綠色化學(Green Chemistry)大挑戰

綠色化學(Green Chemistry)大挑戰
知識通訊評論第63期

生產諸多生活用品的化學工業，也有製程污染的問題。不產生危害環境的無污染綠色化學，是技術上更是觀念上的挑戰。

為什麼化學製造業無法永續發展？

造成這種情況可歸咎於兩主要原因。第一是舉凡香水、塑膠及藥品等大部分的化學產品，主要原料都是碳，而偏偏碳又要靠地球上有限的石油原料加工而得。確實有替代碳的資源，在利用石油以前，煤炭是化學生產的原料，可以回過頭來利用。但是立即可用的煤炭藏量畢竟有限，煤炭轉化為化學成品過程中必須滲入金屬作為觸媒，金屬原料的供應也日漸稀少。

第二個重要原因，牽涉到廢棄物。化學工業生產過程中通常會製造大量廢棄物，如何妥善處理廢棄物以到環保標準，已成為相當令人頭疼的問題。

現有科技難道無法解決這些難題嗎？

一點不錯。化學工業雖在製程效能提昇上做了許多努力，但是自然資源的日漸耗竭，卻不可避免局限了化學產出跟上世界人口膨脹的龐大需求。除非有劃時代的創新科技，要不然化學工業界光是應付現有市場需求，都將會有問題。為實現綠色化學的理想，現階段學術界和產業界所面臨的最大挑戰，就是如何發展出永續策略，滿足不斷成長世界人口對化學產品的需求。

綠色化學的製程有什麼特別不同之處？

綠色化學的整個製程與傳統生產方式大不相同，此項變革首先面臨的挑戰就是發掘可再生的加工原料。目前針對非食用植物，化學家正積極研究有效方法，將整株植物轉換成有用產品。其次，必須想辦法讓化學生產對環境的負面衝擊減到最低。比方說，傳統化學生產觸媒多是採用金屬為，金屬具有毒性，而且蘊藏量日少，非金屬觸媒就成為必然的替代方案，利用改造過的有機化合物(即有機觸媒)或是酵素促進化學反應就是可行的方式。

另一方面，工程技術的改進也不可或缺的，必須改善工業製程及反應器的設計，以達最大的效率並減少廢棄物。同樣重要的是提升分析技術的水準，以持續追蹤化學反應產生的有害物質及對環境的影響。最後，為降低化學製品對環保的負面衝擊，必須要加快腳步研發毒性低、具生物可分解性的替代品，以取代現今大量生產的化合物。

如何分辨化學製程是否符合環保要求？

這個問題困擾化學界已久。現在業界已歸納出十二個原則，作為製程是否符合環保的衡量標準。這些原則考量到幾個層面，包括廢棄物產出量、化學製程的步驟數(愈少愈好)、使用觸媒與否(觸媒通常用量很少，又可降低化學試劑的用量，應該鼓勵使用觸媒)、以及產品的毒性。並不是說所有新化學製程都要符合這十二個原則才可以，但是這樣的衡量指標的確有助於篩選出較為環保的製程。

製程的環保程度可以量化嗎？

這方面已提出了好幾種方法，其實最簡單的方法就測量廢棄物製造量。根據製程的平衡化學方程式，假設投入產出比為百分之百，則可以從起始物質的每單位質量，計算出廢棄物理論數量。但事實上，大部分的化學反應無法達到那麼高的產率，且真正製造出的廢棄物數量遠大於理論值。針對這個問題，可以用E-factor，也就是廢棄物與產品的質量比來衡量，所有的製程應以達到最低可能E-factor為目標，最環保製程的E-factor應該為零。

用E-factor來判斷，現有化學製程中最不環保的是那一個？

E-factor往往透露出令人驚訝的訊息。傳統觀念認為，大規模製程的大宗化學品業，比起製程規模相對較小的製藥業，前者對環境破壞力一定比較大。大宗化學品製程的產品量及廢棄物量均高，但是該產業的E-factor卻都低於五。相反的，製藥業的E-factor卻常常大於一百。例如抗憂鬱新藥Sertraline剛推出時，每生產一千公斤的藥品就必需使用二十五萬公升的溶劑，依照前述綠色化學原則，溶劑使用量必須降低十倍才符合環保標準。

難道沒有零廢棄物產出的化學製程嗎？

化學反應開始時必須靠能源來打破起始物質的結構，因此不可避免要產生廢棄物。假使投入的能量無法與產品結構所產出的能量取得平衡(事實上這種現象經常發生)，勢必製造出更多額外結構物，這通常以副產品型態出現。有些副產品可用作進一步化學反應的材料，例如生產尼龍過程中產出的一氧化二氮(N2O)，就可以用來作為氧化劑，可將苯(benzene)轉化為苯酚(phenol)，進而製造出多用途的化學物。

但許多副產品不是濃度過於稀釋，就是活性不足，以至於無法有效循環利用。在這種情況，處理有機廢棄物的最明智效方式，就是在安全無虞的防護下將其焚化，這樣做至少可以利用到焚化所產生的熱能。但事實上主要廢棄物並不是化學反應的副產品，溶劑才是。

既然如此，處理溶劑應該是綠色化學中非常重要的議題吧？

這的確是優先要解決的問題。許多溶劑都易燃且具有毒性，且大多是會造成大氣污染的活性有機化合物。在大部分化學反應中，溶劑扮演關鍵角色，它可以促進混合、傳遞熱能、及控制試劑的反應性。但絕大多數溶劑是用於物質的隔離、分離與純化。假如化學反應可以達到最佳化，不製造出任何副產品，純化過程就可以被省略(或者至少降低到最低需求度)，整個製程所需溶劑量也將因此大幅減少。能研發出環保溶劑，那當然更為理想。

如果不使用傳統溶劑，可以有什麼替代品？

有些化學反應完全不需要任何溶劑，然缺乏溶劑作為熱傳媒卻可能導致反應過熱而無法收拾。最常用來替代傳統溶劑的就是超臨界二氧化碳(supercritical CO2，原有氣體被壓縮到幾近液體狀態)、離子液體(ionic liquids，在室溫下呈液態狀的有機鹽)及水。

為何不用水來取代有機溶劑？

問題在大部分的有機化合物不溶於水。即使如此，有許多化學反應可以在水中進行，比方說透過一氧化碳和氫的催化，丙烯(一種碳氫氣體)經過化學反應後可製造出丁醛，而丁醛這種活性化合物，正是用來製造眾多化學產品的起始物質。

但水相體系製程的最大困難就在於從中萃取出產品，要蒸發大量的水將耗用大量能源。不過可不要光看化學反應是在少量的水中進行，就以為製程是環保的，因為接下來的純化過程可能需要更大量的有機溶劑。這就好比光看搭飛機的乘客從登機門到上機這段路是用走的，就斷言航空飛行符合環保，一樣是以偏概全。

超臨界二氧化碳究竟有什麼神奇妙用？普遍運用二氧化碳不是會造成氣候改變嗎？

改變氣壓就足以轉變物質在超臨界二氧化碳中的溶解度，靠這個特性就得以突破傳統溶劑的極限，創造出新的分離與純化方法。比方說適度將二氧化碳壓縮，就能讓某些化合物在水中分解，無須借助蒸餾技術就可將物質分離出來，大大簡化了工業製程。

超臨界二氧化碳根本改變了許多活性藥用成分的層析純化過程，因為藉由化合物能在二氧化碳中高度擴散的特性，二氧化碳比傳統溶劑能導致更徹底的分離效果。

超臨界二氧化碳的另一個優點就是沒有毒性，因此多年來已被用來除去咖啡中的咖啡因。由於此製程所使用的二氧化碳是來自其他製程的副產品，所以並沒有因此增加改變氣候的因子，但是缺點是將二氧化碳壓縮為超臨界狀態，需要耗費大量能源。

為何離子液體被喻為環保溶劑？

離子液體的最大優勢在於其蒸發量極低，所以不會擴散到大氣中造成氣候改變，但最大問題是在離子液體所潛在的毒性。截至目前為止，少數被測試過的離子液體，已發現有些所具有的毒性和傳統溶劑相比並不相上下，然有些卻沒有什麼毒性。

如同對以水做為溶劑的看法一樣，若只憑一宗化學反應是以離子液體做為溶劑，就標榜此為環保作法，那未免太過武斷。一種較為可行的作法，是將離子液體與其它環保溶劑混合，例如曾試驗在含有已溶解觸媒的離子液體中，利用超臨界二氧化碳傳送反應物質，結果得以在製程中連續萃取出產品。觸媒通常成本不低，在離子液體中作用可以避免觸媒散失，進而節省成本。

在傳統溶劑中無法進行的化學反應，可否在環保溶劑中順利進行？

以在僅有的少數案例來看，環保溶劑的表現差強人意，其中包括對工業有極大用處的案例。比方說，以超臨界二氧化碳作為溶劑，有機化合物和氫的反應就十分理想，又如在離子液體中某些烷基化反應，造成碳氫族群與芳香族化合物相互連結的效果特別的好。此兩類反應在化學產品製造中均廣為運用。

化學工程在環保化學製程中扮演什麼角色？

設計化學製程和研究化學反應同等重要。環保化學有趣之處就在於集合了化學家與化工專家的智慧，環保溶劑為反應器開啟了新的設計方向，對於反應量化資訊的需求，則再次燃起各界對於物理有機化學的興趣。配合此種需求趨勢，各大學的化學系及化工系正密切合作展開研究。

製程再造帶來了什麼變革？

此方面最大的進展就是從批次反應轉型為連續製程，好像是用淋浴取代盆浴。在連續製程運作方式下，因為是以小量物質在每一時刻持續進行化學反應，所以不須像批次反應須要那麼大的反應器；同時由於產品和反應物質持續不斷移轉，可以達成高反應率且不會造成過熱。連續製程不僅安全，而且製成品純度更高，製造方式也比較有彈性，可以依照需求量產出化合物，無須一次製造出一大堆產品徒增囤積成本。

化學工業可否不再仰賴石油為基本加工原料？

取自植物的生質是唯一可再生的碳資源，但由於生質的化學成分與原油不同(原油含有較多氧)，因此必須發展出新型反應以將生質有效轉化為有用化合物。這是化學工業界所必須面對的課題，用酵素將生質轉化為化合物的生態工法，已顯現出發展契機。而針對農產品產生的季節性、影響食物供給來源的可能衝突、以及生質成分的不同等這些利用生質所可能面臨的問題，則需要設計出不同的製程，以將不同種類的生質轉化成化學製品。

產業界如何看待綠色化學？

一開始各界普遍不看好綠色化學的潛在利益，但隨著環保製程比傳統製程的獲益性高的事實愈加明顯，產業界對綠色化學的興趣與日俱增。好幾個自創品牌的藥廠，就已改採成本低廉的酵素反應取代傳統觸媒，而化學產業的全球化發展的腳步，更意謂著只要一些人的投入，就可在全世界引發變革。

實際上，已有一小群工業製程化學家創出令人振奮的成果，他們研發出一種簡便工具，可以用來分辨出較無害的替代溶劑，利用這個工具已大幅改善全球各地製藥業使用有毒溶劑的情形。

展望未來，最關鍵的挑戰是什麼？

綠色化學家所面臨的最大挑戰，應該是如何讓世界上不再有對環境有害的化學產品。也就是說，當他們在設計製造符合特殊用途化合物時，要特別注意如何能確保相關物質不但毒害性低、並具有快速的生物分解性，同時又能達到期望的產出效果。

要能輕易預知化合物的化學及生物特性，並不是一件容易的事，要達到如此境界，化學家還有長路要走，這個遠大的理想激發著年輕一代化學家不斷努力研究與創新。

(本文原為二○○七年十二月六日《自然》雜誌專文。作者為波利雅可夫(Martyn Poliakoff)與萊森斯(Pete Licence)，兩人目前分別任教於英國諾丁罕大學化學系及化工學系。)