Metriken der grünen Chemie

Metriken der grünen Chemie (auch: Kennwerte der grünen Chemie) beschreiben Aspekte eines chemischen Prozesses, die mit den 12 Prinzipien der grünen Chemie zusammenhängen. Diese Metriken dienen dazu, die Effizienz oder die Nachhaltigkeit chemischer Prozesse zu quantifizieren. Durch sie sollen Effektivität oder Nachhaltigkeit chemischer Prozesse sowie die Veränderungen messbar gemacht werden. Motivation für den Einsatz von Metriken ist die Erwartung, dass die Quantifizierung technischer und ökologischer Verbesserungen den Nutzen neuer Technologien greifbarer, wahrnehmbarer oder verständlicher machen kann. Weiterhin dienen solche Metriken auch als Vergleichsmaßstab zu anderen ggf. weniger optimalen Prozessen.

Für Ausbeuteverbesserungen und erhöhte Selektivitäten können einfache Prozentsätze als Metriken ideal sein, aber dieser vereinfachte Ansatz ist möglicherweise nicht immer anwendbar. Wenn beispielsweise ein hochentzündliches Reagenz durch ein sichereres ersetzt wird, ist es schwierig, einen numerischen Wert für die Verbesserung zu bestimmen. Es ist jedoch offensichtlich, dass Verbesserungen vorliegen, wenn alle anderen Faktoren gleich bleiben.

Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche Metriken formuliert. Die folgende Übersicht enthält eine alphabetische Auflistung einiger Metriken, erhebt jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Ein generelles Problem besteht darin, dass je genauer und universeller die entwickelten Metriken sind, desto komplexer werden sie. Für professionelle Anwendungen gibt es computergestützte Systeme zur Analyse und Berechnung von Metriken. Es gibt einige Tabellenkalkulationsvorlagen und Softwarelösungen, die in der Lage sind, Metriken usw. zu berechnen. Eine gute Kennzahl muss klar definiert, einfach, messbar und objektiv sein, um das gewünschte Verhalten zu fördern.

Typenübersicht zu den Metriken Der grundlegende Zweck von Metriken ist es, Vergleiche zu ermöglichen. Wenn es mehrere wirtschaftlich tragfähige Möglichkeiten gibt, ein Produkt herzustellen, welche verursacht die geringste Umweltbelastung – d. h. welche ist die umweltfreundlichste? Die zu diesem Zweck entwickelten Metriken lassen sich in zwei großen Typen einteilen: massenbasierte Metriken und wirkungsbasierte Metriken.

Die einfachsten Metriken basieren auf der Masse der Materialien und nicht auf deren Auswirkung. Atomökonomie, E-Faktor, Ausbeute, Reaktionsmasseneffizienz und effektive Masseneffizienz sind Kennzahlen, die die Masse des gewünschten Produkts mit der Masse des Abfalls vergleichen. Sie unterscheiden nicht zwischen schädlicheren und weniger schädlichen Abfällen. Ein Verfahren, bei dem weniger Abfälle anfallen, mag nach Maßstäben umweltfreundlicher erscheinen als die Alternativen, kann aber auch weniger umweltfreundlich sein, wenn der erzeugte Abfall besonders umweltschädlich ist. Diese gravierende Einschränkung bedeutet, dass massenbasierte Metriken nicht verwendet werden können, um zu bestimmen, welche synthetische Methode umweltfreundlicher ist. Massenbasierte Metriken haben jedoch den großen Vorteil der Einfachheit: Sie können aus leicht verfügbaren Daten mit wenigen Annahmen berechnet werden. Für Unternehmen, die Tausende von Produkten herstellen, sind massenbasierte Messgrößen möglicherweise die einzige praktikable Option, um die unternehmensweite Verringerung von Umweltschäden zu überwachen. Unter den massenbasierten Metriken gibt es zwei verschiedene Gruppen, die Metriken, die einheitenlos bzw. sind und die Metriken, deren Einheit Prozent ist. Nachfolgend sind gängige massenbasierte Metriken inkl. deren Formel zur Berechnung und der jeweilige Optimalwert für die Metrik dargestellt. massenbasierte MetrikAbkürzung oder %Formel zur BerechnungOptimalwertE-FaktorEF0MassenintensitätMI1ProzessmassenintensitätPMI1ReaktionsmassenintensitätRMI1LösungsmittelintensitätSI0AbwasserintensitätWWI0WasserintensitätWI0erneuerbare-Ressourcen IntensitätRI1E-Faktor (einfach)sEF0E-Faktor (vollständig)cEF0AbfallintensitätAI0AtomökonomieAE%100 %KohlenstoffeffizienzCE%100 %ReaktionsmasseneffizienzRME%100 %MassenproduktivitätMP%100 %effektive MassenausbeuteEMY%/erneuerbare-Ressourcen ProzentsatzRP%100 %optimale EffizienzOE%100 % Zur Ansicht der Tabelle rechts auf [Ausklappen] drücken.

Im Gegensatz dazu bewerten wirkungsbasierte Metriken, wie bei der Metrik EcoScale, sowohl die Umweltbelastung als auch die Masse, wodurch sie sich viel besser für die Auswahl der umweltfreundlichsten von mehreren Optionen oder synthetischen Wegen eignen. Einige von ihnen, z. B. für Versauerung, Ozonabbau und Ressourcenabbau, sind genauso einfach zu berechnen wie massenbasierte Metriken, erfordern aber Emissionsdaten, die möglicherweise nicht ohne weiteres verfügbar sind. Andere, wie die Toxizität für Inhalation, Ingestion und verschiedene Formen der aquatischen Ökotoxizität, sind komplexer zu berechnen, zusätzlich zu den erforderlichen Emissionsdaten.

Atom- & Kohlenstoffeffizienz Atomökonomie

Die Atomökonomie (auch Atomeffizienz, eng.: atom economy, AE) wurde 1991 von Barry M. Trost definiert. Sie ist definiert als die gesamte Molmasse des gewünschten Produkts geteilt durch die Summe der gesamten Molmassen aller Reaktanten, ausgedrückt in Prozent.

Der Prozentsatz der Atomökonomie bezieht sich auf den Anteil der Reaktanten, die in das Endprodukt eingehen. Bei einer idealen Reaktion würden alle Atome der Reaktanten im gewünschten Produkt enden, dies entspricht einer Atomökonomie von . Die Atomökonomie ist ein rein theoretischer Wert und kann folglich schon bei der Planung eines chemischen Prozesses ermittelt werden.

Kohlenstoffeffizienz Eine Version der Atomökonomie ist die Kohlenstoffeffizienz (auch Kohlenstoffökonomie, eng.: carbon efficiency, CE), welche von Curzons et al. in 2001 erfunden wurde. Sie ist definiert als der prozentuale Anteil des Kohlenstoffs der Reaktanten, der im Endprodukt verbleibt. Dementsprechend ist ihre Berechnung für eine generische Reaktion A + B->C ähnlich der der Atomökonomie:

Ist aber die Reaktion A + B -> Produkt + Nebenprodukt:

Sie beschreibt, wie viele Kohlenstoffatome der Reaktanten im Produkt enden. Bei einer idealen Reaktion würde alle Kohlenstoffatome der Reaktanten im gewünschten Produkt enden, dies entspricht einer Kohlenstoffeffizienz von . Die Kohlenstoffeffizienz ist ein rein theoretischer Wert (ähnlich wie die Atomökonomie) und kann folglich schon bei der Planung eines chemischen Prozesses ermittelt werden.

Der Nachteil einer solchen Metriken ist, dass Annahmen getroffen werden müssen. In einem idealen chemischen Prozess entspricht die Menge der Ausgangsstoffe oder Reaktanten der Menge aller erzeugten Produkte und es geht kein Atom verloren. Bei den meisten Prozessen bleiben jedoch einige der Reaktanten-Atome als nicht reagierte Reaktanten zurück oder gehen bei einigen Nebenreaktionen in nicht betrachtete Nebenprodukte verloren, anstatt Bestandteil der Produkte zu werden. Außerdem werden Lösungsmittel und Energie, die für die Reaktion verwendet werden, in dieser Berechnung nicht berücksichtigt, aber sie können erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Ausbeute

Die Ausbeute ist per se keine allein grüne Metrik, hier aber dennoch erwähnenswert. In der Chemie versteht man unter der Ausbeute einer Reaktion die Menge an gewonnenem Produkt. Die Ausbeute wird üblicherweise als Quotient der Stoffmengen an real gewonnenem Produkt und der theoretisch maximal möglichen Produktmenge ausgedrückt. So berechnet stellt sie eine stöchiometrische Verhältnisgröße dar und wird in der Regel in Prozent ausgedrückt.

Die theoretische Maximalmenge an Produkt entspricht der Stoffmenge des knappsten Reaktanten bzw. einem stöchiometrischen Bruchteil oder Vielfachen davon.

Da die Ausbeute durch das chemische Gleichgewicht beeinflusst werden kann, kann die Ausbeute durch das im großen Überschuss Hinzufügen eines oder mehrerer Reaktanten erhöht werden. Diese Methode kann jedoch nicht als „grünere“ Methode angesehen werden, da dies bedeutet, dass eine größere Menge des überschüssigen Reaktanten nicht reagiert und somit verschwendet wird.

E-Faktoren & Umweltquotient E-Faktor

Ende der 80er Jahre entwickelte Roger A. Sheldon den E-Faktor (auch Umweltfaktor, eng.: environmental factor, EF). Der E-Faktor ist definiert als das Massenverhältnis des Abfalls zum gewünschten Produkt. Er kann dementsprechend folgendermaßen berechnet werden:

oder auch mit .

Das Inputmaterial bezieht sich auf die Reaktanten sowie auch auf die Lösungsmittel. Die Gesamtmassen werden normalerweise in Kilogramm (kg) oder Tonnen (t) angegeben. Ein höherer E-Faktor bedeutet mehr Abfall und folglich größere negative Umweltauswirkungen. Der ideale E-Faktor ist Null, d. h. nur das gewünschte Produkt entsteht und kein Abfall. Der E-Faktor ist relativ einfach und leicht verständlich und hebt die im Prozess entstehende Abfallmenge hervor, die bei einer bestimmten Produktmasse anfällt. Er hilft dabei eines der zwölf Prinzipien der grünen Chemie zu erfüllen, nämlich die Vermeidung von Abfall. Es ist besser, Abfälle zu vermeiden, als Abfälle zu behandeln oder zu beseitigen, nachdem sie entstanden sind. Diese Messgröße kann von der Industrie genutzt werden und Innovationen anregen, die zu einer Verringerung des Abfallaufkommens führen, wenn sie richtig eingesetzt wird.

Wiederverwendbare (recycelbare) Faktoren wie recycelte Lösungsmittel und wiederverwendbare Katalysatoren werden bei der Berechnung des E-Faktors ignoriert. Dies erhöht zwar dessen Genauigkeit, aber die bei der Rückgewinnung benötigte Energie wird nicht berücksichtigt (häufig werden diese theoretisch berücksichtigt, indem eine Rückgewinnung von 90 % des Lösungsmittels angenommen wird). In der Definition des E-Faktors schließt Sheldon Wasser generell von der Berechnung aus und er argumentierte, dass die Einbeziehung von Wasser zu außergewöhnlich hohen E-Faktoren führen und aussagekräftige Vergleiche von Prozessen erschweren kann. Die Hauptschwierigkeit bei der Berechnung des E-Faktors besteht darin, Prozessgrenzen zu definieren, z. B. welche Phasen des Produktions- oder Produktlebenszyklus berücksichtigt werden müssen, bevor Berechnungen angestellt werden können.

Einfacher & vollständiger E-Faktor Der Umweltfaktor (E-Faktor) wurde an die Bedürfnisse der pharmazeutischen Industrie angepasst und es wurden basierend darauf zwei Metriken entwickelt. Ursprünglich wurde Abfall als „alles außer dem gewünschten Produkt“ oder als „die Nebenprodukte, die entstehen“ definiert. Wasser wurde jedoch mit der Begründung ausgeschlossen, dass die Einbeziehung von Wasser zu einer Verzerrung der E-Faktoren führen würde. Andererseits würde die Entsorgung oder Wiederverwendung des Wassers in vielen Fällen eine Art Vorbehandlung erfordern, was für die Einstufung als Abfall spricht. Der einfache E-Faktor (eng.: simple E factor, sEF) berücksichtigt weder Lösemittel noch Wasser und ist eher für die frühe Routenplanung geeignet.

Eine wichtige Abfallquelle bei der Herstellung von Chemikalien, insbesondere in der pharmazeutischen Industrie, ist der Verlust von Lösungsmitteln. Der vollständige E-Faktor (eng.: complete E factor, cEF) berücksichtigt alle Prozessmaterialien einschließlich Rohstoffen, Reagenzien, Lösungsmitteln und Wasser. Dabei wird kein Recycling angenommen. Dieser vollständige E-Faktor ist eher für die Analyse des gesamten Abfallstroms geeignet.

Der tatsächliche kommerzielle E-Faktor wird irgendwo zwischen sEF und cEF liegen und kann berechnet werden, wenn zuverlässige Daten über Lösemittelverluste vorliegen. Eine Schwäche des ursprünglichen E-Faktors bestand darin, dass Wasser in den Prozessen nicht berücksichtigt wurde, und wurde durch den vollständigen E-Faktor beseitigt.

Umweltquotient