現在、商業化されている研究分野には、ナノテクノロジー、バイオテクノロジー、石油供給を補うためのバイオ燃料の開発などがあります。 ガソリンのオクタン価の向上、水性塗料、フロンガスの代替、活発な研究分野としてのグリーン ケミストリーの開発などにつながるプロセスを開発する研究により、環境に対して大きな利益がもたらされました。 これらの発見は、現実的な産業プロセスに転換されなければならない。 これは、実験室の化学をより大きなスケールに変換する責任を負う化学エンジニアの仕事である。 実験室での数グラムの生産から、フルスケールの工業プラントでの数千トンへのスケールアップは、化学者や化学エンジニアにとって非常に骨の折れる仕事である。 実験室とフルスケール生産の中間段階には、大規模プロセスを模倣し、適切な速度で製品を高収率で得るために最も好ましい条件を見出すことができる装置が必要である（図7）。

図 7 分離して並行して動作するいくつかのパイロットバッチ反応器を示す例。 コンピューターがそれぞれを制御し、ユーザーは温度、圧力、触媒組成を変えながら一連の
実験を行うことができる。
By kind permission of the Cambridge Reactor Design Ltd.

下の写真（図8）は、パイロットプラントが作られた中間段階であり、新しいOMEGAプロセスでエタン1,2-ジオールを作るのに最も適した条件を見つけるために作られたものである。 これは非常に重要なステップである。実験室ではプロセスに適した条件でも、そのプロセスを大規模な装置に移したときには必ずしも適していないことが多いからだ。 そのため、最大限の収率を得るために、非常に慎重に制御された条件下で多くの実験が行われる。 この作業を行う化学者や化学技術者は、最大収率に追加コストがかかり、プロセスが不経済になる可能性があることも念頭に置かなければならない。

図 8 エタン-1,2-ジオールを作る新しい OMEGA プロセスのパイロットプラント。
シェルインターナショナルリミテッドの許可を得て掲載しています。

この作業が成功すれば、次の段階は、エタン-1,2-ジオールの場合のように、年間何十万トンという商業規模で材料を作ることである（図9）。 この製品の収益性は、目的の製品を安全に製造するために必要な工業規模の反応装置を設計することにある。 このようなプラントの資本コストは数百万ドルになると思われる。

図9 パイロットプラントでの試験の成功を受けて建設されたエタン-1,2-ジオールを作る新しいオメガ・プロセスの実プラント。 このプラントでは、年間75万トンのジオールを生産している。 By kind permission of Shell International Ltd.

プラントの設計はチームプロジェクトであり、化学者、プラント設計者、化学エンジニアがプラント建設に適した材料を選定する。 一般に化学プラントといえば、輝く鉄鋼で作られたものというイメージがありますが、建設には多種多様な金属、プラスチック、ガラス、ゴムなど多くの材料が使用されます。 建設資材はそれ自体が化学物質であるため、危険な相互作用やプラントの故障、製品の汚染を避けるためには、プロセスに関わる化学物質と反応しない材料を選ぶことが重要である。

建築材料は、反応物、中間体、製品に対して

• 不活性でなければならない
• 必要に応じて非常に高い圧力や温度に耐えることができる
• 耐久性がある。 その製品の多くは、製造や輸送のいずれかの段階で潜在的に危険なものです。 これらの化学物質は、固体、液体、気体、可燃性、爆発性、腐食性、および/または有毒である場合があります。 製造工程では、高温、高圧、反応を伴うことが多く、慎重に制御しなければ危険な状態になる可能性があります。

  

  Figure 10 フッ化水素酸は非常に腐食性の高い液体である。
  By kind permission of Mexichem Fluor.

  リスクと負傷

  危険な作業を扱っているにもかかわらず、化学産業は産業全体よりも実は事故件数が少ないのです。 1995年から2005年にかけて、ヨーロッパのあらゆる種類の製造業全体で、従業員1000人あたり4人以上の負傷者が出ており、化学工業ではその2倍であった。 米国のデータでは、事故による損失日数は製造業全体の4倍である。

  図11 安全服や機器の使用について徹底した教育を受けている。 この写真は、ハイドロフルオロアルカンを製造するための反応器のメンテナンスを行っているところである By kind permission of Arkema.

  環境規制

  特定の製造化学物質が私たちを含む生物、および自然環境に及ぼす潜在的影響については、深刻な懸念があります。 これらの懸念には、大気・陸地・海洋汚染、地球温暖化と気候変動、上層大気のオゾン層破壊、酸性雨などがあります。

  化学業界は、レスポンシブル・ケアと題した世界規模の取り組みを行っています。 これは1984年にカナダで始まり、現在60カ国以上で実践されている。

  • 技術、プロセス、製品のライフサイクルを通して、環境、健康、安全、セキュリティに関する知識と性能を継続的に改善し、人々や環境への害を回避すること
  • 資源を効率的に使用し廃棄物を最小限に抑えること
  • 業績、成果、欠点について率直に報告すること
  • 人々の懸念や期待を理解し対処するため、耳を傾け、関わり、共に働くこと
  • 効果的な規制や基準の策定と実施において政府や組織と協力し、それらを満たし、または超える。
  • プロダクトチェーンに沿って化学物質を管理・使用するすべての人による責任ある管理を促進するための支援とアドバイスを提供する。 たとえば、これにより、過去 25 年間で大気、土地、水域への有害物質の放出が 80% 削減されました。 もうひとつの環境対策は、エネルギーの使用に関するものです。 1994年からの20年間で、米国の化学産業は単位生産量あたり約20％のエネルギーを節約し、同じ期間にEUの単位生産量あたりのエネルギー節約量は55％減少しました。 単位生産量あたりの温室効果ガス排出量（温室効果ガス原単位）は、1990年から2014年の間に米国で58％、EUで75％減少した

    規制はすべての主要国で実施されている。 欧州では、REACH（化学物質の登録、評価、認可、制限）により施行されています。 この規制は、化学物質の安全管理のための単一の標準化された枠組みを提供することにより、化学物質の製造、販売、使用の方法を根本的に変えようとしています。 REACHは、年間1トン以上生産されるすべての化学物質が、人の健康や環境に悪影響を及ぼさないことを保証する責任を、製造業者と輸入業者の双方に課しています。 化学業界は、対象となるすべての化学物質と関連物質について包括的な文書化された情報を提供し、化学物質の使用者が適切な管理が行われていることを確認できるようにします。 年間1000トン以上生産される化学物質は2010年12月までに、1トン以上の化学物質は2018年6月までに登録されなければならない。

    化学廃棄物のうち、毒性または有害なものはごく一部である。 これらのほとんどは、自然分解しにくい物質とともに、高温で焼却されています。 可能な限り、廃棄物そのものがこのプロセスの燃料となります。 発生したガスは、大気中に放出される前に徹底的に洗浄され、「スクラビング」され、灰だけが残され、廃棄される。

    今日の化学工業の課題は何ですか？

    化学工業は世界的に大きな変革期を迎えています。 ひとつは、中東諸国や中国、インド、ブラジルが、自国での消費はもちろん、世界中に輸出する巨大な規模の化学品メーカーとして台頭してきたことです。 これらの国の企業が米国や欧州の工場に投資する一方、米国や欧州の企業もこれらの大規模な新興国の工場に投資しており、業界全体として、ビジネスのやり方が完全に国際化しているのである。 欧米企業の課題は、コスト削減と同時に、環境保全のベストプラクティスを実現することである。 このような環境への配慮は、個々の化学物質に関する個別のユニットで説明されている

    新しい革命が近づいている。 石油や天然ガスがますます不足し、高価になるにつれ、化学者は石油や天然ガスを補い、あるいはそれに代わる新しい原料を探し求めている。 そして、石炭 (代替できない化石燃料であるにもかかわらず、依然として大量に供給されている) やバイオマスの良さを再発見しています。

    こうして、私たちは一周回ってきたのです。 19世紀後半から20世紀前半にかけて、有機化学産業は主に石炭とバイオマスを基盤としていました。 石炭は空気のないところで強く加熱され、石炭ガス（水素、メタン、一酸化炭素の混合物）が生成された。 副産物として、ベンゼンなど多くの有用な有機化学物質を含む液体（コールタール）が生成され、固体残渣は炭素の不純物であるコークスとなった。 このコークスが、今でいう合成ガスの原料になるのである。 このコークスに高温の水蒸気を通すと、一酸化炭素と水素が得られる。 また、有機化学物質の原料として、バイオマスがある。 例えば、多くのC2系化学物質の原料は、バイオマスを発酵させて作られるエタノールである。 プロパノンやブタノールなどのC3およびC4化学物質も、バイオマスの発酵によって大規模に生産されていた。

    その後、1940年代以降、産業界は石油精製から得られる製品を利用して、上記のすべての化学物質だけでなく、さらに多くの化学物質を生産する優れた方法を見出した。 その一例が石油化学産業の成長で、新しいポリマーや洗剤、無数の高度な化学物質を低コストで生産しています。

    したがって、おそらく最大の課題は、再生不可能な資源への依存を減らす方法を見つけることにあります。 したがって、石油や天然ガスの供給が減少するにつれ、バイオマスに基づく古い技術を使って、費やしたエネルギーや排出された廃液の点で、できるだけ環境に配慮した方法で化学品を生産する方法を見つけなければならない。 たとえば、現在、一部のエテンやさまざまなポリマー、非常に大量のエタノールがバイオマスから生産されています。

    もうひとつの課題は、エネルギー生産のための非再生可能資源への依存を減らすことです。 これを実現する最も簡単な方法は、触媒の助けを借りて、あるいは代替経路を使って、化学プラントをより低温で稼働させる方法を見つけることである。 これは、前節で述べたように、すでに本格的に始まっています。 単位生産量当たりのエネルギー消費量は、EUでは1994年以来約55％、米国では1990年以来約22％減少している。

    ナノ材料に基づく新技術も、今後の化学工業の進歩の最前線となり、これらの革命的な材料の生産が安全で経済的利益をもたらすことを保証することが重要である。 9168>

    このユニットで使用されているデータの多くは、CEFIC（Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique、欧州化学工業協会）および米国化学工業協会による出版物に由来するものです。