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化学工学はプロセス設計の基本となる工学で、原料から製品を作るためのものの流れ(狭義のプロセス)を具象化するために考えられた工学です。

化学工学を確立することで、以下の作業が可能となりました。

  1. 原料から製品を作るための手順(工程)を策定する。
  2. 工程に必要な機能を明らかにする。
  3. 機能を有する装置や機器を開発あるいは選択する。

工業的に生産されている化学物質は約10万種類あり、それぞれの生産プロセスに必要な装置や機器を1から設計することは限られた時間と経済的な面からあり得ないことです。

そこで化学プラントに共通する機能を抽出し、機能に係わる基礎理論と対応する装置の設計手法を決めました。それが化学工学の基本科目と応用科目です。

基本科目では化学や物理化学などの基本理論や現象を学習し、応用科目では化学機械の設計方法やプラント建設に係わる経済性評価を学習します。

化学工学の基礎と応用化学工学の基礎と応用
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序章 化学工学とは何か

化学工学の内容

化学工学はプラントを設計するための実利的な学問で、複数の工学系学問を含んでいます。例えば工業熱力学や流体工学あるいは伝熱工学などで、これらは機械工学を学ぶ学生や学んだことのある社会人にとって身近な学問です。しかし、化学工学の場合にはこれ以外に化学反応や化学平衡を扱う”化学熱力学”や蒸気圧やフガシチー(フガシティー,fugacity)などの”物性”に関する知識が必要となってくるために、化学に対して苦手意識がある人にとっては簡単に入り込めない学問になっています。

しかし、1981年の福井謙一氏以来、今年に至るまでに7名の日本人がノーベル化学賞を受賞しており、ようやく国民の間にも化学に関する理解が得られてきたのではないかと思われます。

この化学工学を構成する学問が”有機化学や無機化学”で、”五重の塔”の心柱に相当します。また、屋根などを支える4本の柱が”物質収支”、”エネルギー収支”、”熱流動”そして”化学平衡と気液平衡”に匹敵します。これらの柱が一体となって、約10万種類の化学物質を工業的に生産すると共に、毎日のように出現する新しい化学物質の製造ニーズに対応しているのです。

ビールの製造と物質収支(Material balance)

物質収支とは化学プラントの履歴書みたいなもので、原料から製品を生産するまでの物質の変化を表したもので、そこでは物質は分子や原子レベルまで細分化されています。

例えばビールを製造する場合、原料は大麦と水に苦みと香りのもとになるホップ、これ以外に米やコーン、そして糖分を発酵させてアルコールを造るための酵母が必要です。これらの原料からビールを製造する工程は、

製麦→仕込→発酵・熟成・ろ過

の順番になっており、物の動きは、

[大麦(麦芽)+水]→[(でんぷん→糖)&(タンパク質→アミノ酸)]→[麦汁(ブドウ糖&麦芽糖)→アルコール(エタノール)」

となっています。この物の動きでは大麦やブドウ糖など、分かり易い単語を使っていますので、直感的には理解しやすくなっています。しかしこれは物質収支ではなく、ただのモノの流れです。
これを物質収支のコンセプトで表示すると、

C6H10O5(デンプン)+H2O(水)→C6H12O6(ブドウ糖)→C2H5OH(エタノール)


最初のデンプンと水からブドウ糖を作る過程では、次表に示すようにC(炭素)とH(水素)およびO(酸素)の原子数あるいは分子数が左右同じになっており、物質収支の基本である質量の保存則が成立していますが、ブドウ糖からエタノールを作る工程では数があっていません。

物質名 デンプンと水 ブドウ糖 エタノール
分子式 C6H10O5+H2O C6H12O6 C2H6O
C 炭素
6 6 2
H2 水素 5 + 1 = 6 6 3
O 酸素 5 + 1 = 6 6 1


そこでC(炭素)とH(水素)およびO(酸素)の原子数あるいは分子数が左右同じになるように、エタノールの係数を変えてみます。そのやり方には色々ありますが、まず、C(炭素)が同じになるようにエタノールの係数を3にしてみます。この係数を使って計算してみますと下表のように、H(水素)およびO(酸素)の原子数あるいは分子数がやはり合いません。
物質名 デンプンと水 ブドウ糖 エタノール
分子式 C6H10O5+H2O C6H12O6 C2H6O
C 炭素
6 6 2 * 3 = 6
H2 水素 5 + 1 = 6 6 3
O 酸素 5 + 1 = 6 6 1


次に、H(水素)が同じになるようにエタノールの係数を2にしてみます。この係数を使って計算してみますと下表のように、C(炭素)およびO(酸素)の原子数あるいは分子数がやはり合いません。
物質名 デンプンと水 ブドウ糖 エタノール
分子式 C6H10O5+H2O C6H12O6 2 * C2H6O
C 炭素
6 6 2 * 2 = 4 < 6
H2 水素 5 + 1 = 6 6 3 * 2 = 6 = 6
O 酸素 5 + 1 = 6 6 1 * 2 = 2 < 6


最後にO(酸素)が同じになるようにエタノールの係数を6にしてみます。この係数を使って計算してみますと下表のように、C(炭素)およびH(水素)の原子数あるいは分子数がやはり合いません。
物質名 デンプンと水 ブドウ糖 エタノール
分子式 C6H10O5+H2O C6H12O6 6 * C2H6O
C 炭素
6 6 2 * 6 = 12 > 6
H2 水素 5 + 1 = 6 6 3 * 6 = 18 > 6
O 酸素 5 + 1 = 6 6 1 * 6 = 6 = 6


以上の結果から、原料であるデンプンと水から作られる物質にはエタノール以外の物質が存在する可能性が出てきました。そこで各ケースにてブドウ糖とエタノールで過不足となった分子数と原子数を比較してみます。この結果から”炭素数で合わせたケース”と”酸素数で合わせたケース”ではどちらかがプラス(+)となりもう一方がマイナス(-)となっており、辻褄が合いません。そこでどちらも差が正となっている”水素数で合わせたケース”を見てみますと、炭素数が2、酸素数が4になっています。これを分子式で表してみますとC2O4となりますが、それぞれの係数を2で割ってみますとおなじみのCO2となります。
ブドウ糖~エタノール 炭素数で合わせる 水素数で合わせる 酸素数で合わせる
C 炭素
6 - 6 = 0 6 - 4 = 2 6 - 12 = - 6
H2 水素 6 - 9 = - 3 6 - 6 = 0 6 - 18 = - 12
O 酸素 6 - 3 = 3 6 - 2 = 4 6 - 6 = 0


そこでエタノール以外にCO2が発生していることが予想されますので、エタノールの項に二酸化炭素を加え、それぞれの係数を2とすると次表となって物質収支が合致しました。実際にもアルコール発酵で二酸化炭素が泡となって発生しており、ビール製造の物質収支では副産物としてCO2が排出されていることがわかります。ただし、もともとバイオマスである麦などを原料にビールを製造しているので、「カーボンオフセット」の考えからか、ビール各社のホームページには、この説明はありません。
物質名 デンプンと水 ブドウ糖 エタノールと
二酸化炭素
分子式 C6H10O5+H2O C6H12O6

2 * C2H6O + 2 * CO2

C 炭素
6 6 2 * 2 + 2 * 1 = 6
H2 水素 5 + 1 = 6 6 2 * 3 = 6
O 酸素 5 + 1 = 6 6 2 * 2 + 2 * 1= 6


このように物質収支を分子あるいは原子ベースで記載することにより、製品だけでなく副産物や廃棄物などの種類や数量を推定出来るようになります。

次回に続く・・・。

発酵化学

ビールの製造では発酵を利用しています。
古来から日本では発酵を利用して味噌や醤油あるいは日本酒などを造っており、発酵は日本人が生活する上でなくてはならない技術です。
この発酵を大学などでさらに勉強したい人にお勧めなのが「発酵学・有用微生物学が学べる大学」です。
このサイトは一寸特殊で、以下のように紹介されています。

経済産業省のキャリア教育事業の一環で作成した「わくわくキャッチ!」の独自コーナーとして、「理工系人材の裾野拡大、初中等教育の充実」等も目的に、河合塾が作成し、運営しています。


減価償却費と純利益

減価償却あるいは減価償却費の意味は、例えばwikipediaでは以下のように説明されています。

「減価償却(げんかしょうきゃく)は企業会計に関する購入費用の認識と計算の方法のひとつである。長期間にわたって使用される固定資産の取得(設備投資)に要した支出を、その資産が使用できる期間にわたって費用配分する手続きである。」