Man baute also Rauchgasreinigungen und Kläranlagen, um der Lage Herr zu werden. Doch selbst diese nachsorgenden Massnahmen erscheinen aus heutiger Sicht absurd, denn diese sind technisch sehr aufwändig und auch im Betrieb ausserordentlich teuer. Man versucht deshalb heute, Emissionen möglichst erst gar nicht entstehen zu lassen.
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Während der ersten 100 Jahre chemisch industrieller Aktivität bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts glaubte man, dass die Emissionen in Form von Abluft, Abwasser und Abfall von der Umwelt verkraftet werden. Man war vor allem an neuen Farbstoffen, Düngemitteln und Kunststoffen interessiert. Erst als die schwerwiegende Umweltverschmutzung in den 60er-Jahren unübersehbar wurde, begann man umzudenken.
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Heute versucht man günstige Rohstoffe zu verwenden, die es zudem erlauben, direkt und elegant zum Zielmolekül zu gelangen. Wenn man also darauf achtet, dass sich möglichst alle eingesetzten Atome auch im gewünschten Produkt wiederfinden, führt das zu atom-ökonomischen Synthesen und viel weniger Abfall. Ein Beispiel hierfür ist Vanillin, ein wichtiger Aromastoff und Zwischenprodukt, das preisgünstig aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz gewonnen wird.
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Chemische Produkte können aus ganz verschiedenen Ausgangsmaterialien und über sehr unterschiedliche Synthesewege hergestellt werden. Dafür werden kleine Bausteine aus wenigen Atomen verwendet, um dann in komplizierten Verfahren die Moleküle wie zum Beispiel pharmazeutische Wirkstoffe, wohlriechende Aromastoffe und leistungsfähige Kunststoffe zu synthetisieren.
Früher beachtete man vor allem die Funktion des Zielmoleküls und die Herstellungskosten.
Früher beachtete man vor allem die Funktion des Zielmoleküls und die Herstellungskosten.
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Ethylenoxid wird heute aus Ethen mit überall verfügbarer Luft oder reinem Sauerstoff hergestellt. Man kann auf Chlor bei der Herstellung verzichten, eine besonders giftige Zwischenstufe umgehen und auch die in grossen Mengen entstehenden Abfälle vermeiden. Silber-Katalysatoren machen diese direkte Reaktion möglich. Immer häufiger werden biologische Systeme für die Herstellung von Chemikalien verwendet, Lösungsmittel ist dann meist Wasser, die Temperaturen sind niedrig und auf giftige Substanzen kann verzichtet werden.
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Wenn es darum ging, neue Substanzen herzustellen, war die von den beteiligten Chemikalien ausgehende Gefahr weniger wichtig als die gewünschten Eigenschaften bzw. Funktionen des Produktes. Für die Herstellung von Reinigungs- und Waschmitteln werden oberflächenaktive Substanzen (Tenside) benötigt. Ein Teil dieser kettenförmigen Moleküle besteht oft aus dem Baustein Ethylenoxid. Früher wurde zu dessen Herstellung Ethen mit dem sehr reaktiven und giftigen Chlor und Kalkmilch umgesetzt.
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Weil es sehr giftig ist, wird Cadmiumsulfid seit den 80er-Jahren nicht mehr industriell als Pigment für Lacke in Europa verwendet. Man verwendet stattdessen das ungiftige und besser deckende Wismutvanadat und verschiedene gelbe organische Pigmente.
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Wegen seiner ausserordentlichen Brillanz, seiner Stabilität und wegen der Farbechtheit wurde für das Postgelb in Deutschland lange Zeit Cadmiumsulfid verwendet. Cadmiumsulfid wird jedoch als sehr giftige oder genauer als krebserregend, erbgutschädigend und wassergefährdend eingestuft.
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Heute können Lösungsmittellacke durch wasserbasierte Dispersionslacke gleichwertig ersetzt werden. Die Umwelt wird geschont und es ist ungefährlich für den Lackierer.
Der chemischen Industrie gelingt es zunehmend, Lösungsmittel in der Herstellung und der Anwendung durch nachhaltigere Systeme zu ersetzen. Beispielsweise erweisen sich Substanzen wie Kohlendioxid und Wasser bei erhöhter Temperatur und Druck (im superkritischen Zustand) als ausgezeichnete Lösungsmittel. Koffein wird auf diese Weise schon seit langem aus Kaffee extrahiert.
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Bei der Herstellung aber auch für die Anwendung von Chemikalien sind Lösungsmittel essentiell. Als Lösungsmittel bezeichnet man Substanzen, in denen man andere Substanzen auflösen kann. So wurden Lacke lange Zeit auf Basis nichtwässriger Lösungsmittel hergestellt. Häufig sind diese gefährlich und giftig für Mensch und Umwelt und belasten die Atmosphäre.
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Selbstverständlich werden heute chemische Anlagen möglichst gut isoliert, um Energie und damit Kosten zu sparen. Massnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz gehen aber weit darüber hinaus. Es ist oft möglich, phantasievolle neue Syntheserouten zu finden; gleich einem Wanderer, der einen neuen Pass entdeckt, der es ihm ermöglicht, mit weniger physischem Aufwand die Alpen zu überqueren. Heute nutzt man bereits Mikroorganismen, die Sonnenenergie zur Produktion von Chemikalien verwenden.
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Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist es immer interessant, chemische Reaktionen schneller ablaufen zu lassen. In der Regel bedingt dies aber höhere Temperaturen. In der Chemie gibt es eine einfache Faustregel: chemische Reaktionen laufen etwa doppelt so schnell ab, wenn man das Reaktionsgemisch um zehn Grad erwärmt. Höhere Temperaturen haben aber auch einen höheren Energieverbrauch zur Folge.
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Ende des 20. Jahrhunderts hat man realisiert, dass fossile Rohstoffe endlich sind. Eine neue Ära begann mit der Nutzung nachwachsender Rohstoffe für die chemische Industrie. Mit biologisch-chemischen Verfahren sind neue Stoffe und Materialien zugänglich.
Ein hochinteressantes Material ist Polymilchsäure, ein vielfältig einsetzbarer Biokunstoff. Auch die wirtschaftliche Nutzung biologischer Strukturen wie der von Holz, oder die Herstellung von Kraftstoffen aus Bioabfällen in Bioraffinerien ist attraktiv.
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Als Rohstoff für chemische Produkte hat Erdöl nach dem 2. Weltkrieg rasch die Kohle abgelöst – später kam auch das Erdgas dazu. Es werden zwar nur etwa 10% der so energiereichen fossilen Rohstoffe chemisch genutzt, doch die daraus hergestellte Palette an chemischen Produkten ist unermesslich gross und reicht von Farbstoffen über Düngemittel, Pflanzenschutzmittel und Kunststoffe bis hin zu Pharmazeutika.
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Phenol wird heute zwar noch immer aus Benzol hergestellt, doch braucht es für das moderne katalytische Verfahren nur noch Propen und Luftsauerstoff. Neben Phenol wird gleichzeitig auch Aceton hergestellt, das zur Wirtschaftlichkeit des Verfahrens entscheidend beiträgt. Weder beinhaltet die Synthese unnötige Umwege, noch werden grosse Mengen Abfall produziert. Vor allem selektive katalytische Verfahren helfen oft, direkte Reaktionswege einschlagen zu können.
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Eines der Ausgangsprodukte für die Herstellung von Bakelit, dem ersten bedeutenden Kunststoff, war Phenol. Anfänglich wurde dieses in einem sehr umständlichen Verfahren aus Benzol in mehreren Schritten hergestellt. In der Naturstoff- oder Medizinalchemie ist es oftmals sogar notwendig noch sehr viel kompliziertere Synthesestrategien zu verfolgen, um das gewünschte Molekül synthetisieren zu können. Bisweilen ist es dazu notwendig, Teile eines Moleküls aufwändig zu schützen, bevor man einen anderen Teil verändern kann.
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Acrylsäure wird heute katalytisch in zwei Schritten aus Propen mit Luftsauerstoff hergestellt. Erst der Einsatz von Katalysatoren ermöglichte diesen direkten Reaktionsweg, der viel Energie und Rohmaterial einspart. Ein mögliches zukünftiges Verfahren basiert auf Milchsäure, gewonnen aus Milch oder Molke, die zur Acrylsäure noch dehydratisiert werden muss. Idealerweise sollte man hierzu als Katalysator ein Enzym, also einen effizienten Biokatalysator finden.
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Die wichtige Basischemikalie Acrylsäure wird unter anderem zur Herstellung von saugfähigem Material (Polyacrylate oder sogenannte Superabsorber) für Babywindeln verwendet. Das erste industrielle Herstellungsverfahren für Acrylsäure war energetisch sehr aufwändig und basierte auf gefährlichem Propen als Ausgangsstoff und sehr giftigen Zwischenprodukten. Propen ist zwar einfach aus Leichtbenzin oder Erdgas zugänglich, doch beides sind fossile Rohstoffe.
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Mit dem Wissen um den biologischen Abbau von Tensiden, werden heute in Europa ausschliesslich solche Substanzen in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzt, die biologisch leicht abbaubar sind. Im Falle der Alkylbenzolsulfonate reicht es beispielsweise, einen Teil deren Struktur zu verändern. Neben der Bioabbaubarkeit wird im Bereich der Tenside auch die Rohstoffbasis berücksichtigt. Nachwachsende Rohstoffe wie natürliche Fettsäuren aus Raps- oder Palmöl ersetzen daher vermehrt die fossilen Rohstoffe.
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Vollwaschmittel und Haushaltsreiniger enthalten oberflächenaktive Substanzen (Tenside) die das Ablösen des Schmutzes von Textilfasern oder Oberflächen erleichtern. Früher verwendete man dazu unter anderem auch Alkylbenzolsulfonate. In den 60er-Jahren hat man dann festgestellt, dass diese Substanzen biologisch nur sehr schlecht abbaubar sind.
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Im Jahre 2002 startete dann die US-amerikanische Zulassungsbehörde für Pharmaka (FDA) eine Initiative zur Echtzeitkontrolle (PAT) der pharmazeutischen Produktion. Dies hat Auswirkungen auf die ganze chemisch-pharmazeutische Industrie. Vor allem die Entwicklung der Computer- und Lasertechnologie aber auch die zunehmende Miniaturisierung ermöglicht einen grossen Fortschritt. Es kann davon ausgegangen werden, dass schliesslich alle chemischen Verfahren jederzeit auf molekularer Ebene in Echtzeit überwacht und damit besser gesteuert werden können.
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In der chemischen Produktion wird durch Entnahme von Proben die Qualität der Zwischenprodukte und Fertigprodukte untersucht. Diese Analysen sind oft sehr zeitaufwändig, aber essentiell um z.B. den Reaktionsfortschritt festzustellen. Dieser ist sowohl für die Dauer einer Reaktion als auch für die Qualität und damit die Wirtschaftlichkeit entscheidend. Um kontinuierlich Informationen über Herstellungsverfahren zu bekommen und nicht nur punktuell, hat man früh begonnen, Echtzeitanalysen zu entwickeln.
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Mit einem besseren Prozessverständnis und Methoden der Risikoanalyse kann man heute Gefahren die von chemischen Verfahren ausgehen, besser einschätzen und entsprechend reduzieren. Beispielsweise hat man gelernt, dass durch Umstellen der Reihenfolge von Reaktionssequenzen sich Gefahren auch völlig eliminieren lassen. Durch kontinuierliche Reaktionsführung kann man in Mikroreaktorsystemen auch mit sehr kleinen Apparatevolumina grosse Mengen Produkt herstellen, dies jedoch ohne die von den sonst erforderlichen grossen Volumina ausgehenden Gefahren.
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Chemische Verfahren wurden früher mit aller Vorsicht so betrieben, dass man die gewünschten Produkte sicher herstellen konnte. Unglücklicherweise kam es dabei immer wieder zu Zwischenfällen, die man nicht vorhergesehen hat. Die von Chemikalien ausgehenden Gefahren wie deren Giftigkeit, Brennbarkeit oder Zersetzlichkeit haben dabei bisweilen grossen Schaden angerichtet.
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Die Grüne Chemie
Von María de Lourdes Aja Montes, Masterstudentin ‹Chemistry for the Life Sciences› MScLS13
Chemistry plays an important role in everyday life and one of the most vital challenges that chemists have to face is developing the optimal way to produce molecules that can help improve it. However, the definition of optimal has evolved through time: from alchemical times, when the optimal synthesis was finding the right mixture that led to the desired results, through the industrial revolution when there was more focus on cost optimisation. It was not until the early 60’s that a new era of chemistry started, when Rachel Carson recognised the the devastation that certain chemicals were having on local ecosystems in her book Silent Spring [1], broadening with it the scope of what optimal signifies to include the effect of chemicals on the environment. In 1998 Paul Anastas and John Warner published the 12 Principles of Green Chemistry [2], which now serve as a guide-line for chemists to develop syntheses that not only produce the desired product at a competitive price, but also allow the environment to be protected from inherently toxic materials throughout the entire supply chain.
Nowadays multiple examples can be found where less hazardous syntheses have been implemented. This project describes some of these examples in the twelve sections below.
[1] ACS Green Chemistry Institute, History of Green Chemistry,American Chemical Society. 2014.
[2] Twelve Principles of Green Chemistry, Environmental Protection Agency, 2013.
Zu den Prinzipien
