開創新局的永續化學 趙奕姼 中央研究院化學研究所ichao@gate.sinica.edu.tw n  引言 過去兩百年人類生活品質與壽命大幅提昇，這些美好又令人驚異的變化跟化學有著密切的關係。透過化學，地球上的各種元素巧妙地被用在各種物品中，滿足人類食、衣、住、行、娛樂、醫藥，甚至穿越大氣層前進太空的各種需求。但是跟大自然演化了38億年環環相扣循環不絕的各種化學反應網絡比起來，人類開發的化學反應有著大量的廢棄物。根據綠色化學先行者Roger Sheldon所做的估計[1]，化學工業每產出1公斤的產物，同時就產生了小於0.1公斤到100公斤以上的廢棄物。煉油、大宗化學品、精緻化學品、製藥四大類型的化學工業中，煉油業技術發展最成熟，廢棄物比例小（小於0.1公斤），不過煉油業年產量大，因此廢棄物的量體依然十分驚人。製藥業年產量最少，少了煉油業好幾個數量級，但因結構特殊合成步驟多，廢棄物是藥物本身的幾十倍到上百倍，有很大的技術改進空間。精緻化學品與製藥業動輒幾十倍的廢棄物是什麼光景呢？環顧一下自己家裡的大大小小的用品，製造這些物品的同時，也產出了裝滿一屋子的垃圾呢!！ 長久以來，化學工業的廢棄物常直接排放到環境中，或是集中收集處理與掩埋，這是因為人類認為地球無限寬廣，總是能稀釋或存放廢物。時至今日，望著逐漸污濁的空氣與水，感受著氣候變遷帶來的極端天候，讀著多種元素開採越來越困難存量告急的新聞，以及連北極熊的脂肪中都有人工化合物的報導，抱持著「地球無限大」、「資源無限多」這種想法的人日益減少，越來越多人轉頭正視如何追求人類與生態圈的永續發展。的確，人類已走到一個在思維上與科學上都亟思突破的轉捩點。永續化學（sustainable chemistry）和綠色化學（green chemistry）這樣的呼聲在20 世紀後期興起，正是少數先知先覺的化學家意識到必須用更宏觀與創意的角度思考化學，我們在選定一個化學製程之前，要從環保、經濟及社會各種面向思考，不再只是經濟決定一切。 我們常常聽到永續化學和綠色化學，從字意上即可看出跟永續、友善環境有關。對有些化學家而言這兩個名詞意義相同，有些則否，因此許多會議或書籍名稱常常使用「綠色／永續」這樣的語詞。對於這兩個名詞，本專輯採用的是兩位綠色化學之父中John C. Warner的說法[2]：永續化學是所有牽涉到解決永續議題的化學，例如解決能源問題、水資源問題等所需要開發的新材料、新觸媒；綠色化學更著重於化學步驟／製程的設計，例如有機合成或分析方法是否減少使用有毒物質。在這個框架下，綠色化學附屬於永續化學之下，但絕對是舉足輕重的一環。 n  本期專題簡介 永續相關議題非常之多，本專輯希望藉由幾個面向的報導，讓讀者對永續化學開創的新局領略一二。第一篇文章由周德璋教授鋪陳綠色化學的來龍去脈與原則；第二篇文章由王正中助研究員介紹美國總統綠色化學挑戰獎的兩位臺裔得主為綠色／永續化學開闢的新戰場；第三篇文章由曾玉明高級專員描述臺灣化學化工界的模範生永光化學在綠色化學與循環經濟上的經驗與心得；第四篇文章針對就在我們身邊的「城市礦山」，由許景翔總經理和馬小康教授描述提取電子廢棄物所含之貴金屬的化學新方案，脫離傳統提取金屬過程中嗆人的王水與劇毒的氰化物所帶來的噩夢；第五篇文章由羅芬臺研究員介紹為反轉氣候變遷而研發的生物炭製作：以及第六篇文章由林麗瓊主任和連香婷博士介紹因應能源挑戰的光觸媒還原二氧化碳研究。期待以上文章能夠讓讀者了解綠色／永續化學的內涵與深遠影響，破除比較環保的化學製程必然比較昂貴的迷思，並且看到臺灣業界與學界的努力。 n  參考文獻 1.        The E-factor. http://www.sheldon.nl/roger/efactor.html. 2.        Cannon, A. S. & Warner, J. C. (2011). The Science of Green Chemistry and Its Role in Chemicals Policy and Educational Reform. New Solutions. 21, 499.  

開創新局的永續化學：綠色化學：以友善環境為出發點的化學（上） 周德璋 國立中正大學化學暨生物化學系chetcc@ccu.edu.tw n  引言 化學是探究物質的性質及其變化規律的一門學問，旨在理解物質的形成與結構、物質與物質之間的相互作用、物質與能量之間的關聯、以及結構與反應活性之間的關係，並發掘切實可行的化學反應與合成方法，進而以此為基礎創建嶄新且具有功能性的物質，研製有應用價值的化學品和材料。傳統上，化學依其所探討的物質分類和研究的主題取向，從基礎到應用衍生出幾個主要學科，如物理化學、有機化學、無機化學、分析化學、核/放射化學、理論/計算化學、生物化學、及應用化學等。這些化學學科為一系列既定的或新興的科學，例如化學工程、藥物化學、分子生物學、合成生物學、天體化學、奈米科學等，奠立了基本方面的知識，更為例如農業、材料、生物技術、醫學、能源、環境、生態學及資訊技術等科學與技術領域裡的眾多重要進展作出了重大的貢獻。因此，化學被認為是一門「中心、實用、創造性」的科學，是科技的樞紐 [1]。 事實上，距今百萬年前當人類首度使用火煮熟食物時，人類就與〝化學〞發生密切關係，而較近的萬年以來，那些〝似知其然，不知其所以然〞的工藝發明，如釀酒、染色、玻璃、火藥、造紙、草藥、及煉丹等，顯現〝化學〞處處影響人類從遊牧轉入農耕社會的生活型態的痕跡。人類文明在18世紀歷經另波的質變進化，「第一次工業革命」於60年代在英國展開，人類逐漸轉向以工廠的機械力取代個體工場的手工生產民生用品。大約同時期，一場「科學革命」也醞釀著，法國化學家拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）於1770年代發現「燃素（氧氣）」開啟了〝近代化學〞的時代。往後的一個世紀裡，雖然科學與產業未見快速蓬勃展開的景象，但對19世紀的科學產生了極為關鍵性的影響。 19世紀中葉，科學的基本探究與技術的研發開始結合，使得工業生產力的組織、規模、及效率，開始加速擴大，科學本身也隨之快速蓬勃發展，尤其是與生計息息相關的化學。人類的文明邁進空前輝煌和變化最為巨大的20世紀。在這時代，推動世界經濟的主要能源基礎由煤轉化為石油和天然氣，科技產業的發達促使人類的財富、生活物資的質量、醫療保健、平均壽命、以及福祉的大幅提升，生命密碼的解開啟發革命性的生物科技，太空探測的活動實現月球登陸更超越太陽系，日新月異的通訊和運輸技術加速國際貿易和文化交流的全球化。在人類20世紀高度文明的塑造過程中，見證了作為樞紐科學的化學所扮演的舉足輕重和重大貢獻的角色。 地球只有一個，意味著自然資源的有限。在物資文明急速發展的20世紀，現代化科技幫助人類大量開採自然資源，大規模生產人造物資與能源，以滿足人類食衣住行的消耗性需求，創造了高度繁榮的社會。但是〝物極必反〞，人類卻也要付出嚴厲慘重的代價：化學公害、空氣污染、水質惡化、資源耗盡、環境破壞、氣候變遷、及生態失衡。自然界已面臨無法〝自我修補〞的地步，也是做為樞紐科學的化學必要思考如何接受挑戰的時候了。 n  綠色化學的萌芽 在20世紀下半葉，化學科學的舞臺上出現幾個帶有環境保護意識的名稱，如潔淨化學（clean chemistry）、環境化學（environmental chemistry）、友善化學（benign chemistry）、綠色化學（green chemistry）、及永續化學（sustainable chemistry）等 [2]。雖然這些名稱的定義和內涵並不很明確，引起當代化學家的爭論，但其背景的環保觀念卻是有跡可尋，可以追溯到1962年美國海洋生物學家蕾秋·卡遜（Rachel Carson）出版的《寂靜的春天》（Silent Spring）一書 [3]。這本經典著作呼籲民眾和政府要普遍關注化學物質對環境的污染及生態系統的破壞，尤其是農藥滴滴涕（dichloro-diphenyl-trichloroethane, DDT），也喚醒並啟發了現代環保運動。美國國會認知問題的重要性，於1969年通過《國家環境政策法》，以「創建並維護人類與自然可以共存共榮的和諧條件」為目標，並於次年通過設立「環境保護署（Environmental Protection Agency, EPA）」。該環保署的第一個重大決定是禁止滴滴涕和其他化學殺蟲劑的使用，並透過設立環境保護相關之辦公室和法規，以便達成保護環境的目標。 不過，早期環保署與化工產業的主要重點工作仍滯留在污染的控管、整治和明顯毒物的清理上；直到80年代晚期，對解決問題的切入方向才有所轉折。歐洲和美國的政策監管部門、產業界、和科學技術界開始認知，保護環境的最佳戰略是〝未雨綢繆〞的污染防患而非〝管道末端〞的污染管制和整治。政府和工業界的領導人展開國際對話，由30多個工業化國家組成的「經濟合作暨發展組織（Organization for Economic Cooperation and Development, OECD）」為尋找預防性的方案解決環境問題，提出一系列著重於合作協力改變現有的化學製程和污染預防的建議。成立20年的美國環保署為加強、落實生態友善的環保戰略，於1990年制定《污染預防法》，撥款補助各州致力於廢棄物在源頭的減量，並首次採用〝綠色化學（green chemistry）〞一詞為標識，提供種子經費鼓勵政府、工業界和學術界之間建立有效的合作。國際主要的大型化學製藥公司為擺脫製造污染和標榜重視環保的形象，也紛紛投入各式各樣的計畫、設立實驗室、或與學術界合作執行有關減低污染的製程研發。 歐洲化學理事會（European Chemistry Congress, ECC）於1993年發表一份頗具影響力的白皮書—《為了一個潔淨世界的化學》，美國化學學會（American Chemical Society, ACS）環境化學組也以類似主題—〝友善的設計︰預防污染的替代合成設計〞—於次年主辦第一屆討論會。美國環保署進一步於1995年設立「總統綠色化學挑戰獎（Presidential Green Chemistry Challenge Award）」，每年獎勵在學術界和工業界對推展綠色化學做出重要貢獻的化學品設計和製程。以〝為地球和其子民的利益〞為使命，一個非營利性質的「綠色化學研究所」於1997年成立，並每年召開「綠色化學與工程會議」；後來該組織在2001年納入美國化學學會，聯手致力於相關的研究、教育以及研討會議的推動，以提升化學企業、化學從業人員以及公眾的〝綠色〞意識。 在保護環境意識不斷增強的數十年之間進場的化學家們，也於80年代開始投入把防止污染訂為最優先考量元素的前瞻性研究，其中最為普遍的主題是利用催化劑於化學合成。特羅斯特（Barry M. Trost）於1991年提出「原子經濟（atom economy）」作為衡量合成效率或廢棄物量的尺度，是另一個重要的〝綠色〞概念 [4, 5]。「綠色化學」一詞於1990年首次出現在探討愛爾蘭化學工業成長的學術論文的標題裡 [6]，而第一個設立「綠色化學」博士學位的學程於1997年出現在波士頓的麻州大學。80年代有關污染要〝防患於未然〞的認知於90年代在政府部門、產業界、和學術界加速擴展，醞釀著化學要「綠化」的思維與概念，啟發阿納斯塔斯（Paul Anastas）和華納（John […]

開創新局的永續化學：綠色化學：以友善環境為出發點的化學（下） 周德璋 國立中正大學化學暨生物化學系chetcc@ccu.edu.tw 〔承《開創新局的永續化學：綠色化學：以友善環境為出發點的化學（上）》〕 n  綠色化學的內涵 根據阿納斯塔斯和華納二人提出的定義和12項原則 [7-9]，綠色化學是以傳統的化學原理為基礎來「設計化學產品及其製程，目的在減少或避免生產和使用任何對人類健康和環境具有危害的物質」。綠色化學的12項原則如下： 1.        防止廢棄物：防止廢棄物的產生勝過於廢棄物形成後的處理或清理。 2.        原子經濟最大化：合成方法的設計應該把過程中使用的材料最大限度地納入到最終產品。 3.        設計危害性較小的化學合成：當切實可行的情況下，應該使用及產生對人體健康和環境很少或沒有毒性的物質來設計合成方法。 4.        設計更安全的化學品及產品：設計能保有其功能效力，又同時減少其毒性的化學產品。 5.        使用更安全的溶劑及反應條件：應儘量不須使用輔助的物質（例如：溶劑、分離劑或其它）；如果需要，應使用無毒無害的物質。 6.        提高能源效率：應認識到能源需求對環境和經濟的影響並應儘量減少能源的使用；合成方法應在環境溫度和壓力下進行。 7.        使用可再生原料：當技術和經濟切實可行的情況下，使用可以再生的而不是消耗性的原料。 8.        避免衍生化學物：盡可能避免不必要的衍生化（阻檔基、保護/去保護基、暫時性的修改）。 9.        使用催化劑：催化劑（盡可能有選擇性）優於化學計量試劑。 10.    設計使用後可降解的化學品和產品：應該設計功能結束後不會在環境中持續存留，且可分解為無害物質的化學產品。 11.    即時分析防止污染：分析方法需要進一步發展，以利在形成的有害物質之前能夠即時監控。 12.    慎選化學物質來減少意外事故的發生：過程中所使用的物質及其形態，應選擇能夠儘量減少包括外洩、爆炸、和火災等潛在化學事故者。 簡單地說，化學的綠化要實踐〝4不/1沒有〞，即「不生（廢棄之物）、不滅（天然資源）、不增（製程步數）、不減（安全係數），沒有（後顧之憂）」。預防勝於事後處理，這是長久以來被公認的道理。綠色化學謀求的首要目標就是要減少或避免在源頭處和製程中產生廢棄物和污染。除期望產物外，廢棄物指任何在製造過程中所涉及的物質，如溶劑、酸/鹼輔助試劑、催化劑、分離試劑、副產物以及未轉變的原料等。廢棄物是麻煩製造者，若直接排放、焚化或掩埋會污染河川、空氣和土壤，破壞環境；若棄之可惜，回收再利用則是〝燒錢〞事，雖可減少廢棄物，但增加成本。綠色化學認知到我們在地球上所能夠使用的資源就是物質和能量。化學原料與能量來自於兩類天然資源，一類為不可再生的，例如：煤、石油和天然氣，另一類源自具有活力的生物是為生生不息的，例如：脂肪、糖和澱粉。人造化學物質一去不復返，為免耗盡原料與能量而後悔莫及，綠色化學致力於可再生原料與能量的開發，以求永續不滅。此外，製程步數越多，操作和輸入物質的量與種類越多，產生廢棄物和污染的可能性也隨之而增。理想的製程是簡而短，步數越少越佳。因此，綠色化學提倡製程應該儘量避免不必要的化學物衍生化，採用單鍋（one-pot）、串聯（cascade）及多組件單鍋（multi-component one-pot）等操作方法，以減少製程的步數，降低產生廢棄物的頻率，並保持綠化意識，以策化學安全。綠色化學的原則是人造化學品必須有其造福人類的功能性，並且對人體健康和環境不具危害性。因此，設計化學產品、所需原料、合成方法、製程與裝置時，應秉持此安全至上的原則執行化學品製造，落實〝從搖籃到墳墓〞都不會使用或產生對人類健康和環境具有危害的化學物。 表一陳列〝4不╱1沒有〞的實踐與綠色化學的12項原則之間的關係，顯示化學綠化能實現沒有〝後顧之憂〞之大利，減少或免除人類身心健康和環境受到化學物的危害、以及生產化學物品和清理廢棄物的成本；亦即，綠色化學是〝健康友善〞、也是〝環境友善〞、更是〝經濟友善〞的化學。相異於「環境化學」偏重在瞭解化學品污染的發生對自然界的影響與提出對策，綠色化學則聚焦於探索如何在源頭處防止廢棄物的污染和減少不可再生資源消耗的技術與方法上。因此，綠色化學是治本而非治標的執行策略方針，它與化學各分支學科重疊，尤其是著重於工業應用的化學合成、製程化學和化學工程。但其終極目標—即，設計分子、材料、產品和製程要能落實資源使用效率和安全性的最佳化—可以作為多樣科技領域所追求的目標。綠色化學合理利用資源和能源並兼顧環保與經濟的實踐也可以擴展到環境、經濟與社會層面，加入全球永續發展（global sustainability）的挑戰行列。綠色化學是有能力發揮不可或缺的作用與貢獻。 表一：綠色化學的12項原則與〝4不╱1沒有〞的實踐關係 4不/1沒有 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 不生（廢棄之物） ˜ ˜ ▲   […]

開創新局的永續化學：淺談榮獲美國總統綠色化學挑戰獎的兩位中央研究院院長的研究與貢獻 王正中 中央研究院化學研究所wangcc@gate.sinica.edu.tw n  美國總統綠色化學挑戰獎 美國總統綠色化學挑戰獎（Presidential Green Chemistry Challenge Award）[1]是化學學術界重量級的獎項之一，對研究領域與貢獻要求比許多獎項嚴格，需在環境與經濟的層面上有影響，不是所謂的重量級研究學者就可以理所當然輕鬆獲獎。而中央研究院前任和現任的院長翁啟惠博士和廖俊智博士（見圖一）均為此獎的獲獎者，筆者的研究領域或與翁前院長的工作一脈相承，對現任廖院長的研究工作亦稍有涉獵，因此很榮幸在此為這兩位學者的得獎工作做一粗淺的簡介。   圖一：中央研究院前任院長翁啟惠博士（左）和現任院長廖俊智博士（右） （照片來源：由左而右，http://goo.gl/BJZAUk和http://goo.gl/sFzdcP） 化學是人類文明發展中極為重要的一門科學，在我們日常生活中的每一件事、每一個用品幾乎或多或少都與化學有關，甚至生命本身的運行也包含著各式各樣的化學。筆者猶記李遠哲前院長曾勉勵敝所同仁，我們化學工作者乃是站在人類研究及處理來自分子的挑戰的第一線！而有機合成一直是化學學門中極為重要的一個領域，是結合眾多有機反應製造或修改特定有機分子的一門重要科學。有機合成不但可說是一門藝術，而且是現代藥物及化學相關工業與產業的基礎，也是促進它們進步的動力。 隨著時代的演進，新的試劑、催化劑以及方法學的發明、開發與進步，已使得有機化學家們能夠合成的分子的複雜度得以大幅度的提升。傳統的有機化學多半使用的是非生物本質的試劑，例如利用酸、鹼及金屬等，因其發展使用多年，因此相對可靠，目前仍是學術及產業界在使用時的主流。但使用這些試劑及反應時，產生的廢棄物及污染物對環境及成本均造成負擔。因此，可有效減少污染物的產生以及降低成本的新穎合成與催化方法，自然成為目前學術研究上一個重要的課題與方向。 n  翁啟惠院長與酵素合成多醣體 翁啟惠前院長素以醣類研究聞名於世。醣類分子除了是生物體中重要的能量來源之一，在許多生物過程中，也扮演著非常重要的角色。然而這些多醣分子不但複雜且結構變異性高，也不像蛋白質或核苷酸一樣已有簡單方便的方法可以大量表現或合成製造，且由自然界中萃取多醣分子也會面臨萃取產率低落、純化不易以及結構鑒定困難等等的窘境。因此為了更進一步研究這些醣分子在生物體中發揮的功能與角色，化學合成就是一個相對最合理也有效的方式來取得這些生物分子。由於先前提到醣類分子的結構複雜，生物化學家在鑑定其結構時有很高的可能性會產生誤判，但使用化學合成時，化學家得以在過程中保證每一步驟所得產物的純度與結構，最終得到的產物除了可以證實結構鑑定的正確性之外，也可得到較大量且純度符合實驗所需的樣品材料。不過，以傳統的有機合成方法來製造複雜的醣類分子，是一項相當巨大的工程。每一個單醣上都有許多化學活性相似的羥基，如果不將其個別保護起來，這些醣分子一來不溶解於有機反應中常用的溶劑，二來進行醣鏈結反應（glycosylation reaction）將單醣組合成雙醣或多醣時，也將無法控制形成的雙醣或多醣的結構，而是會形成許多難以分離和純化鑑定的不同異構物的混合物。然而光是在每一個單醣上依據目標多醣分子的結構置入合適的保護基團與離去基團這件事，就少則需至少三至四步的反應步驟，多則可能需十餘步，且在不同的單醣分子中區分各個位置的羥基均需不同的反應策略，往往一個多醣分子動輒需要數十個反應步驟才能完成；再者，在將單醣組合成多醣時牽涉到醣苷鍵（glycosidic bond）的形成，但每形成一個醣苷鍵時均會產生兩種不同的立體異構物（stereoisomer），且此類型的異構物由於分子結構差異微小，大部分都極難分離純化。因此，每一個步驟都意味著試劑、時間以及純化所必須付出的經濟成本，以及包含重金屬、過渡金屬以及有毒溶劑的環境成本，且異構物的產生也必須付出高昂的純化分離成本並造成產率的降低。此外，在合成製程之初辛苦置入的保護基在合成的最後階段時也需花費數步反應將之去除，而且由於分子量因此下降，又會造成樣品產量急遽降低，是一項吃力而不討好的工作，也因此造成醣類合成的原子經濟性（atom economy）極低。合成10毫克的多醣分子往往需要數十甚至數百克的單醣分子起始物。 翁啟惠前院長在2000年獲得美國總統綠色化學挑戰獎前就已跳脫一般化學合成的思維，是以酵素進行有機化學轉換，藉由新型高效酵素的發展與反應物的設計進行大反應量的有機合成，更是以酵素合成多醣體的先驅。 利用基因重組將酵素做若干設計與優化，以酵素進行有機轉換，是合成醣類分子的一項重要工具與方法，其兼具高專一性且低污染的優勢。因此，以酵素進行有機反應成為傳統化學及藥物化學工業重要的新思維。酵素本身結構所帶來的高專一性，使得上述醣類的合成完全不需要保護步驟，即可將單醣逐一在指定的位置上接在另一個單醣或多醣上，且立體位向選擇性單一，不會產生另一個立體異構物。整個多糖的製程因此得以大幅度簡化。這些都是傳統有機化學學理上或實際上都無法做到的。翁前院長發展的酵素方法和策略於是進一步使得酵素的使用更為簡便迅速。 傳統有機反應做大量放大時有著各方面的成本，尤其在純化方面通常成本十分高昂。使用酵素合成多醣體時，通常最大的問題及成本則在於酵素反應需要的反應物—核苷酸醣（sugar nucleotide）取得不易且並不甚穩定，因此反而是最大瓶頸。翁前院長巧妙地將轉化單糖分子成核苷酸醣的焦磷酸化酶（pyrophosphorylase）與醣基轉移酶（glycosyltransferase）混合在同一個系統中，如此一來焦磷酸化酶即可在系統中源源不絕地供應醣基轉移酶所需的核苷酸醣，而不需另行製備且純化這些不易處理的核苷酸醣，進而使得反應可以一次合成大量的多醣體。圖二為以綠色框中的葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate）以及紅色框中所示的乙醯葡萄糖胺為起始物，混合磷葡萄醣變位酶（phosphoglucomutase）、UDP-glucose pyrophosphorylase、UDP-D-glucose 4-epimerase （UDPGE）（將葡萄醣轉換為半乳醣）、半乳醣轉移酶（galactotransferase）、pyruvate kinase等多種酵素，即可在單一反應步驟中合成藍色框中所示昂貴的乙醯乳糖胺雙醣產物。[2] 類似的系統後來被大幅的運用在許多複雜多醣的合成上，且已有許多醣化學家基於此一基礎做更深入的改良與應用，因此這一成果對醣類化學及酵素化學上，都是極為革命性的進展。                                               圖二：一鍋化多酵素雙醣合成反應[1] 由於此一方面的貢獻，翁前院長更是1994年到1996年段期間內，世界上論文被引用次數最多的前15名，同時是當時在酵素領域中被引用次數最多的傑出化學家。由於這些劃時代的進展使得化學家得以用更低污染的方式大量合成所需物質，因此獲得西元2000年美國總統綠色化學挑戰獎。 n  廖俊智院長與微生物合成醇類 另一方面，廖俊智院長是生物分子和代謝工程（biomolecular & metabolic engineering）、合成生物學（synthetic biology）以及系統生物學（system biology）的權威與翹楚，也在2010年因他的研究在能源方面的卓著貢獻而榮獲美國總統綠色化學挑戰獎。 乙醇也就是酒精是近年來十分重要的生質能源，也就是由生物質（biomass）轉換而成的能源之一，也常被作為燃料的添加物。但使用乙醇作為燃料的主要問題在於它的能量含量（energy content）太低，約只有汽油的三分之二。含碳原子數目較高的醇類會有較高的能量含量，但是自然界中的微生物並無法製造這些碳原子數高於乙醇的醇類，因此其來源與製造方法就成為以這些高碳數（特別是3-8個碳原子）醇類作為生質能源的主要瓶頸。這些含碳原子數為3-8的醇類同時也是常用的化工原料（chemical feedstock）與運輸燃料（transportation fuel），如果能以生物或酵素的方式，直接由二氧化碳或間接由碳水化合物大量合成製造這些分子，不但可以稍解能源問題也可減少碳排放。但是自然界中的生物體並無生合成（biosynthesis）製造這些分子的能力，而在廖院長的研究之前亦無直接以二氧化碳合成這些分子的方法，而且超過五個碳以上的醇類也無法以透過生物的方式合成出來。 廖俊智院長結合其化學工程與生物化學背景，以微生物技術成功的將葡萄醣或二氧化碳轉化為含3-8個碳原子的醇類。他巧妙地利用微生物生合成自身所需胺基酸的機制，先在大腸桿菌中大量表現將葡萄醣轉化為其生產所需胺基酸的酵素，讓葡萄醣轉換為2-酮酸（2-keto acid）中間體，再以在大腸桿菌中植入的2-酮酸脫羧酶（2-ketoacid decarboxylase）與醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase）令微生物製造合成相對應的醇類，前者可將2-酮酸脫去酸基形成醛類，後者再將醛類還原成醇類。以生產異丁醇（isobutanol）為例（見圖三），讓大腸桿菌在葡萄醣溶液中大量表現其轉殖的ilvIHCD基因，將葡萄醣轉化成2-酮異戊酸（2-ketoisovalerate）中間體，接著在大腸桿菌中一樣由轉殖而來的2-酮酸脫羧酶與醇脫氫酶即可將2-酮異戊酸轉化為異丁醇。在24小時反應中，可幾乎將所有的葡萄醣均轉化為異丁醇產物，產率與效率可謂極高。藉由利用不同胺基酸生合成的過程，有六種3-8個碳原子的醇類可以這種方式合成製造。[3] 若更進一步結合光合作用，以二氧化碳行光合作用形成反應所需的葡萄醣，等於可以直接以微生物生合成的方式由陽光和二氧化碳直接生成燃料或化工原料。不但可以減碳，且其效率比以玉米發酵得到乙醇還高，且不用以珍貴的玉米糧食換取生質燃料。未來如果可以克服商業化的瓶頸，每年以此方式製造600億加侖的醇類，可取代美國25％的石油用量，減少五億噸—大約相當於美國每年8.3％的二氧化碳排放總和。                                         圖三：以大腸桿菌將葡萄醣轉化為異丁醇[3] 兩位前任與現任院長對於生物化學深厚的瞭解與洞見所引發出來的研究與創意，對永續化學貢獻卓著，讓人類學習大自然在溫和的反應條件下產出所需物質。翁前院長利用酵素的方法解決了醣類合成與大量合成有機分子的瓶頸；廖院長則以生物工程解決生質能源能量含量以及製備的問題，兩位都可說是為人類解決重大難解問題的關鍵突破者，引發後人更多的研究與創新，因此獲頒此獎實至名歸。 n  參考文獻 […]

開創新局的永續化學：綠色化學與循環經濟的體現 曾玉明 臺灣永光化學工業股份有限公司yuming@ecic.com.tw  n  前言 永光化學深切體認，企業不能只求獲利，更要善盡企業社會責任，將「環境保護」列為首要之務；以「正派經營」的經營理念，堅持只做對的事，研發生產友善環境、對人類有具體貢獻的化學品，具體落實「更用心的化學‧更美好的生活」的品牌承諾。 永光化學訂定「珍惜地球資源，遵守環保規定」的環境政策，1997年臺灣第一家化學公司通過ISO 14001環境管理認證並落實執行；實施教育訓練，提升全員環保意識與能力；持續改善製程，提高資源生產力；推動工業減廢，落實污染防治工作；研發環保技術，提升污染處理效能。近年來，更興建完成綠建築工廠、推動清潔生產，努力打造「綠色工廠」，並朝著「2020年的溫室氣體生態效益為2005年的2.5倍」之目標，逐步落實「成為永續創新、提供綠色化學解決方案的全球化幸福企業」的綠金願景，如圖一所示。奠基於多年的努力，永光化學曾連續7年榮獲《天下雜誌》「企業公民獎」的殊榮。 圖一：永光化學懷抱永續經營的信念，朝向「2020綠金願景」的目標邁進。 2012年，交通大學教授朱博湧在其著作《綠金企業》，將永光化學列為臺灣六大「綠金」典範之一。他說：「雖然身處在看起來與環保最為衝突的化學產業，永光卻堅信好的化學技術，是能夠改善環境的技術，以提升全體人類生活福祉為最高目標，努力不懈地降低經營過程對環境、人類產生的傷害。」2016年，資誠教育基金會董事長朱竹元亦於《企業社會責任與永續發展策略》一書中，收錄永光化學為國內五家企業社會責任（Corporate Social Responsibility, CSR）標竿之一。 n  提供綠色化學解決方案 綠色化學（Green Chemistry）又稱永續化學，強調每項產品的生產過程，不僅要減少消耗量、提升原子利用率，還要避免不必要的衍生物和廢棄物。亦即，從源頭開始，就充分利用原料和能源，減少、甚至零有害物質釋放，以降低對環境的衝擊。基於這樣的理念，永光化學以「提供綠色化學解決方案」為積極努力的方向。 有害物質，連結上下游一齊杜絕 「對人類有害的產品，永不列為經營項目」，產品選擇是永光化學的經營原則之一。永光以高品質、高性能的色料化學品、特用化學品、電子化學品、醫藥化學品及碳粉，行銷全球五大洲、近百個國家，每項產品皆遵循本國及他國化學品登記法規，保護人類及環境免於受到有害化學品的威脅。 自2007年起，永光化學依「無有害物質（Hazardous Substance Free, HSF）產品政策」確實管理有害物質，生產綠色產品，並於2013年成立產品責任處，專職產品安全和化學品登記。永光不僅力求符合法令、積極回應客戶與消費者對HSF的需求，也要求上游原材料供應廠商，完全遵守規定，進行綠色供應鏈管理，共創永續未來。 2011年，六大品牌聯盟聯合承諾於2020年之前，在供應鏈中實現有害化學品零排放（Zero Discharge of Hazardous Chemicals, ZDHC）。永光化學於2015年加入ZDHC基金會，是臺灣第一家正式加入的染料公司，致力實現2020有害化學品零排放的目標，如圖二所示。同時，永光化學於2015年順利通過bluesign® system藍色標誌第三方認證，成為bluesign® system partner合格化學藥品供應商，提供下游客戶可持續性紡織品生産的解决方案。 圖二：永光化學總經理陳偉望（左）於「2014 ZDHC臺北論壇」分享有害物質管理經驗。 綠色產品，更安全、更友善環境 開發對人體和環境友善的綠色產品，是企業永續發展、並善盡企業社會責任的一環。永光化學密切關注國際法規的發展，積極運用研發和技術方法，推出更安全、更友善環境的化學產品。舉例分享如下： 1. 桌上型噴墨印表機墨水 歐盟基於保護人類健康及環境安全，自2007年起，歐洲化學署（European Chemical Agency, ECHA）發佈「高度關切物質」（Substances of Very High Concern, SVHC）。永光化學針對桌上型噴墨印表機用墨水配方含有SVHC成分，積極尋求改善方案，成功開發出更安全的替代原料，並以實務經驗協助國內企業了解化學品安全替代的基本觀念及做法，共同提升臺灣的國際形象，站穩綠色化學品市場，如圖三所示。 圖三：永光化學針對墨水配方含有SVHC成分，成功開發出更安全的替代原料。 2. 數位紡織印花噴墨墨水 數位紡織印花不同於傳統印花，是節能環保低污染、低耗水的高科技技術，墨水是其關鍵。永光化學為了保護環境，經過十餘年精心研發，針對不同織物及不同噴頭，開發出適用的噴墨墨水，為客戶找出好的解決方案，使得原本高污染、高耗能的染整製程，變得更科技、更環保，如圖四所示。永光的數位印花染料，引領全球紡織業實現時尚與環保兼容並蓄的理想。 圖四：永光化學的數位印花染料，帶動紡織業的綠色風潮，創造綠色商機。 綠色製程，更節能、清潔與環保 由於製造過程是產生污染的主要來源，永光化學以「綠色工廠」為目標，持續提高能資源運用效率，推動綠色生產改善，以達成節能、清潔與環保的綠色製程。舉例說明如下： 1.      […]

開創新局的永續化學：城市礦山議題：電子廢棄物之貴金屬綠色化學回收製程 許景翔1, *、馬小康2 1優勝奈米科技有限公司2臺灣大學機械工程系*KennyHsu.uw@gmail.com 由於科技發展的日新月異，電子產品的汰舊換新速度越來越快，如平板、電腦、電視、及手機都是增長最快的廢物流，預計到2020年全球將有超過1200多萬噸的電子廢棄物，因此，妥善回收處理將有助於環境管理和促進循環經濟，提高資源利用效率。 n  城市礦產 臺灣缺乏天然礦產資源，而全世界的貴金屬礦產分佈主要還是在少數幾個國家（見圖一）[1]，因此臺灣要繼續製造電子產品，得有效地從廢棄電子產品來提煉有價礦產資源。以智慧型手機為例，整支手機蘊含豐富金屬在其中（見圖二），因此「城市礦產」的回收概念就顯得相當重要。事實上，臺灣製造業的重大投資及生產與出口活動大多集中於電子零組件的半導體、印刷電路板、光電產業的平面顯示器及太陽能電池等產業。以印刷電路板為例，印刷電路板上的連接器、基板線路、電子元件焊接處、製成廢料及邊角下腳料等均富含金、銀、銅、錫等高價金屬。金屬材料是產業鏈的最前端，若能將廢棄電子產品中之金屬回收再利用，透過資源循環再生，使3C電子垃圾轉化為城市礦山，將可供應臺灣電子相關產業的物料需求。從環保署提供的資料顯示來看（見圖三），臺灣是有機會減少對外來資源的依賴及活絡去化管道，有利於降低生產成本，促使金屬資源有效使用，並提高臺灣相關產業的國際競爭力。 圖一：世界資源產出分佈圖（見參考資料[1]） 圖二：智慧型手機使用到的金屬資源（見參考資料[1]） 圖三：各種電子電器產品的金屬含量 （圖片來源：行政院環保署基金管理委員會） n  提煉貴金屬的方法 電子廢棄物的回收，已成為先進國家積極爭取戰略物資之路徑。傳統貴金屬回收業所使用強酸王水法和劇毒氰化物法，或是使用焚燒，這些方式不但耗能，也會產生嚴重水污染以及載奧辛、PM2.5懸浮微粒等空污問題。 目前歐洲、日本、美國等提煉貴金屬的方法如下： 比利時Umicore是世界上最大的貴金屬回收商之一，前身為聯盟礦業公司，總部設在布魯塞爾。Umicore的核心業務是回收各種貴金屬和其它有色金屬，以及某些非金屬如硒的精煉。回收和銷售的貴金屬如金、銀、鉑、鈀、銠，特種金屬如銦、硒、碲，以及鉛、銅、鎳等。Umicore的國際電子廢棄物（Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE）熔煉回收技術，用於從電子廢料如印刷電路板（printed circuit board, PCB）中回收有價金屬，應用頂吹旋轉爐可將PCB熔煉成富含貴金屬的粗銅，然後採用橢圓形爐或反射爐進一步精煉。 日本DOWA集團已整合出日本最大的冶煉和廢物回收業務，利用冶煉技術處理廢棄物。廢物處理包括電子設備，移動電話，丟棄消費電子及電器。子公司DOWA ECO-SYSTEM最初是在DOWA的開採和提煉作業中提取貴重金屬（如存在於礦石中非常小濃度的金與銀）。目前從事個人電腦電路板、移動電話、消費電子產品及家電等設備的有價金屬回收。DOWA集團從電子廢物利用冶金技術回收不同的金屬元素（見圖四）。圖五為ECO-SYSTEM KOSAKA之〝金屬和蒸汽回收焚燒爐〞，可將貴金屬從被處理廢棄物中提煉出來。通常電子廢棄物焚燒精煉爐其投資規劃與金額需要超過1000億台幣以上才有可能達成整廠建構與營運費用。 圖四：從電子廢物利用冶金技術回收不同的金屬元素 （圖片來源：DOWA Corp.） 圖五：金屬和蒸汽回收焚燒爐 （圖片來源：DOWA Corp.） 美國緯創公司（Wistron Corporation)）積極進行多角化經營，緯創於2010年設立100％投資子公司Wistron Green Tech，斥資6億元台幣，於美國德州北部McKinney市設立電子廢料回收與精煉廠，這也是緯創在回收事業的布局，美國緯創的技術不同於焚燒印刷電路板的方式，是採用臺灣優勝奈米科技的環保剝金與剝錫製程來提煉貴金屬，緯創的環保提煉貴金屬製程如金、銀、鈀等，已獲得美國Dell公司公開支持其回收計畫及處理方式，此專利技術也即將獲得法國Veolia與美國Apple公司的支持，將有機會改變全球電子廢棄物的處理模式。 以上由臺灣優勝奈米科技有限公司所開發之技術，並將擴大規模為模組化量產貨櫃型裝置。這些技術分別為(1)環保化學剝鍚技術；(2)環保電解剝金技術；及(3)環保化學剝金技術，其相關煉製貴金屬流程如下： (1)   環保化學剝鍚技術 環保剝鍚技術是以鎳、銅、鋁抑制劑為主的SnST-550A剝錫劑，將印刷電路板置入於剝鍚溶液中，保持溶液溫度介於20-35oC並靜置約40分鐘（見圖六）。圖七為環保剝鍚技術用於PCB電子零件之比較，針對含金之電子零件，如IC，則再採用環保化學剝金技術來分離貴金屬。原剝鍚溶液則加入NaOH至pH值 > 12，經過濾取出之氧化錫泥，置於通入20% H2及80% N2之800oC高溫爐中，則可獲得之> 99.9%純錫。 圖六：廢家電主機板經過環保剝鍚前後之比較，完全沒有腐蝕零件 （圖片來源：UWin Nanotech. Co., Ltd） 圖七：廢主機板經過環保剝鍚前後之比較 （圖片來源：UWin Nanotech. […]

開創新局的永續化學：利用生物質作成生物炭來反轉氣候變遷 羅芬臺 中央研究院化學研究所中央研究院天文及天文物理研究所luoft@gate.sinica.edu.tw n  溫室氣體減量的解決之道 近年來，氣候變遷的議題已被廣泛的討論，氣候變遷是指全球平均氣溫會不斷的升高或降低。2016年十一月美國太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）就認為2016年將會成為最近136年紀錄中最熱的一年。其他機構，包括英國氣象辦公室（Met Office）、美國國家海洋暨大氣總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）、日本氣象廳（Meteorological Agency）及聯合國世界氣象組織（World Meteorological Organization, WMO），也都表示2016年是破紀錄最熱的一年，同時將是連續第3年的新高。而且WMO的報告指出，2016年全球氣溫比工業化之前高出了1.2度。2015年聯合國氣候變遷大會（COP21）有近200個國家簽署了《巴黎協定》，它是具有法律約束力的全球溫室氣體減量新協議，雖然氣候變遷與大氣中二氧化碳濃度的關聯性已被爭論了一百多年，但《巴黎協定》成功地凝聚了全球的減碳共識，要求各國定期檢討「國家自主決定預期貢獻」（Intended Nationally Determined Contribution, INDC），確保二氧化碳減排進度要使全球平均氣溫不高於工業時代的2°C。臺灣2015年6月15日也通過了《溫室氣體減量及管理法》並宣布INDC的減碳承諾，將臺灣帶往溫室氣體減量的新里程。 到目前為止，科學家對如何將大氣中的二氧化碳濃度降低有許多建議與想法。其中利用生物質（biomass）來進行生物能源與碳捕獲和儲存（Bio-energy with carbon capture and storage, BECCS）和將生物質做成生物炭（biochar）是兩種減少大氣中二氧化碳常提到的技術。生物質通常是指不用於食物或飼料的植物或植物基材料，並且特別是指木質纖維素的生物質（lignocellulosic biomass）。植物也是有壽命的，如果不處理死掉的植物，它腐爛後會放出更多的溫室氣體，例如：甲烷和氧化亞氮，而甲烷和氧化亞氮的全球變暖潛能值（Global warming potential, GWP）分別是二氧化碳的72倍和275倍。因此，在生物質腐爛前就將生物質處理掉，應該是比較適當的做法。 生物能源與碳捕獲和儲存主要是將生物質燃燒或與煤炭一起燃燒產生能源或用於發電，再將產生的二氧化碳收集並灌注到地層深處，這種藉由植物生長吸收二氧化碳，再燃燒植物產生能源，所產生的二氧化碳再埋到地層深處是一種負排放或負碳的方式。據政府間氣候變化專業委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）評估報告指出，生物能源與碳捕獲和儲存是一個實現降低大氣中二氧化碳濃度的一個關鍵技術。英國皇家學會（The Royal Society）也已經估計這個技術將能減少50-150 ppm的二氧化碳濃度。不過，也有人擔心碳捕獲和儲存（carbon capture and storage, CCS）會不會發生二氧化碳外洩的意外？ 生物炭的製備是藉由活的生物質在生長時吸收二氧化碳，再經由生物質在缺氧狀態下的熱解而得到。熱解所產生的氣體和生物油可當能源，而固態的生物炭埋於地下，除了可以吸收多餘的水分，在乾旱時排出，而且還可以當作土壤的增強劑和吸附有毒重金屬的除汙劑，是具負碳性質的產物。2010年的Nature Communication [1] 以及2015年的Nature [2] 都發表過生物炭可降低二氧化碳的排放以減緩氣候變遷，並可提高農產量及控制污染的報告。 […]

開創新局的永續化學：永續能源挑戰下的化學研究方向：以二維奈米材料為光觸媒還原二氧化碳 連香婷、林麗瓊* 國立臺灣大學凝態科學研究中心*chenlc@ntu.edu.tw n  溫室效應的好與壞 溫室效應是地球大氣層上的一種物理特性，指大氣層內的某些氣體吸收紅外線輻射，並保留紅外能量的氣體，即為溫室效應氣體 [註1]，因為有這些氣體，所以地球的表面溫度才可以保持人類可生存的溫度。然而，19世紀工業革命後，人類開始大量燃燒化石燃料作為動力，使大氣層內溫室氣體的濃度大量上升（特別是二氧化碳），以及使用大量人為合成的氟氯化合物 [註2]，排放過量的溫室氣體，加劇了「溫室效應」的作用，導致現今地表平均溫度大量上升（見圖一）[2]，使得全球氣溫暖化，更進一步造成全球氣候變遷。 圖一：自十八世紀開始全球的平均溫度變化（更新至2017/01/18）。(a)1年平均和12年平均全球地表溫度異常圖，(b)綠線為利用1年平均與12年平均推測溫度變化之預測趨勢。（見參考資料[1]） n  全球溫室效應之對策 為了因應全球氣候變遷，聯合國於1992年制定一個國際公約，其目標是「於一定時間內，將大氣中溫室氣體的濃度控制在一定範圍。這濃度範圍應當在足以使生態系統能夠自然地適應氣候變化、確保糧食生產免受威脅並使經濟發展能夠可持續地進行」。該公約自1995年起，並每年召開締約方會議（Conferences of the Parties, COP），大家所熟知的「京都議定書」就是在1997年COP3會議中所制定的第一個具約束力的國際環保條約，於2015年底（2015/11/30-2015/12/12）為期13天在巴黎氣候變遷會議（COP21），這次會議的目標是達成具有約束力的措施，解決氣候變化問題，遏制全球氣溫上升。 根據統計（見圖二）[2]，雖然臺灣的碳排放不在世界前茅，但是臺灣卻有兩座發電廠排放的二氧化碳進入了前十名，臺中和麥寮火力發電廠，這實在不是一件值得光彩的事。因此，如何為地球提供一個更好的未來，是我們現在急需努力的事情，除了降低碳排放量之外，如何將它轉換成更有經濟效應的燃料，是目前科學家努力的目標。 圖二：2007年世界各國的二氧化碳排放量，左下圖顯示臺中和麥寮火力發電廠排放二氧化碳分別在全世界排名第一和第六。（見參考資料[2]） n  太陽能燃料：利用人工光合作用（光觸媒）達成二氧化碳減量 降低現今大氣中二氧化碳的濃度是各國現在努力的目標，其中降低二氧化碳排放量是減碳的第一種方法，另外還有二氧化碳儲存及利用太陽能燃料轉換二氧化碳為碳氫化合物。太陽能燃料的概念取自大家熟知的光合作用，自然界中植物進行光合作用是利用空氣中的二氧化碳與水經由太陽光的照射，轉化成葡萄糖與氧氣。因此除了大量種樹降低二氧化碳的含量之外，科學家想仿照自然方式，製造人工樹葉（光觸媒）來轉換二氧化碳成為更具經濟效應的燃料。無論是從能源的角度，還是從環境的角度來看，研究光觸媒還原二氧化碳是一舉兩得的好方法。 一、   背景介紹 太陽能取之不盡用之不竭，是目前最豐富且可持續的自然能源，地球接受太陽輻射能量為1.73 × 1017焦耳每秒，簡單來說，接受30分鐘的太陽輻射照射量，即足夠全球一整年的能源總消耗量。以太陽能電池為例，即是將太陽能轉換成電能，而所謂的太陽能燃料，便是將太陽能轉換成化學能，而光觸媒在此過程即是扮演一個重要的角色。太陽能燃料可以是以氫能的形式（利用光分解水產生氧氣與氫氣）或是以還原二氧化碳所產生的碳氫化合物形式存在。表一列出各種分解水與二氧化碳所產生的產物與所需的電子數與電位。[3] 2H2O à O2 + 4e– +0.81 V 2H+ + 2e– à H2 -0.42 V CO2 + 2H+ + 2e– à HCOOH （甲酸） -0.61 V CO2 + 2H+ + 2e– […]