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 sylu@mx.nthu.edu.tw 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： 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 *tulee@cc.ncu.edu.tw 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 […]

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dowwp@dragon.nchu.edu.tw 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 […]