„Integration ökologischer Nachhaltigkeitskriterien in die chemische Prozessentwicklung“

Dana Kralisch, Denise Reinhardt und Günter Kreisel

Die Bewertung chemischer Prozesse und Produkte hinsichtlich der mit ihnen verbundenen ökologischen Auswirkungen gewinnt vor dem Hintergrund bestehender Umweltprobleme und zunehmender Rohstoffknappheit stetig an Bedeutung. Hierfür stehen umfassende lebenswegbasierte Bewertungsmethoden zur Verfügung, die eine fundierte Analyse, den Vergleich von Alternativen aber auch eine zielgerichtete Optimierung hinsichtlich ökologischer Kriterien ermöglichen.

Die nachhaltige Nutzung von Rohstoffen und Energie und damit verbunden die Schonung endlicher Ressourcen erfordert eine ständige Suche nach neuen Prozessen und Produkten, die ökologische Vorteile gegenüber bestehenden Alternativen besitzen (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 2). Dabei ist im Stadium der Forschung und Entwicklung das Optimierungspotential für Neuentwicklungen am größten, da hier bereits in hohem Maße die später anfallenden Kosten zur Fehlerbeseitigung sowie resultierende Umweltbelastungen fixiert werden. Andererseits ist dieses Stadium durch einen hohen Grad an Variationsmöglichkeiten bei gleichzeitig geringem Wissen und somit lückenhafter Datenbasis für eine Bewertung potentieller ökologischer Auswirkungen charakterisiert (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 19). Vergleichende Bilanzierungs- und Bewertungsmethoden können wertvolle Unterstützung bei der Gegenüberstellung alternativer Lösungsansätze geben und so als Planungs- und Entscheidungshilfe dienen, müssen jedoch in ihren Anforderungen an die zur Verfügung stehende Datenbasis angepasst sein. Nachfolgend werden zwei Bewertungsmethoden und deren Anwendung in den Fachgebieten Mikroverfahrenstechnik und ionische Flüssigkeiten kurz vorgestellt. Beide Themen stehen derzeit im Fokus des wissenschaftlichen Interesses, wobei sich ionische Flüssigkeiten noch vorrangig im Entwicklungsstadium befinden, während die Mikroverfahrenstechnik eher am Beginn eines zunehmend industriellen Einsatzes einzuordnen ist. Die mit den Themengebieten verbundenen Fragestellungen erfordern somit ganz unterschiedliche Bewertungsansätze.
In beiden Fällen kann nur ein kurzer Einblick in die jeweils sehr komplexe Thematik gegeben werden. Für den interessierten Leser ist jedoch weiterführende Literatur angegeben.

Bewertung der ökologischen Potentiale der Mikroverfahrenstechnik

Die Mikroverfahrenstechnik stellt seit einigen Jahren eine viel versprechende Alternative zu konventionellen makroskaligen Verfahrenstechniken dar (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 16). Auf Grund des deutlich verbesserten Oberflächen- zu Volumenverhältnis bei Mikrostrukturreaktoren im Vergleich zu konventionellen Batch-Reaktoren ist es möglich, z.B. auch stark exotherme Reaktionen unter isothermen Bedingungen durchzuführen. Es resultieren verminderte Kühl- oder Heizleistungen, die zu ökologisch relevanten Energieeinsparungen führen können. Man erwartet daher allgemein ein hohes Umweltentlastungspotential aus der industriellen Etablierung der Mikroverfahrenstechnik. Aus der exzellenten Kontrolle der Wärmezu- und -abfuhr können sich zusätzlich eine Erhöhung von Ausbeute und Selektivität der chemischen Umsetzungen ergeben, da Nebenreaktionen unterdrückt werden können. Demgegenüber stehen insbesondere für Mikrostrukturreaktoren aus Edelstahl ein erhöhter Aufwand in der Fertigungsphase der Reaktoren sowie allgemein eine möglicherweise geringere Lebensdauer, verursacht durch Verstopfung oder Korrosion in den Mikrokanälen.
Um das zu erwartende Umweltentlastungspotential zu quantifizieren und zu ermitteln, in welchem Umfang beispielsweise ein Mehraufwand in der Produktion der Mikrostrukturreaktoren und der dazugehörigen Peripherie je nach Lebensdauer die möglichen Vorteile negieren, wurde die Methodik der Ökobilanzierung genutzt. Die Bewertungsmethode soll im Folgenden kurz vorgestellt werden.
Ökobilanzen stellen ein Hilfsmittel zur Quantifizierung und objektiven Beurteilung von anthropogenen Umweltbelastungen dar. Sie ermöglichen es, umweltrelevante Systeme und Problemstellungen in ihrer Gesamtheit zu erfassen, da der vollständige Lebensweg der Produkte ("Von der Wiege bis zur Bahre") betrachtet wird. Dies ist in Abbildung 1 anhand des Untersuchungsrahmens einer Ökobilanz dargestellt.

Abbildung 1: Untersuchungsrahmen einer Ökobilanz.

Dies bedeutet, dass die Umweltauswirkungen, die bei Herstellung, Distribution, Nutzung und Verwertung/Entsorgung der Produkte entstehen, für die Kompartimente Luft, Boden und Wasser bilanziert und interpretiert werden. Die im Rahmen von Ökobilanzen erhobenen Daten werden zu Kenngrößen aggregiert, die eine Auswertung der vom betrachteten System ausgehenden ökologischen Belastungen erlauben (siehe DIN EN ISO 14040). Auf diese Weise ist es möglich, Alternativen zu vergleichen und ökologisch begründete Entscheidungen zu treffen. Weiterhin bietet eine Ökobilanz Unterstützung bei der Suche nach Schwachstellen in der Prozesskette. Mit ihrer Hilfe ist es zudem möglich, neue, noch nicht im Einsatz befindliche Produkte und Methoden durch Vergleich mit dem Stand der Technik hinsichtlich ökologischer Vorteile zu prüfen. Die Methode der Ökobilanzierung stellt somit eine wichtige Planungs- und Entscheidungshilfe dar. Vor allem Produktökobilanzen finden bereits seit einigen Jahren verbreitet Einsatz, um beispielsweise für Alltagsgegenstände wie Getränkeverpackungen, Textilien, Reinigungsmittel oder im Bereich der Energiewirtschaft, die Umweltfreundlichkeit der Produkte und Verfahren zu ermitteln und zu vergleichen bzw. deren Lebenszyklus zu optimieren.
Nun zurück zu der Frage, inwieweit durch die Überführung einer chemischen Synthese von einem in der chemischen Synthesechemie konventionell genutzten makroskaligen Batch-Reaktor in die kontinuierliche Verfahrensweise im Mikrostrukturreaktor ökologische Vorteile erreicht werden können (im Folgenden als "Batch" bzw. "Konti" bezeichnet). Als Vergleichsbasis für die Gegenüberstellung der Verfahrensalternativen wurde die zweistufige, stark exotherme lithiumorganische Synthese von m-Anisaldehyd 3 gewählt (Abbildung 2). In Stufe I der Synthese wurde m-Bromanisol 1 mittels Brom Lithium Austausch durch Butyllithium zu m-Lithiumanisol 2 und Butylbromid umgesetzt. In Stufe II wurde das Reaktionsgemisch mit Dimethylformamid als Elektrophil versetzt und die Reaktion in verdünnter Salzsäure gequencht. Als Lösungsmittel kam Tetrahydrofuran zum Einsatz. Diese Synthese wurde einerseits semi-kontinuierlich im Doppelmantelreaktor und andererseits kontinuierlich in zwei nacheinander geschalteten Cytos®-Lab-System-Modulen durchgeführt.
Im Batch-Verfahren kann diese Synthese nur unter erheblichem Sicherheitsaufwand und mit einem hohen Bedarf an Kühlenergie durchgeführt werden. Der Einsatz von Mikrostrukturreaktoren ermöglicht dagegen eine kontinuierliche isotherme Reaktionsführung. Die Gegenüberstellung der beiden Alternativverfahren mit Hilfe der Ökobilanz erfolgte anhand ihrer potentiellen Umweltwirkungen.

Abbildung 2: Synthese von m-Anisaldehyd

Diese vergleichende Ökobilanzierung wurde sowohl anhand von Laborsyntheseergebnissen (Synthese von 10 kg m-Anisaldehyd pro Jahr) als auch nach der Überführung des Verfahrens in den Maßstab einer Feinchemikalienproduktion anhand von Daten aus der Produktion (Synthese von 1 t Produkt pro Jahr) vorgenommen. Die Ergebnisse der umfassenden Auswertung werden nachfolgend anhand einer der Wirkkategorien einer Ökobilanz, dem "Treibhauspotential" (GWP), näher vorgestellt. Diese Wirkkategorie beschreibt die Wirkung aller in die Umwelt emittierten Treibhausgase (z.B. Kohlendioxid, Methan, Lachgas).
Wie in Abbildung 3 dargestellt, resultiert aus der Überführung der Synthese in ein kontinuierliches Verfahren im Mikrostrukturreaktor ein um 34 % reduziertes Treibhauspotential. Die Ergebnisse beruhen auf einer Bewertung der alternativen Prozesse im Produktionsmaßstab und sind daher auf eine Tonne Produkt bezogen. Deutlich erkennbar sind die Unterschiede im Bedarf an elektrischer Energie und an flüssigem Stickstoff (zum Betrieb des kryogenen Systems). Auch die Bereitstellung der Edukte sowie die Entsorgung der Chemikalienabfälle hat einen signifikanten Einfluss auf das Gesamtergebnis. Da die Ausbeute an m-Anisaldehyd in beiden Fällen bei 88 % reinem Produkt lag, ergeben sich hier jedoch keine Unterschiede durch die Wahl des Verfahrens.

Abbildung 3: Gegenüberstellung des Treibhauspotentials der alternativen Verfahren der Produktion von m-Anisaldehyd.

Das Beispiel "Treibhauspotential" zeigt, dass mit Hilfe der Mikroverfahrenstechnik eine deutliche Reduktion der mit der Synthese einhergehenden Umweltlasten erzielt werden kann. Dieses Ergebnis ist für die gewählte Beispielsynthese insbesondere auf die hohe Wärmeaustauschkapazität der mikrostrukturierten Elemente zurückzuführen, mit deren Hilfe auf den Betrieb eines kryogenen Systems zur Abführung der Reaktionswärme der stark exothermen Synthese verzichtet werden kann. Im Vergleich hierzu haben ein erhöhter Aufwand in der Fertigungsphase der Mikroreaktoren sowie deren möglicherweise geringere Lebensdauer nur geringe Auswirkungen auf die Gesamtbilanz.

Optimierung von Synthesewegen im Stadium der Forschung und Entwicklung (F&E) durch begleitende Bilanzierung - am Beispiel von ionischen Flüssigkeiten

Ionische Flüssigkeiten sind "flüssige Salze" (meist unter 100 °C flüssiger Aggregatzustand), die aus einem organischen Kation und einem organischen oder auch anorganischen Anion bestehen (Abbildung 4). Durch die große Kombinationsvielfalt möglicher Anionen und Kationen resultieren unterschiedliche Eigenschaften, z.B. bzgl. Wasserlöslichkeit, Viskosität und Dichte.

Abbildung 4: Mögliche Anion/Kation-Variationsmöglichkeiten ionischer Flüssigkeiten.

Ionische Flüssigkeiten weisen auf Grund ihrer Besonderheiten in der Anwendung, vor allem. innerhalb von Separationsprozessen (siehe BASIL-Verfahren der BASF) und in der Katalyse teilweise deutliche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Lösungsmitteln wie Methanol, Acetonitril oder Cyclohexan auf. Zudem besitzen ionische Flüssigkeiten einen geringen Dampfdruck und werden somit als "Zero VOCs (Volatile Organic Compounds)" bezeichnet. Vor diesem Hintergrund werden sie häufig auch mit dem Begriff "Green Solvent" in Verbindung gebracht, d.h. es werden ökologische Vorteile durch den Einsatz dieser Verbindungsklasse erwartet. Um dies zu bestätigen, ist wiederum ein ganzheitlicher Bewertungsansatz erforderlich; neben der Anwendung müssen auch vor- und nachgelagerte Prozesse berücksichtigt werden. Ferner ist die Untersuchung des Umweltgefährdungspotentials ionischer Flüssigkeiten, z.B. bei Eintrag über den Wasserpfad oder partikelgebunden in die Atmosphäre, von wesentlicher Bedeutung für deren industrielle Anwendung.
In diesem Kontext wurde am ITUC (Institut für Technische Chemie und Umweltchemie, FSU Jena) eine Methode zur forschungsbegleitenden Bewertung und Optimierung chemischer Synthesen, Prozesse und Verbindungen hinsichtlich ökologischer und ökonomischer Nachhaltigkeitskriterien entwickelt. Die aus der Ökobilanzierung bekannte Lebenswegbilanzierung wurde hierbei in ein bereits in der chemischen F&E handhabbares Instrument der Entscheidungsunterstützung integriert. Als Kriterien werden dabei energetische, toxikologische und ökonomische Aspekte bewertet. Die so genannte ECO-Methode ("Ecological and Economic Optimisation Method") kann bspw. zur vergleichenden Bewertung der Auswirkungen einzelner Syntheseparametervariationen (Variation von Temperatur, Zeit, Eduktkonzentration, Lösungsmittel etc.) anhand eines iterativen Screenings verwendet werden. So kann eine Optimierung und Bewertung von Synthese- und Aufarbeitungsschritten, aber auch der Anwendung ionischer Flüssigkeiten unter ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeitsaspekten erzielt und Schwachstellen im Gesamtprozess ermittelt und so beseitigt und vermieden werden.

Zusammenfassung

Die vorgestellten Methoden unterscheiden sich in dem Stadium, in dem ökologische Kriterien Einfluss auf die weitere Forschung bzw. Entwicklung nehmen. Die Suche nach ökologisch nachhaltigen Synthesewegen für ionische Flüssigkeiten erfordert die Bewertung einer Vielzahl von Parametervariationen anhand eines ökologischen Screenings, während im Fall des Bewertungsbeispiels "Mikroreaktionstechnik" eine Quantifizierung der resultierenden Umweltbelastungspotentiale im Mittelpunkt der Untersuchungen stand. Im letzteren Fall ergaben sich für die gewählte Beispielsynthese in der Mehrzahl der betrachteten Wirkkategorien deutliche Vorteile für die kontinuierliche Verfahrensalternative im Mikrostrukturreaktor im Vergleich zum makroskaligen Batch-Verfahren. Im Falle der ionischen Flüssigkeiten wurde der Bewertungsansatz an die Datenlage im Forschungs- und Entwicklungsstadium angepasst, um gezielt Entscheidungsunterstützung für die weitere Entwicklungsarbeit leisten zu können und so das vorhandene ökologische Potential auszuschöpfen. Eine Lebenswegbetrachtung zur Beurteilung ökologischer Nachhaltigkeitsaspekte war hierbei in jedem Fall erforderlich.


Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für die finanzielle Unterstützung (DBU-Verbundprojekt AZ 19 348, Promotionsstipendium Denise Reinhardt AZ 20005/780).

Aktuelle Informationen/Veröffentlichungen sind zu finden unter: http://www.uni-jena.de/Forschungsgruppe_Prof__Kreisel.html

   

Kontakt

Dr. rer. nat. Dana Kralisch
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Technische Chemie und Umweltchemie
Lessingstr. 12, 07743 Jena
Tel.: +49 (0)3641 948457
Fax: +49 (0)3641 948402
E-Mail: dana.kralisch@uni-jena.de

Literaturhinweise

Unternehmen

[1] ISO 14040:2006, Environmental management - Life cycle assessment - Principles and framework. Brussels, Belgium: European Commitee for Standardisation, 2006.
[2] K. Jähnisch, V. Hessel, H. Löwe, M. Baerns, "Chemie in Mikrostrukturreaktoren", Angew. Chem., 2004, 116 (4) 410.
[3] D. Kralisch, G. Kreisel, "Assessment of the Ecological Potential of Microreaction Technology", Chem. Eng. Sci., 2007, 62 (4) 1094.
[4] D. Kralisch, G. Kreisel, "Bewertung der ökologischen Potentiale der Mikroverfahrenstechnik", Chem. Ing. Tech., 2005, 77 (6) 784.
[5] A. Stark, K. R. Seddon, "Ionic Liquids", Kirk-Othmer Encyclopaedia of Chemical Technology, 5th Edit., Ed. A. Seidel, Vol. 26 (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007), 836.
[6] D. Kralisch, D. Reinhardt, G. Kreisel, "Implementing Objectives of Sustainability into Ionic Liquids Research and Development", Green Chemistry, Green Chem., 2007, 9 (12) 1308.
[7] D. Kralisch, A. Stark, S. Körsten, G. Kreisel, B. Ondruschka, "Energetic, Environmental and Economic Balances: Spice up your Ionic Liquid Research Efficiency!", Green Chem., 2005, 7 (5) 301.
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