Grüne Chemie leistet einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Nachhaltigkeitsziele, die sich die Mitgliedstaaten der Vereinten Nationen 2015 gesetzt haben. Welche Hebel kann die Industrie für eine grünere Chemie nutzen? In der chemischen Industrie bezeichnen Lösungsmittel Chemikalien, die in einer Vielzahl von Bereichen und Anwendungen eingesetzt werden. Da sie in vielen Industriezweigen in großen Mengen verwendet werden, stellen sie einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zu einer saubereren Chemie dar. In diesem Zusammenhang arbeiten Industrie und Wissenschaft aktiv an effizienten und umweltfreundlicheren Alternativen zu herkömmlichen Lösungsmitteln. Alcimed hat einige der wichtigsten Aspekte untersucht, die die Industrie bei der Entwicklung alternativer, nachhaltiger und erneuerbarer grüner Lösungsmittel berücksichtigen sollte.
Lösungsmittel können andere Stoffe lösen, dispergieren, trennen oder übertragen. Mit anderen Worten: ihre Anwendungsmöglichkeiten sind so breit gefächert, dass sie fast überall um uns herum zu finden sind. Sie können bei chemischen Reaktionen als Reaktionsmedium, in der Lebensmittelindustrie als Extraktions- oder Aromastoffe, in der Farbindustrie als Reinigungsmittel, in der Transportindustrie als Bestandteil von Biokraftstoffen oder in der Kosmetik als Texturgeber oder Lösungsmittel verwendet werden.
Aufgrund der großen Bandbreite an Anwendungen werden jedes Jahr mehr als 28 Millionen Tonnen Lösungsmittel verwendet. Angesichts ihrer potenziell hohen Toxizität und ihres CO2-Fußabdrucks bietet diese Chemikalienklasse großes Potenzial für die Entwicklung einer nachhaltigen und umweltfreundlicheren Chemie1Winterton, N. (2021). The green solvent: a critical perspective. Clean Technologies and Environmental Policy, 23(9), 2499‑2522. https://doi.org/10.1007/s10098-021-02188-8.
Nach den Grundsätzen der grünen Chemie besteht die erste Option darin, Lösungsmittel nach Möglichkeit wegzulassen oder zu reduzieren. Es wurden bereits zahlreiche Werkzeuge entwickelt, die den Herstellern helfen, das richtige Lösungsmittel für ihren Bedarf und auf der Grundlage seiner Eigenschaften und Toxizität zu ermitteln, z. B. der von CHEM21 (europäische öffentlich-private Partnerschaft zur Förderung nachhaltiger Arzneimittel) entwickelte Leitfaden.
In manchen Fällen sind Lösungsmittel unverzichtbar und können nicht weggelassen werden. In diesen Fällen könnte eine Lösung darin bestehen, organische Lösungsmittel durch weniger gefährliche und weniger giftige Lösungsmittel zu ersetzen, die als grüne oder alternative Lösungsmittel bezeichnet werden. Ein nachhaltiges Lösungsmittel hat idealerweise folgende Eigenschaften:
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Die Herstellung herkömmlicher Lösungsmittel (oder organischer Lösungsmittel) erfolgt häufig auf Erdölbasis (im Gegensatz zu biobasierten Lösungsmitteln) und kann einen hohen Kohlenstoff-Fußabdruck haben. Die Umstellung von fossilen Quellen auf pflanzliche Biomasse im Falle von grünen Lösungsmitteln ist einer der wichtigsten Faktoren, um den Kohlenstoff-Fußabdruck von Lösungsmitteln zu verringern, aber auch um unsere Abhängigkeit von fossilen Quellen (die nicht umweltfreundlich sind und starken Preisschwankungen unterliegen) zu reduzieren.
Eine Vielzahl von biobasierten Materialien kann verwendet werden, um bessere Alternativen zu bieten, z. B. durch Nutzung der Ölsaatenproduktion (Raps, Soja, Sonnenblumen), der Kornproduktion (Mais, Zuckerrohr, Zuckerrübe) oder von Holz- und Kiefernnebenprodukten. Es wird intensiv geforscht, um diese Umwandlung von pflanzlicher Biomasse auszuweiten und zu verbessern, einschließlich der Verwendung von Nebenprodukten oder Abfällen als biobasierte Materialien. Dabei muss sichergestellt werden, dass dieser Rohstoff langfristig verfügbar, beständig und sicher ist und nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion steht.
Lösungsmittel können für den Menschen giftig und bei der Handhabung gefährlich sein. Bei unsachgemäßer Verwendung können Chemikalien über die Atemwege, die Haut oder den Verdauungstrakt in den Körper gelangen und eine Vielzahl von Krankheiten und Gesundheitsproblemen bei den Arbeitskräften verursachen. Da sie auch ein Risiko für die Umwelt darstellen können, sind ihre biologische Abbaubarkeit und ihre Auswirkungen auf die biologische Vielfalt weitere Aspekte, die verbessert werden sollten.
Es gibt kein „perfektes“ grünes Lösungsmittel, aber Tatsache ist, dass die Palette an Lösungsmitteln sehr breit gefächert und vielseitig ist.
Es gibt keine pauschale Antwort und jedes Lösungsmittel muss als Teil eines Prozesses mit einem maßgeschneiderten Ansatz bewertet werden.
Tatsächlich gibt es so etwas wie ein komplett „grünes“ Lösungsmittel nicht. Es ist wichtig, einen ganzheitlichen Ansatz für den gesamten chemischen Prozess zu wählen (unter Berücksichtigung von Produktion, Recycling, Nebenprodukten oder Abfällen, aber auch der Verwendung und der Ökobilanz innerhalb des Prozesses) und nicht das Molekül selbst ohne Berücksichtigung seiner Verwendung. Es gibt keine pauschale Antwort und jedes Lösungsmittel muss als Teil eines Prozesses mit einem maßgeschneiderten Ansatz bewertet werden.
Nehmen wir ein Beispiel für ein grünes Lösungsmittel mit Wasser. Man könnte meinen, dass Wasser eine der umweltfreundlichsten Lösungen ist, die es gibt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, da es darauf ankommt, wie es verwendet wird. Aufgrund seines hohen Siedepunkts benötigt Wasser eine beträchtliche Menge an Energie, um zu verdampfen, was letztlich zur Erzeugung von CO2 führt. Ein anderes, weniger „grünes“ Lösungsmittel hingegen benötigt möglicherweise weniger Energie und führt zu weniger CO2 in der Atmosphäre. Darüber hinaus ist Wasser eine wichtige Ressource, bei der die Nachfrage und der Wettbewerb hoch sind, so dass ihre langfristige Verfügbarkeit berücksichtigt werden muss.
Ein weiteres Beispiel für interessante Lösungsmittelalternativen sind überkritische Fluide. Dabei handelt es sich um Flüssigkeiten, die bis zu einem bestimmten Punkt komprimiert oder erhitzt werden, um spezifische Eigenschaften zu entwickeln, die die Merkmale von Flüssigkeiten und Gasen kombinieren. Diese Eigenschaften machen sie zu hervorragenden Lösungsmitteln für die Extraktion bestimmter Moleküle (z. B. bei der Entkoffeinierung oder Sterilisierung von Lebensmitteln). Sie sind sehr anpassungsfähig, hinterlassen keine Rückstände und lassen sich leicht recyceln und wiederverwenden (gutes Tox-/Ecotox-Profil). Sie können jedoch noch nicht für alle Anwendungen eingesetzt werden, da ihre Eigenschaften (einschließlich der biologischen Abbaubarkeit) je nach Art Flüssigkeit sehr unterschiedlich sind, so dass ihre Wirksamkeit ganz von der Anwendung abhängt.
Die Entwicklung innovativer grüner Lösungsmittel erfordert weitere Zusammenarbeit und Partnerschaften zwischen Wissenschaft und Wirtschaft, um wirksame Entwicklungen und eine erfolgreiche Skalierung zu ermöglichen.
„Nachhaltiger Verbrauch und nachhaltige Produktion erfordern einen systematischen Ansatz für den gesamten Lebenszyklus von Chemikalien und die Zusammenarbeit zwischen den Akteuren und Branchen entlang der Lieferkette, vom Hersteller bis zum Endverbraucher2Sustainable Development Goals. http://www.saicm.org/Default.aspx?tabid=7654.“
Laut dem Strategischen Ansatz für ein internationales Management von Chemikalien (SAICM oder Strategic Approach to International Chemicals Management) sind Entwicklung und Skalierung einer innovativen Technologie oder einer Chemikaliengruppe am erfolgreichsten, wenn Wissenschaftler und Unternehmen zusammenarbeiten und ein gemeinsames Ziel verfolgen. Es werden immer mehr Organisationen zur Beschleunigung des Technologietransfers gegründet, um diese Art der Zusammenarbeit zu unterstützen und sicherzustellen, dass alle Anforderungen der Industrie so früh wie möglich und bereits ab dem Laborstadium berücksichtigt werden.
Grüne Lösungsmittel sind ein wichtiger Schritt zu einer nachhaltigen und umweltfreundlicheren Chemie. Im Idealfall werden Lösungsmittel aus dem Prozess entfernt und können durch umweltfreundlichere Alternativen ersetzt werden, zum Beispiel Alternativen aus nachhaltigen und erneuerbaren Ressourcen. Es gibt jedoch kein „perfektes“ grünes Lösungsmittel und sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie wird intensiv daran gearbeitet. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass die Gruppe der Lösungsmittel sehr groß und vielseitig ist: Es gibt keine universelle Antwort für jeden Bedarf und jedes Lösungsmittel muss in einem ganzheitlichen Prozess mit einem maßgeschneiderten Ansatz bewertet werden.
In diesem Zusammenhang ist Alcimed der Ansicht, dass die Entwicklung innovativer umweltfreundlicher Lösungsmittel weitere Zusammenarbeit und Partnerschaften zwischen Hochschulen und der Industrie erfordert, um effiziente Technologien und Produkte zu konzipieren, zu entwickeln und in größerem Umfang zu produzieren. Alcimed kann Sie bei der Auswahl der richtigen Lösungsmittel für Ihren Bedarf und bei der Suche nach Partnern für deren Entwicklung und Vermarktung begleiten. Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren!
Über die Autorin,
Ondine, Consultant in Alcimeds Life Sciences Team in der Schweiz
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