的根基。就名詞上，很難想像生物科技與化學工程有任何關聯，但是現任的中央研究院廖俊智（James C. Liao）院長，確是以化學工程的背景與專長，在生物科技上做出重要的貢獻，而為科學界所肯定。或許大家都很好奇，也不甚瞭解生物科技與化學工程間的關聯，就讓我們來看看化學工程內所受的訓練是如何應用於生物科技上的發展。

n  生物科技與化學工程

首先，讓我們先瞭解生物科技的內容是什麼？有興趣的同學，可以在維基百科中查到：生物科技（biotechnology）是指使用分子生物的方法，於生物體（含動物，植物及微生物的細胞）中進行基因操作、蛋白質操作或是細胞的操作技術，以改良生物體的特性，生產有用的產物或是創新物種的科學技術。根據不同的工具和應用，它往往與生物工程和生物醫學工程的領域重疊；然而，這些技術的源頭，都是基於我們人類對於生物化學的瞭解所產生。

生物體內有無數個由生物酶所催化的化學反應，生物體內的各種器官或是細胞，就像許多大小不一的生物化學反應器所組合而成，將生物體內的化學分子轉化成生物體的組織結構或是運動的能量，以執行生命的功能；因此，任何生物體都是一個複雜的化學工廠。化學工程師的訓練，就是讓我們可以與生物科學家共同分析、瞭解與操控生物體內的化學反應，以改變生物體的行為與特性，這些研究發展所衍生的技術，均為生物科技的一環。這些技術的發展，可以讓我們應用於疾病的治療，製作生物感測器以用於醫療診斷，讓基因改良的黃豆植物不會受到除草劑的傷害，可利用生物酶在工業反應器中催化某些特定化學反應以產生化學品，經基因調控的微生物可以在工業反應器中生產生質燃料或是治療疾病的藥物，更有利用藥物控制釋放的技術將藥物或是基因遞送至所需治療的部位；這種種的技術，都可以看到化學工程訓練的實際應用。

n  新世紀的化學工程

一般而言，可以讓大學教育中化學工程學系與其他學系區分的主要科目為：質能均衡、輸送現象、熱力學、反應工程、程序設計等核心課程，而與化學系相重疊的無機化學、有機化學、物理化學、生物化學、儀器分析等科目，另外許多學校也提供了與材料相關的材料科學、高分子材料、無機材料等課程。這些基礎的訓練讓化工系畢業的學生有廣闊的發展空間，不但可以處理巨觀的工程問題，生產數以噸計的產品，也可進入微觀的世界，處理奈米尺寸的尖端科學問題。在就業上，除了一般化學工業所需的工程師之外，在國內重要的電子產業也發揮許多貢獻，而生技醫藥方面更是化學工程可以產生重要貢獻的新興產業。

舉例而言，微生物細胞內為了達成某一種化學物質的產生，往往經過許多一連串生化反應的步驟而獲得，這些一連串的步驟又可能不只一套，有可能是並行與相互影響的，因而形成一細胞內生化程序網絡。我們可以藉著反應工程與程序設計的觀念，將這些反應途徑的變化，用數學的模式予以描述分析，找出反應途徑中主要的限制因子，再利用基因工程的技術，修改某項調控基因的表現，進而改變這限制因子，使得我們可以得到專一與大量所希望獲得的化學物質（見圖ㄧ）。這相關的科技進步，建立了近三十年所發展的代謝工程（metabolic engineering）領域，使得化學工程師可以藉微生物由可再生的生質原料或是可造成溫室效應的二氧化碳產生有用的化學品與燃料，這項突破使得人類更有機會建構以生物科技為基礎的循環經濟（circular economy）。而代謝工程的鼻祖傑·貝利（Jay E. Bailey）教授與之前所提到的廖俊智院長等兩位，均是接受完整化學工程的訓練，並能在此領域中發揚光大的佼佼者。

圖ㄧ：利用代謝工程的技術，可以調控微生物體內代謝的途徑，用以製造所需要的化學物質（化學品、藥物與燃料油等）。在此每一個微生物細胞即是一個反應器，若將此類微生物於大型反應器內大量培養，即所謂的發酵工程。

（圖片來源：http://science.sciencemag.org/content/sci/330/6009/1355/F1.large.jpg）

此外，不知道同學們是否聽說過在老鼠身上長出耳朵的故事（見圖二），那是組織工程學（tissue engineering）中為人所津津樂道的例子。組織工程學是利用細胞（通常為幹細胞），藉由支架（scaffolds）的支撐與構建，在生長因子（growth factors）的刺激下，通過體外培養的方法，誘導細胞成長以再造或修復器官及組織的技術，目前已經有再造骨、軟骨、皮膚、腎、肝、消化道及角膜、肌肉、乳房等組織器官的可能。組織工程學的發展包含許多跨領域的訓練，對於組織成長環境（生物反應器）內養分與代謝物的物質傳遞（mass transfer）與流體力學（fluid mechanics），會利用到化學工程中輸送現象與反應工程課程所討論的觀念；而支架所需的材料，多為可生物降解的高分子材料所構建。現代化學工程的進步，也推動組織工程學的發展，而其中最重要的先驅者鮑勃·蘭格（Bob Langer）教授就是任職於美國麻省理工學院的化學工程學系；他所主持的研究室，有一百多位博士級研究員，所產生的研究成果，均在生技醫療上有著重要的影響。

圖二：老鼠身上的耳朵。

（圖片來源：http://openwetware.org/wiki/Ear_on_a_Mouse,_by_Brittany_Forkus）

又以生質能源而言，利用可行光合作用的植物與水中的藻類，吸收太陽所釋放的能量，將二氧化碳與水轉化成有用的澱粉、纖維素、半纖維素、油酯或木質素等有機物，可以經過轉化（包含生物催化、熱裂解與化學催化）或是萃取生產燃料（見圖三），能夠部分解決能源匱乏問題。雖然目前成本仍高，難以與當前低價的石油能源競爭，但是若要降低二氧化碳排放，生質燃料仍是一個必然的選項。這裡面的生物催化過程或是藻類養殖顯然用到生物科技的基本原理，但是實際的大型生產系統卻是不折不扣的化學工程問題，所有質能均衡、輸送現象、熱力學、反應工程、程序設計等核心課程的訓練都會充分被應用到。

圖三：收集農業廢棄物（玉米桿、稻稈、芒草等），經酵素水解與微生物發酵將纖維素與半纖維素轉化成酒精，以成為生質燃料的化工製程。

對於一化學工程學系的學生而言，對於生物科技的初步學習會來自於「生化工程」（biochemical engineering）這門課程，一般而言，教師們會以生物科技上中下游產業鏈中各種生化製程為例，介紹大規模生產生技產品所需的生化工程科技。課程中會引入生物分子及細胞的知識、生化反應動力學、基因工程等，與介紹生化程序工程的主要技術，包括固定化生物酵素、微生物醱酵工程、生物反應器、動植物細胞培養工程、生技產品的分離與純化工程、生化程序工程的設計與經濟評估等等。有些學校會特別提供生物化學相關的課程，強化生物分子（氨基酸、蛋白質、醣、脂肪、核酸、基因等）的訓練，建立同學對於生物科技基礎的認識。也有些學校也會提供生醫材料、藥物控制釋放與生物醫學等相關的課程，介紹材料於生物醫療器材、藥物傳遞系統設計與組織工程學上的應用。若是有志於就讀研究所的同學，將會發現各校的教師們也有很多從事生技醫藥主題相關的研究；對於生物科技有興趣的同學，可以在化學工程的訓練中找到許多發展的機會。

n  結語

綜合而言，以化學工程的專長投入生物科技產業，是一個相當具有挑戰性的工作，許多發展中的技術，有待年輕人投入。但就現實面，目前國內化工相關的畢業生，能夠進入生物科技相關產業的比例並不高。根據一些非正式的調查，各大學化工系畢業生僅約百分之五會從事生技醫藥相關的工作，而絕大部分（約百分之五十）受到電子與光電相關產業的吸引。主要仍是因為國內缺乏大型的生物科技企業，許多生技醫藥公司，仍屬於中小規模，所需的專業從業人員總額有限。即便如此，只要是以生產藥物為主的公司（非研發型公司）都必須許多化學工程師參與藥物生產、分離純化，及品管分析等工作。過去一百年以來，石油所主導的經濟發展（petro-based economy）已經達到飽和，為了追尋永續的發展，生物經濟（bio-based economy）將逐漸興起，無論是醫療健康的紅色生物科技、農漁牧的綠色生物科技或是工業應用的白色生物科技方面，倘能有突破性的發展，均將主導未來世界經濟發展的走向。能夠掌握生物科技生產技術的個體、企業與國家，將會是影響未來的大贏家。若是以生物科技為職涯發展的化學工程師，我們的優勢是能夠處理宏觀的經濟分析、巨觀的生產操作與微觀的科技研發；這是一條艱辛的路，含有許多未知與風險，但也充滿了機會與追求永續發展的意義。

n  附註

本文內之專有名詞與人物，均可透過網路檢索，做延伸閱讀。

新世紀的化學工程：
電子材料與電子特用化學工程

竇維平

國立中興大學化學工程學系
[email protected]

n  前言

化學工程之所以在「工程」之前寫上「化學」，表示這樣的專業是在大學工程學院裡，唯一具備廣泛化學背景的工程學科。因此，化學工程常被稱為「工業之母」，便是這個道理。人類的食、衣、住、行、娛、樂等，都需要「製造業」才能產生出相對應的物質或功能，這些製造的過程，在化學工程中被稱之為「製程」（process）。換言之，人類所需的任何東西，都要有一定的製程步驟，才能獲得最終的「產品」。

在所有產品的生產過程中，需要各式各樣的化學物質，產生各種材料[1]，以便符合人類最終的功能需求，其中電子產品便是現代較具代表性的物品，如電腦、顯示器、智慧型手機、數位相機、數位電視機等。這些電子產品在生產的過程中，需要大量的化學物質與材料[1]，因此，化學工程與材料科學便息息相關、密不可分。本文將以電子材料為代表，闡述材料科學在化學工程學科裡的重要性及相關性。

n  化工與材料

在化學的世界裡，主要是以原子與分子來看這個世界[1]。但是，在化學工程的世界裡，是以原子、分子、化合物、反應工程及材料工程來看這個世界。換言之，化學工程是將週期表上的所有元素，經由一定的程序與製程，產生特有的材料，製造出有用的產品。化學工程的熱力學，可以告訴化學工程師，哪些化學反應是會發生的？哪些化學反應是不可能發生？藉由這樣的熱力學計算，化學工程師可以事先預測材料的可行性與穩定性，進而找出可行的化合物質與材料，然後置入產品的生產製程當中。

任何材料，如高分子材料、塑膠材料、陶瓷材料、金屬材料等，都具有特定的化學鍵結，如共價鍵、離子鍵、金屬鍵、配位鍵等，化學工程師在瞭解這些化學的基礎之後，才能選擇適當的材料，作為可靠度較佳的電子產品。在化學反應工程中，不是單單只有同相的（homogeneous）化學反應，產生同相的化學產品；也常常會有異相的（heterogeneous）化學反應，產生相變（phase change）之後，如液體變成固體，才是化學工程師要的材料。例如：原本是液相的電解質，經過通電過程，可以將溶於水中的金屬離子，轉變（還原）成金屬原子，沈積出特定的金屬圖案於特定電子元件上的特定區域，進而變成電子產品中的導線。這樣的製程，吾人稱之為電化學沈積（electrochemical deposition）製程，或是俗稱的電鍍（electroplating）製程。

n  電子材料與特用化學工程

以電子產品中的智慧型手機為例（見圖一），其中吾人常會需要用到的電子材料與元件有：（1）中央處理器，以半導體與金屬材料為主（見圖二、三）；（2）晶片封裝，以高分子材料為主；（3）觸控面板，以透明導電玻璃材料為主；（4）訊號傳輸天線，以金屬材料為主；（5）主機板，以樹脂、玻璃纖維、金屬復合材料為主等等。

圖一：智慧型手機之內觀（圖片來源：http://goo.gl/eJq876, Public domain）

這些電子材料與元件，都需要經過複雜的特用化學製程，才能將其生產出來，如無機元素摻雜矽材料製程，氣相沈積製程，化學機械研磨製程，有機化學合成製程、化學鍍製程、電鍍製程等等。圖二、三便是12吋晶圓以及中央處理器所需要的半導體矽材料、金屬材料與介電材料等。

 

圖二：12吋矽晶圓（左）；32奈米中央處理器之9層金屬導線電子切片影像（右）[2]（Copyright permission）

圖三、以電鍍銅金屬當導線之邏輯晶片[2]（Copyright permission）

隨著電子產品日新月異，功能越來越強大，因此，電子元件的記憶體容量也隨之被迫提昇。因此，動態隨機讀取記憶體（DRAM）便水漲船高，但是，由於此電子元件之電路設計或是製程方法之門檻不是非常高，因此，售價一直沒有起色，甚至多家廠商因此經營不下去。但是，一個電子產品若是沒有DRAM，幾乎無法運作，所以，三維（3D）空間之DRAM晶片堆疊製程技術便開始大展生手，如圖四所示。這樣的晶片3D堆疊封裝技術，主要是利用電鍍銅技術，將晶片與晶片之間的線路予以垂執導通，大幅縮短導線的距離，同時縮小封裝元件所佔據的面積，因此可以獲得功能強，但輕薄短小的電子產品。在這樣的電鍍銅製程技術中，會用到電子特用電鍍配方，俗稱「功能性電鍍」配方，其中包含無機化學藥品、有機電鍍添加劑。此技術的開發，早在2003年，便有學者提出可行的學術論文研究成果[3]，如圖五所示。

圖四：三維半導體記憶晶片堆疊封裝示意圖[2]（Copyright permission）

圖五：利用電鍍銅製程以及電子特用化學品，將微米尺寸的矽基材深孔洞予以填滿金屬銅，用來連接上、下晶片的線路[3]（Copyright permission）

電子產品都需要電源，近年來，鋰電池已經成為電子產品之電源主流，因為充電快、蓄電力強大，而且輕薄，因此，幾乎成為電子產品的最佳電源供應器。圖六顯示，要製造鋰電池的銅箔電極金屬材料，亦需要利用電鍍銅製程，同時亦需要添加特用的無機、有機化學藥品，才能使得鋰電池之電極銅箔具備光澤性，同時具備特有的金屬結晶結構。如此才能獲得良好的電力。這些電子特用化學品，在電子產品生產或是在其周邊配備生產中，都具有不可或缺的一席之地，否則將無法產出特有的電子產品之功能或是性能。

圖六：電鍍銅箔表面電子影像，（a）沒有添加電鍍添加劑，（b）添加抑制劑、加速劑、平整劑以及氯離子[4]（Copyright permission）

n  結語

化學工程中的電子材料工程與科學，是現今化學工程學學科的重點專業知識之一。由於近年來電子產品的發展快速，功能又五花八門，因此，材料科學在化學工程師的養成教育中，漸漸轉變成一項主流。因為化學工程是大學工學院當中，唯一具備化學與工程雙專業科技的學科，最特別的是，「製程」又是化學工程的專業之一，因此，從最基本的化學元素，一直到最終的實用產品，化學工程無所不在。

n  參考文獻

[1] 林文雄、林孫基、劉仁煥、李國興、竇維平、劉秀齡，化學，臺灣培生教育出版股份有限公司，臺北市，2009。

[2] T.P. Moffat, D. Josell, Electrochemical Processing of Interconnects, Journal of The Electrochemical Society, 160 (2013) Y7-Y10.

[3] J.-J. Sun, K. Kondo, T. Okamura, S. Oh, M. Tomisaka, H. Yonemura, M. Hoshino, K. Takahashi, High-Aspect-Ratio Copper Via Filling Used for Three-Dimensional Chip Stacking, Journal of The Electrochemical Society, 150 (2003) G355-G358.

[4] K. Kondo, R.N. Akolkar, D.P. Barkey, M. Yokoi, Copper Electrodeposition for Nanofabrication of Electronics Devices, Springer, New York Heidelberg Dordrecht London, 2014.