最炙手可熱的『綠色材料』與『綠色製程』
2004年美國綠 色 化 學
挑 戰 總 統 獎
在清潔生產技術中「綠色材質」與「綠色製程」的選用是最關鍵的因素。自1996 年開始頒發的美國綠色化學挑戰總統獎就是給予這些前瞻技術最直接的鼓勵；本文介紹最新公佈2004 年五個得獎案例，期望以國際間成功經驗啟發國人更多的綠色創意。
美國綠色化學挑戰總統獎
清潔生產議題在國際間已推動多年，許多研究機構與企業都投入許多資源進行研發。但直到歐盟幾項環保指令的公告才讓「綠色材質」與「綠色製程」真正充滿商機。美國綠色化學挑戰總統獎是美國環保署設立並由美國化學會(AmericanChemical Society)召集產官學研各界技術專家組成獨立審查小組進行評選。此獎成立的目的在於鼓勵並表揚從事綠色化學創新研發及使用並有具體成效的個人、團體、營利及非營利機構。所謂「綠色化學」就是「減少或排除有害物質的使用及產生之化學產品和製程的設計，達到於源頭即防止或降低污染的目的」。美國綠色化學挑戰總統獎共有五大獎項分別為：替代合成途徑獎、替代溶劑/反應條件獎、設計更安全之化學品獎、學術研究獎及小型企業獎，自1996年起至今，共計頒出46個獎座。
2004年得獎案例介紹
2004年美國綠色化學挑戰總統獎(The Presidential Green ChemistryChallenge Awards)得主如期於六月底揭曉，得獎者包括知名製藥公司Bristol-Myers Squibb Company、特殊化學品家族企業Buckman LaboratoriesInternational, Inc.、專研材料改造的Engelhard Corporation、學術機構Georgia Institute of Technology之Charles A. Eckert教授及Charles L.Liotta教授和生物界面活性劑研發公司Jeneil Biosurfactant Company
Jeneil Biosurfactant Company因成功以低成本商業化生產一系列低毒性的天然界面活性劑產品獲頒小型企業獎。目前市面上使用的界面活性劑大部分都衍生自石油原料，而Jeneil所生產的rhamnolipid生物界面活性劑卻是利用一特殊土壤菌株Pseudomonas aeruginosa醱酵而得，經殺菌、離心後純化成適合各種不同用途的等級。rhamnolipid生物界面活性劑是一種在土壤中及植物體內發現之天然存在的細胞外醣脂類物質，因此其毒性與環境衝擊性皆遠低於傳統的合成界面活性劑；除了對環境友善的優點外，界面活性劑應具備之特性，包括良好的乳化性、濕潤性、洗滌性及起泡性等都有優異的表現。目前rhamnolipid生物界面活性劑已成功應用於多項產品中，包括：個人清潔用品、隱形眼鏡清洗液以及一種農業殺菌劑的主成分等。此外，這種生物界面活性劑還可用於預防有害的環境衝擊及環境復育等用途，例如協助去除土壤中的碳氫化合物或重金屬、清洗原油貯槽、矯正污泥等。rhamnolipid除能提供傳統界面活性劑的效能，具有天然、環保的訴求外，還擁有低成本這項大利基，相信將有更多商品會應用這項技術。
用途廣泛對環境友善之生物界面活性劑
一 前言：
繼環境荷爾蒙可能干擾生物體內分泌系統之後，地球村去年一大盛事為聯合國環境規劃總署於2001年5月23日在瑞典斯德哥爾摩發佈『斯德哥爾摩公約』，要求其會員國共同簽署聯合管制十二種持久性有機污染物（persistance organic pollutants,POPs）。綜觀此十二種有機污染物共同的特徵為：其表面張力極大，水溶解度極低，極難溶於水。由於其難溶於水，除了少數幾種微生物外，一般自然界或土壤中微生物，無法將其吸收、消化、分解，因而在環境中蓄積，長存於自然環境中；更由於其脂溶性，遂隨著生物之食物鏈而生物轉移、生物累積、生物濃縮於高階生物體內，進而造成自然生態體系之破壞，甚至於危及人類之健康或繁衍後代；許多種動物更可能因此瀕臨絕種。其他有機污染物亦有類似的危害，例如去年在屏東墾丁外海擱淺的阿瑪斯號油輪，因漏油造成整個海域的污染；事後雖然大部份的原油已經撈除，但殘留於海灘、岩壁之油漬、油污，由於無法為水分子所溶解，將無法為一般自然界或土壤中微生物所取食或利用，亦即無法產生生物降解，造成沿海整個生態之浩劫。
為了促進油脂與水分子之交互相融，乃有介面活性劑（surfactant）之應用。惟過去的介面活性劑都是化學介面活性劑，對環境生態常有毒害（例如陰離子介面活性劑之MBAS）；或其本身雖然低毒，但其代謝衍生物卻是有害（例如非離子介面活性劑之壬基酚聚乙氧基醇NPEOS類雖然低毒，其衍生物壬基苯酚NP卻具有環境荷爾蒙效應）。因此，近幾年來生物介面活性劑（biosurfactant）、生物乳化劑（bioemulsifier），廣受重視；有取代化學介面活性劑、化學乳化劑之趨勢。
二 界面活性劑的作用機制：
介面活性劑為吸著於兩相（two phases）之介面，使其表面張力或介面張力降低，並在水中達一定之濃度時會合而形成集合體，使溶解中之一群物質，在一分子中兼具有非極性（nonpolar）之油性基及具極性（polar）之親水基，由此二基適當的平衡（hydrophilic lipophilic balance，HLB）而表現介面活性。易言之，介面活性劑為促進油脂易溶於水中，可以降低兩相間之表面張力，或油水間之介面張力。
界面活性劑之基本構造為一分子中有親水性（hydrophilic part）部份與親脂性（lipophilic part）部份共存之化合物（圖一）。親脂基部份有直鍊、側鍊甚或環狀芳香族碳氫原子團。親水基部份則有碳酸鹽、硫酸鹽等；構成介面活性劑之主要原子團列如表一。由親脂基與親水基之交錯組合，可調配成多種的介面活性劑；化學介面活性劑可概分為四大類（圖二）：
1.陰離子界面活性劑（anionic surfactants）
2.陽離子界面活性劑（cationic surfactants）
3.兩性離子界面活性劑（amphoteric surfactants）
4.非離子界面活性劑（nonionic surfactants）
所有界面活性劑多少都具有滲透、潤濕、分散、乳化、洗淨、可溶及發泡之作用。使一液體在他液體中均一並保持分散之性質稱之為乳化性（emulsification）。其分為O/W（水中油滴）型及W/O（油中水滴）型。乳化時，為使分散相（乳劑）易分散於分散媒（水）中，需藉介面活性劑降低兩者間之介面張力而易於混合。表面張力值最小時介面活性劑之濃度與形成介面活性劑之微膠粒臨界濃度（critical micelle concentration,CMC）近乎一致。介面活性劑之濃度在臨界濃度以上時，介面活性劑將不溶於水之物質包在內部形成集合體，並在水中溶解分散，稱之可溶化狀態。各類介面活性劑，一般以非離子介面活性劑效果較佳。
界面活性劑廣泛用於石油工業、工業洗劑、潤滑劑、農藥業、紡織業、冶煉業、油漆塗料被覆業、造紙業、皮革業、食品工業、製藥工業、化妝品工業、清潔劑甚至於個人照護（personal care），幾乎沒有一種工業不用到介面活性劑者；Banat(1995) 估計北美及西歐1990年介面活性劑用量達66億磅之多，且每年尚以2-3 ﹪成長。Frank (2001)估計全世界市場年需1000萬公噸。
化學介面活性劑雖然用途廣泛，但有些具有毒性。有些雖然低毒，但在自然界不易生物降解，甚或分解後衍生成具有環境荷爾蒙效應之代謝物，對人體健康、生態保育造成極大之衝擊。
三 生物界面活性劑之定義
Inoh(2001)稱從非水溶性化學污染物上分離出之某種微生物，將此等微生物予以純化培養，於其培養液中可萃取得某些種化學物質；此等化學物質可使得液體之表面活性化，具有介面活性劑之功能，稱之為『生物介面活性劑（biosurfactant）』。另依Banat(1995)之定義，生物介面活性劑為微生物所產生之一群異質介面活性化分子，此分子可以降低液體溶液與碳氫化合物混合之表面張力、微膠粒臨界濃度、介面張力。在微膠粒產生過程中，可以使溶液藉由微乳化作用，使碳氫化合物溶於水中，或使水溶於碳氫化合物中。其分子構造包括親水性之原子團（諸如：氨基酸、胜類、陽離子、陰離子、單醣、雙醣或多醣等）與親脂（疏水）性之原子團（諸如：飽和、不飽和或羥基脂肪酸，或疏水性脂胜類等）。Ochsner等(1996) 稱生物介面活性劑係整合生物生理學、生化學、分子生物學以及基因學所產製之細胞外萃取物(extracellular compounds)。
化學合成界面活性劑對環境微生物常有毒害，致無法生物降解（biodegrable），容易形成環境蓄積，衝擊環境生態。而生物介面活性劑具有與化學合成介面活性劑同等之乳化作用，且低（或無）毒，可以生物降解、消化，不會在環境中殘留，對環境生態友善。另Frank (2001)稱，如以天然衍生之生物介面活性劑替代石化產品化學介面活性劑，可以減少地球溫室效應。Shreve等(1995) 稱生物介面活性劑rhamnolipid在溶液內溶解碳氫化物之效能約為化學合成陰離子介面活性劑ABS (alkyl benzene sulfonate)之9倍。Vasileva-Tonkova等（2001）以酵母菌測試多種的生物界面活性劑，證實生物界面活性劑對生態環境安全無虞。Desai和Banat（1997）稱生物界面活性劑比化學界面活性劑效能更佳、具選擇性、可被微生物分解，對環境友善。
