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未來化學工程的新風貌


油小看大集
未來化學工程的新風貌

在「石油工程」、「石化製程」或「生物科技」領域中,以「單元操作」(unit operation)與「輸送現象」(transport phenomena ) 基本學習課目,未來將如何演變呢?

拓展範疇,內涵改變

根據美國化學工程師學會的定義,化學工程師的職責為「將化學產品從實驗室帶到工廠以及人類生活中」,一百多年來,此一基本定義並沒有太大的變化,但隨著科技文明的進步,為提高人類生活福祉,近數十年來化學家致力研發各種產品,特別是在「材料科學」、「生物醫學」兩方面,從事諸多基本研究,相關領域主軸內涵已逐漸產生改變。最早將「材料」(material)相關知識納入「化學工程」領域者為明尼蘇達大學,該校自一九七O年代開始將「聚合體學」、「礦業學」及「礦冶學」等課程納入化學工程範圍,之後,各校群起效尤,目前美國一百一十七個化學工程系中,已有卅個更名為「化學及環境工程」、「化學及生化工程」、「化學及石油工程」、「化學及應用化學」等;美國塔虎託(Tufts)大學則於廿年前將「生物化學工程」改名為「生物科技」,除「生物輸送現象」以及「系統生物學」課程外,並將「生物材料」、「生物復育」、「環境觸媒」、「聚合體學」、「分離」、及「體組織工程」等納入研習範疇。

「化學工程」係於十九世紀末為製造大量化學品及材料而設立,其後範圍不斷拓展,分支依序包括「單元操作」(一九二三 )、「輸送現象」 (一九六O),及一九九五年後出現的「分子產品工程」 (molecular product engineering)。化學工程起初涵蓋各種工業化學的應用,直到「單元操作」概念引進後,方被視為一套系統化的工具;「單元操作」的概念於一八八六年首先由化學家立託爾(Arthur D. Little)引入,他認為雖然化學工業製程所製造的產品各異,但基本上,任一製程均可視為「基本操作」的集合,化學家應致力研究基本操作,觀察其共同點,探討各種產品的製造流程,教導學生研究不同製程中的「單元操作」。
其次,化學工程的分支「輸送現象」係將物理學帶入程序中,以「分子階層」(molecular level)來協助解決問題,主要考慮「流體流動」、「熱量傳送」、「質量傳送」等面向,以更微觀的觀點量測程序速率,並以更詳細的方法敘述單元操作;雖然機械工程師和土木工程師也應用「流體力學」和「熱傳送」,但化學工程師所關注的焦點在於「質量傳送」,例如以放大鏡觀察管中流體流動的分子階層狀態,及如何以摩擦力說明等等。

目前化學工程研究的焦點又回到產品身上,集中於「產品工程」,特別是在「分子階層」方面,而不限於「製程工程」。以往或許認為「發明新產品」由化學家負責,「將實驗室的產品經濟、安全地製造成商品」則屬化學工程師的專長,不過,以「分子產品工程」為化學工程領域核心課目的時機已經成熟,未來將有更多的相關科系畢業生參與新產品的開發;許多化學工程系均將「分子結構學 (molecular structure) 」納入修習範圍,而塔虎託大學更把「化學工程系」改名為「生物工程」,以強化學生生物學知能,為跨足新的職業生涯預作準備。

跨足生化,兼容並蓄

至於「生物領域」(biology field )為化學工程應用於產品開發較明顯的例子。雖然生物學和化學工程有許多共通點,但工程師具有處理「巨大、複雜,仍然缺乏頭緒領域」的基本知識及潛能,擅長有系統的利用各項資源,生物學家則瞭解此種資源,而由於開發「生物化學工程」領域必要的工具和程序-「單元操作」目前尚未建立周全,必須採取全新的作法,將有機會重新塑造其典型。
目前「人體」為其中最重要的研究項目,大部分集中在「生物分離」(biological separation)方面,由於基因、酵素、蛋白質在分離狀態時不會發生功用,只有在互相關聯時才能發揮穩定細胞系統的功能,而最新開發的基因組(genome)被認為具有量測此種分子階層交互作用的功能。研究者指出,欲系統化整合「生物化學工程」需匯集各方面知識,首先由生物學家作多次產品實驗,再由化學工程師研究計算基因規則及細胞功能,最後由企管專家行銷至全球市場,單憑傳統生物學概念及技巧是無法達成的。


化學工程領域不斷在改變,融入許多不同的知識及能力,相關教育除了提供學習者思考及解決問題的方法外,也應充實學生企業管理知能;化學工程師必需睜大眼睛,張開雙臂,擁抱其他的科學。當然,「化學工程系」改名為「生物化學工程系」只是第一步,未來的路途仍然遙遠。


本文轉載自石油通訊九十年九月號 (601)



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