Nachhaltige Chemie

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Der Leitgedanke, nachhaltige Chemie zu betreiben, entstand aus Erfahrungen mit umweltrelevanten Ereignissen der Vergangenheit und dem Willen, eine lebenswerte Zukunft zu sichern. Die chemische Industrie stellt praktisch allen Wirtschaftszweigen benötigte Grundstoffe, Zwischenprodukte und Verbrauchsgüter zur Verfügung. Damit verbundene Risiken für Menschen, Tiere und Umwelt sollen durch zunehmend nachhaltige Prozesse immer weiter verringert werden.

Grundlagen für Nachhaltigkeit in der chemischen Industrie

1998 veröffentlichten die amerikanischen Chemiker Paul Anastas und John C. Warner unter dem Titel „Green chemistry: theory and practice“ (Grüne Chemie: Theorie und Praxis) Handlungsstrategien, das Risikopotential der chemischen Industrie zu reduzieren und natürliche Ressourcen zu schonen.

Kern der Überlegungen sind folgende zwölf Grundprinzipien:

1. Abfall vermeiden
2. Stoffumsatz in chemischen Reaktionen optimieren
3. Verbrauch und Herstellung von Gefahrstoffen vermeiden
4. Gefahrstoffe durch ungefährliche Produkte ersetzen
5. ungefährliche Lösungsmittel und Hilfsstoffe verwenden
6. Prozesse mit niedrigem Energieverbrauch entwickeln
7. zur Ressourcenschonung erneuerbare Rohstoffe und Energiequellen nutzen
8. Verfahren mit wenigen Verarbeitungsschritten entwickeln
9. katalytische Reaktionen gegenüber Reaktionen mit stöchiometrischem Stoffumsatz bevorzugen
10. biologisch abbaubare Stoffe entwickeln
11. chemische Reaktionen mit analytischen Methoden in Echtzeit überwachen und steuern
12. Explosionen, Bränden und Unfällen, bei denen Stoffe freigesetzt werden, wirksam vorbeugen

Diese Grundsätze haben ihre Geltung für den Umweltschutz bis heute behalten und spiegeln sich auch in europäischen Rechtsvorschriften wider. Die Richtlinie 2010/75/EU zur integrierten Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung greift die wesentlichen Punkte auf und leitet daraus Grundpflichten für die Betreiber von Anlagen ab. Zu diesen Pflichten gehört, eine nachhaltige Chemie durch die Anwendung der bestmöglichen Technik zu gewährleisten.

Abfall vermeiden

Abfälle sind Stoffe oder Gegenstände, die nicht verwendet werden können und entsorgt werden sollen. Der Grundgedanke der Abfallvermeidung besteht darin, mit technischen Vorkehrungen und optimierten Verfahren die Abfallmenge nachhaltig zu reduzieren. Fast alles, was am Entstehungsort als Müll anfällt, lässt sich jedoch an anderer Stelle als Rohstoff nutzen. Dadurch verwandelt sich Abfall in ein Nebenprodukt.

Die Wiederverwertung von Nebenprodukten wird erleichtert, wenn bei der Herstellung des Hauptproduktes dafür gesorgt wird, dass die anderen Stoffe mit geringem Aufwand weiterverarbeitet werden können. Zum Beispiel lässt sich häufig die Vermischung dieser Substanzen vermeiden. Dieses Vorgehen wird als Vorbereitung zur Wiederverwertung bezeichnet. Beim Recycling werden die Bestandteile von Abfallprodukten voneinander getrennt und in den Stoffkreislauf zurückgeführt. Führende Hersteller von Chemikalien haben sich darauf eingestellt, verbrauchte Produkte zurückzunehmen und aufzubereiten. Kluthe betreibt zu diesem Zweck eigens gegründete Tochterunternehmen und erhöht damit die Nachhaltigkeit der Produktion.

Stoffumsatz in chemischen Reaktionen optimieren

Fachleute bezeichnen die Optimierung des Stoffumsatzes als Erhöhung der Atomeffizienz. Ziel ist, möglichst alle Atome der Ausgangsstoffe in die Endprodukte zu überführen. Viele chemische Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen. Ein Teil der gebildeten Stoffe zerfällt dabei in einer Rückreaktion wieder in die Ausgangsubstanzen. Die Unterdrückung der Rückreaktion gelingt durch die zielgerichtete Wahl der Prozessparameter Druck, Temperatur und Konzentration. Eine weitere Möglichkeit, nachhaltige Prozesse zu gestalten, besteht in der Vermeidung von Nebenreaktionen. Die Bildung ungewollter Nebenprodukte verbraucht einen Teil der Rohstoffe und macht eine aufwändige Nachbereitung des Produktes erforderlich.

Nachhaltige Chemie durch Vermeidung von Gefahrstoffen

Gefahrstoffe können Gesundheitsschäden, Brände und Explosionen oder Schäden in der Umwelt verursachen. Der Aufwand für einen sicheren Umgang mit den Substanzen und das Risiko für den Umweltschutz lassen sich durch den Verzicht auf diese Stoffe vermeiden. Das gelingt, wenn nur Verfahren genutzt werden, die keine gefährlichen Chemikalien verbrauchen oder erzeugen. Voraussetzung dafür ist die Entwicklung von ungefährlichen Produkten und neuen Methoden, die den gleichen Einsatzzweck erfüllen. Das gilt auch für Lösungsmittel und Hilfsstoffe.

Anwendungsfelder sind zum Beispiel der Korrosionsschutz und die Reinigung von Maschinenteilen.

Nachhaltigkeit durch Ressourcenschonung

Nachhaltige Prozesse verbrauchen ein Minimum an Energie und Rohstoffen. Die Energieeffizienz lässt sich durch Verfahren nachhaltig erhöhen, die bei Raumtemperatur und unter normalem Druck ablaufen. Das gelingt der Chemie zum Beispiel durch den Einsatz von Katalysatoren. Diese Stoffe greifen in den Reaktionsmechanismus ein und bewirken eine Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen und Drücken. Vorteilhaft ist, dass Katalysatoren im Verlauf der Stoffumwandlung erhalten bleiben.

Viele Chemikalien lassen sich künstlich nur in vielen Stufen über die Bildung von Zwischenprodukten herstellen. Einige dieser Substanzen entstehen im Verlauf von Stoffwechselvorgängen auf natürlichem Weg. Die nachhaltige Chemie nutzt derartige Prozesse in der weißen Biotechnologie. In Bioreaktoren werden Mikroorganismen gezüchtet, die die benötigten Produkte in einem Schritt bei normalen Umgebungsbedingungen erzeugen. Auf diesem Weg entstehen aus nachwachsenden Rohstoffen Methan, Alkohole, Essigsäure, Milchsäure und viele andere Produkte.

Durch Veränderungen im Erbgut lassen sich gezielt weitere Substanzen gewinnen. Die biotechnischen Prozesse ermöglichen das Recycling von Abfällen aus der Lebensmittelindustrie oder der Land- und Forstwirtschaft. Auf Grundlage der Biotechnologie lassen sich auch Kraftstoffe gewinnen, die in die grüne Logistik Einzug halten. Transporte werden durch Optimierung der Transportwege, Ausgleichprojekte für den Kohlendioxidausstoß und den Einsatz moderner Kraftstoffe umweltfreundlicher. Kluthe setzt grüne Logistik durch die Zusammenarbeit mit seinem hauseigenen Spediteur um.

Der Beitrag biologisch abbaubarer Stoffe zur Nachhaltigkeit

Ein dringend zu lösendes Problem im Umweltschutz sind Kunststoffabfälle, die in der Natur kaum zersetzt werden. Der Ersatz dieser Materialien durch biologisch abbaubare Substanzen wirkt sich besonders in der Verpackungstechnologie nachhaltig aus. Kunststoffe, die von Mikroorganismen als Nahrung genutzt werden können, lassen sich zum Beispiel aus Milchsäure herstellen. Das Recycling erledigt die Natur anschließend kostenlos.

Analytische Echtzeitüberwachung

Nachhaltige Chemie erfordert die Überwachung der Zusammensetzung erzeugter Produkte zum Zeitpunkt ihres Entstehens. Wenn durch die noch häufig praktizierte nachträgliche Analyse der Stoffe Qualitätsmängel aufgedeckt werden, muss die betreffende Charge verworfen werden. Die Echtzeitüberwachung und die Steuerung der Produktqualität während der Reaktion helfen, Rohstoffe einzusparen und Abfälle zu vermeiden.

Unbeabsichtigte Freisetzung von Stoffen vermeiden

Unfälle, Brände und Explosionen, bei denen große Mengen gefährlicher Stoffe entstehen und freigesetzt werden, stellen ein hohes Risiko für die Umwelt dar. Die Nachhaltigkeit der Chemie zeigt sich nicht nur in den Eigenschaften der verwendeten und erzeugten Substanzen, sondern auch im sorgfältigen Umgang mit den Chemikalien. Wenn Gefahrstoffe für bestimmte Anwendungen erforderlich sind, lässt sich das Risiko durch den Einsatz moderner Sicherheitstechnik minimieren.

Beste verfügbare Technik für nachhaltige Chemie

Der technische Fortschritt bringt ständig neue Möglichkeiten für die Gestaltung nachhaltiger Chemie hervor. Um den Stand der besten verfügbaren Technik (BVT, englisch: Best Available Techniques, BAT) in der Europäischen Union bekannt zu machen, erfolgt ein intensiver Informationsaustausch zwischen Unternehmen, Unternehmensverbänden, Umweltverbänden und Behörden. Die Erkenntnisse werden in BVT-Merkblättern beschrieben und vom Umweltbundesamt veröffentlicht.

Die Erarbeitung der Merkblätter erfolgt für die verschiedenen Fachbereiche durch technische Arbeitsgruppen. Aus den zusammengestellten Informationen leiten sich verbindliche Vorgaben für Emissionsgrenzwerte und Wege zu deren Einhaltung ab. Vor der Genehmigung neuer Produktionsanlagen wird geprüft, wie die beste verfügbare Technik im Projekt umgesetzt ist.