James H.Clark, Kapitola 1:Zelená a udržitelná chemie: An Introduction , in Green and Sustainable Medicinal Chemistry: Methods, Tools and Strategies for the 21st Century Pharmaceutical Industry, 2016, s. 1-11 DOI: 10.1039/9781782625940-00001
eISBN: 978-1-78262-594-0
Z knižní řady: Farmaceutická chemie: Clarka
a Green Chemistry Centre of Excellence, Department of Chemistry, University of York, York, YO10 5DD, UK. E-mail: [email protected]

Budou diskutovány základy zelené chemie včetně jejího vztahu k udržitelnosti. Rovněž bude zváženo, proč máme potřebu zelené chemie a co ji umožňuje. Nakonec se podíváme na to, co se děje ve světě zelené chemie, pokud jde o iniciativy, hlavní aktivity a úspěchy, a jak to ovlivňuje vzdělávání.

1.1 Co je zelená chemie?

“Zelená chemie”, “zelené inženýrství” a “udržitelnost” se často používají zaměnitelně k popisu konceptu vytváření procesů a produktů, které mají menší dopad na životní prostředí a jsou (v ideálním případě) založeny na obnovitelných zdrojích. Pokud však tyto pojmy prozkoumáme hlouběji, zjistíme, že v jejich filozofii existují značné rozdíly, které ovlivňují použitelnost metodik a technik při rozvoji environmentálně vhodné společnosti.

Zelená chemie je poměrně dobře definována dvanácti zásadami Anastase a Warnera.1 Tyto zásady se zaměřují především na to, jak by se měly provádět chemické reakce a vyrábět chemické produkty, a popisují syntézu chemických látek environmentálně vhodným způsobem. Ústředními body zelené chemie jsou tedy konkrétní myšlenky, jako je používání neškodných pomocných látek včetně rozpouštědel pro reakce a separace, snížení počtu kroků a koncepce atomové ekonomie neboli začlenění všech surovin do výrobku. Dvanáct zásad bylo sepsáno před 20 lety a neodráží plně moderní způsob myšlení. V zelené chemii nyní hrají důležitou roli další otázky, jako je toxikologie a biologická rozložitelnost, které jsou součástí většího důrazu na bezpečnost výrobků a také na obnovitelné zdroje. V mnoha ohledech lze zelenou chemii považovat za vědecký základ výroby preferované z hlediska životního prostředí.

Zelené inženýrství je naproti tomu návrh, komercializace a používání procesů a výrobků, které jsou proveditelné a ekonomické a zároveň minimalizují vznik znečištění u zdroje, stejně jako minimalizují rizika pro lidské zdraví a životní prostředí.2 Zelený inženýr využívá nástroje recyklace, intenzifikace procesů a optimalizace návrhu k maximalizaci účinnosti procesu a snížení jeho zátěže pro životní prostředí. Zelené inženýrství hodnotí výrobní proces jako systém a usiluje o optimalizaci jeho návrhu a v pravém slova smyslu zahrnuje koncepty analýzy životního cyklu a environmentální ekonomiky do příslušného hodnocení celkového dopadu na životní prostředí. Zelené inženýrství vyžaduje vývoj souboru metrik, které vhodně vyhodnocují environmentální parametry, které se snažíme kontrolovat.

Udržitelný design se dívá ještě šířeji a snaží se pochopit vztahy mezi výrobním systémem a ekosystémem. Udržitelnost se zaměřuje na trojí výsledek: integraci ekologické integrity, společenské odpovědnosti a ekonomické životaschopnosti. Udržitelnost využívá systémový přístup na nejširší úrovni a pohlíží na planetu jako na systém zájmu, ale aby bylo možné optimalizovat návrh v tomto měřítku, bude zapotřebí nových způsobů měření dopadů člověka na životní prostředí.

Chemický a příbuzný průmysl nyní čelí tak těžké výzvě, jako nikdy předtím. Ve 20. století došlo k obrovskému růstu výroby chemických látek, ale tento růst si vyžádal určitou cenu. Neefektivní procesy vedoucí k nepřijatelné míře znečištění, nebezpečné provozy, které vedly k řadě katastrof, a nedostatečné znalosti o toxicitě většiny široce používaných chemických látek pro člověka a životní prostředí, to vše vedlo k exponenciálnímu růstu legislativy v oblasti chemických látek. Průmysl nyní musí dosáhnout environmentální a sociální přijatelnosti i ekonomicky životaschopné výroby v dosud nejpřísnějším legislativním rámci. Nedávné chemické právní předpisy, jako je nařízení REACH, způsobují zásadní změny v dodavatelském řetězci chemických výrobků.3 Přesto je třeba nějakým způsobem uspokojit požadavky rostoucí populace. Udržitelnou chemickou výrobu lze realizovat pouze prostřednictvím přehodnocení celého životního cyklu chemických výrobků od zdrojů přes výrobu a produkci až po použití výrobku a jeho konečný osud (obrázek 1.1).

1.2 Hnací síly změn

1.2.1 Legislativa

Tlak na chemickou výrobu, zejména legislativní a také ze strany zákazníků, je stále uplatňován a obecně vede k čistší a bezpečnější výrobě. Pravděpodobnost další katastrofy, jako byla ta v Bhópálu, je nižší, alespoň ve většině regionů světa (např. v důsledku sankcí a omezení týkajících se skladování nebezpečných látek), i když stále existuje značná výroba v regionech s menší kontrolou, a tedy vyšším rizikem.4 Kontrola znečištění a přísné sankce, které mohou být uloženy, odradily od významných emisí z továren ve většině lokalit.

REACH je legislativa, o které se nejvíce hovoří a která ovlivňuje chemické výrobky.3 Tato a další chemické legislativy přímo ovlivňují chemickou a příbuznou výrobu prostřednictvím omezené dostupnosti stále většího počtu běžných chemických látek. Zatímco velmi nebezpečné látky, jako jsou organická rtuť a sloučeniny olova, jsou již řadu let předmětem přísné kontroly, nová omezení používání jiných látek, jako jsou chromany a sloučeniny kobaltu, mohou mít značný dopad na některé průmyslové chemie, včetně oxidace. Zatímco nařízení REACH postupuje pomalu (bude trvat příští desetiletí, než budou všechny chemické látky podléhající nařízení REACH testovány), objevily se neoficiální seznamy látek, které mají být nahrazeny. Pravděpodobně nejvýznamnějším z nich je takzvaný seznam SIN (“substitute it now”).5 Na tomto seznamu se objevuje několik stovek chemických látek a ovlivňuje některé koncové uživatele, kteří nechtějí, aby jejich výrobky obsahovaly jakékoli chemické látky uvedené na těchto veřejně dostupných “červených seznamech”.

Pravděpodobně největší dopad bude mít na používání rozpouštědel, protože REACH ohrožuje mnoho nejběžnějších organických rozpouštědel: patří mezi ně N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), dimethylformamid (DMF) a dimethylacetamid (DMAc).6 (Více informací o průvodcích náhradou rozpouštědel naleznete v kapitole 2 “Nástroje pro usnadnění udržitelnější lékařské chemie” Helen Sneddonové a v kapitole 3 Jamese Sherwooda o výběru obnovitelných rozpouštědel). Na elektronický průmysl se rovněž vztahují chemické právní předpisy, jejichž cílem je nahradit zvláště nebezpečné látky. Směrnice RoHS (omezení nebezpečných látek) se zaměřuje na některé chemické látky, včetně olova, rtuti, chromanů kadmia a polybromovaných zpomalovačů hoření.7

1.2.2 Udržitelnost prvků

Kromě toho, že se látky stávají omezenými nebo nedostupnými v důsledku změn v legislativě, mohou být ohroženy také v důsledku problémů s dodávkami. Mezi prvky používané v chemickém průmyslu, a to jak ve výrobních krocích (např. jako katalyzátory), tak v samotných produktech, patří organohalogenové sloučeniny a četné organické sloučeniny obsahující heteroatomy, jako je fosfor, síra a bór. Ty se získávají z panenských rud a jiných přírodních zdrojů, které jsou stejně jako ropa omezené a vyžadují velké množství energie na těžbu. Zatímco obnovitelný uhlík je žhavým tématem posledních deseti let (viz následující oddíl), teprve v posledních několika letech se pozornost rozšířila na další kritické prvky včetně fosforu a mnoha kovů (viz kapitola 5 o udržitelnosti prvků od Andrewa Hunta). Některé problematické prvky jsou uvedeny v tabulce 1.1. Mnoho prvků je nyní považováno za ohrožené z hlediska předpokládané míry využití a známých zásob.8

Některé mohou dojít do 10 let (např.např. indium a germanium). Nové zásoby jsou sice objevovány, ale stejně jako v případě ropy jsou často relativně nekvalitní a jsou spojeny s vysokými ekonomickými a ekologickými náklady. Je ironií, že některé nedostatkové zásoby (např. lithium a některé vzácné zeminy) jsou důsledkem rostoucí míry využívání nízkouhlíkových technologií. Ačkoli jistě potřebujeme nízkouhlíkové fosilní technologie, musíme je zavádět s očima otevřenýma vůči případným následným problémům, jako je vysoká spotřeba jiných kritických prvků.9

Jedním ze způsobů, jak výzkumníci reagují na kritičnost některých prvků, je mnohem inteligentnější využívání těchto prvků, tj. lepší konstrukce a recyklace katalyzátorů (o tom pojednává kapitola 11) a vývoj katalyzátorů, které se vyhýbají používání kritických prvků tím, že se soustředí na používání hojnějších obecných kovů (kapitola 16).

1.2.3 Obnovitelné zdroje

Výroba chemických látek je závislá na zdrojích. Až na několik výjimek, včetně malého procenta sloučenin přírodního původu (např. pro použití v produktech osobní péče a léčivech) a chemických látek získaných z uhlí v Jihoafrické republice (vyvinutých k překonání obchodních bariér zavedených v éře apartheidu), v tomto odvětví dominuje ropa jako uhlíková surovina.

Na výrobce je vyvíjen stále větší tlak, zejména ze strany spotřebitelů, aby vyráběli chemické látky biologického původu jako náhradu za fosilní zdroje a látky, které jsou nyní považovány za nebezpečné pro nás nebo pro životní prostředí. Přechod k výrobkům na biologické bázi je považován za výhodný z mnoha hledisek:10 Využití obnovitelných a postradatelných zdrojů Menší závislost na omezených a stále dražších fosilních zdrojích Možnost snížení emisí skleníkových plynů (uhlíkově neutrální/nízký uhlíkový dopad) Možnost udržitelné průmyslové výroby Potenciálně lepší zdraví obyvatelstva Podpora rozvoje venkova Zvýšená konkurenceschopnost průmyslu díky inovativním ekologicky účinným výrobkům Možnost přenosu do jiných oblastí světa, včetně přenosu vhodných technologií objevených a ověřených v EU

Vijayendran nedávno odhadl, že do roku 2025 bude více než 15 % celosvětového trhu s chemickými látkami v hodnotě 3 bilionů dolarů pocházet z biozdrojů.11 Ad hoc poradní skupina pro bioprodukty rovněž odhadla, že nejdůležitějšími subsegmenty chemického odvětví budou aktivní farmaceutické složky (API), polymery, kosmetika, maziva a rozpouštědla.10 Zejména API s 33,7 % celosvětového prodeje chemikálií budou podle očekávání chemickým segmentem s nejvyšším procentem prodeje produktů vyrobených pomocí biotechnologických postupů. S tím, jak se začínáme odklánět od petrochemických výrobků, bude využívání biomasy jako chemické suroviny nabývat na významu.12

1.3 Biomasa jako chemická surovina

Biomasou se obecně rozumí velkoobjemové biozdroje s nízkou hodnotou, které lze použít jako suroviny pro výrobu chemických látek, paliv a materiálů. Abychom odlišili biomasu od fosilních zdrojů, jako je uhlí a ropa (samy o sobě starobylá biomasa), je rozumné omezit se na zdroje, které jsou mladší než 100-200 let (zdroje, které mají podobný životní cyklus jako člověk). Tímto způsobem můžeme za biomasu považovat: Lesní zbytky Stromy s krátkou dobou obměny Zemědělské zbytky včetně slámy Odpady ze zpracování potravin včetně skořápek, kamenů, slupek Trávy a jiná biomasa pěstovaná na souši, která se nepoužívá k potravinářským účelům Mořské zbytky Makrořasy (mořské řasy), mikrořasy a jiná biomasa pěstovaná ve vodě, která se nepoužívá k potravinářským účelům Ostatní potravinářské odpady

Celkové množství této dostupné biomasy není přesně známo, ale dříve se odhadovalo na 50 miliard tun ročně, včetně 1,3 miliardy tun ročně potravinářských odpadů.13,14

Biomasu můžeme rozdělit do 3 hlavních kategorií:12 Sacharidy (škrob, celulóza a hemicelulóza) včetně ligninu z lignocelulózové biomasy Triglyceridy (sójový, palmový, řepkový, slunečnicový olej) Smíšené organické zbytky

Lignocelulózovou biomasu tvoří suchá rostlinná hmota obsahující celulózu, hemicelulózu a lignin. Může pocházet z různých specializovaných plodin, jako je miscanthus, vrba nebo topol. Alternativně lze suroviny získat z odpadů, jako je rýžová nebo pšeničná sláma, zbytky z lesnictví a papírovina z papírenského průmyslu. Další surovinou bohatou na funkcionalizované molekuly je potravinářský odpad. Přestože je biologicky rozložitelný, měl by být zhodnocen jako surovina pro obnovitelné chemické látky, materiály a biopaliva, což nás povede k minimalizaci odpadu a snížení závislosti na fosilních zdrojích. Využití odpadních materiálů má tu zásadní výhodu, že se vyhne konkurenci zemědělské půdy, která by mohla být využita pro produkci potravin, a zároveň vytváří hodnotu ze zbytků, které by jinak přišly vniveč.15 Z těchto důvodů je valorizace odpadů považována za stále důležitější zdroj chemických látek i energie.

Kromě extrahovatelných funkčních molekul, které se nacházejí v biomase, můžeme biochemickým nebo termochemickým zpracováním objemných celulózových složek mnoha druhů biomasy vyrobit další užitečné funkční molekuly nebo “platformní molekuly”, jako je kyselina jantarová, kyselina mléčná a levoglukosenon. Biorafinerie je obdobou současné ropné rafinerie v tom smyslu, že vyrábí energii a chemické látky. Hlavní rozdíly spočívají v surovinách, které bude využívat, od biomasy až po odpad (obr. 1.2).

Biorafinerie lze považovat za tři typy. Biorafinerie typu 1 se zaměřují na přeměnu jedné vstupní suroviny, používají jeden proces a zaměřují se na jeden produkt. Dobrým příkladem může být závod na výrobu bionafty: k extrakci oleje se používá řepka nebo slunečnice, která se následně transesterifikuje za účelem výroby metylesterů mastných kyselin nebo bionafty pomocí metanolu a katalyzátoru.

Biorafinerie typu 2 se od prvního typu liší počtem produktů. Typickým příkladem je výroba škrobu, etanolu a kyseliny mléčné spolu s vysokofruktózovým sirupem, kukuřičným sirupem, kukuřičným olejem a kukuřičnou moučkou z mokrých mlýnů na kukuřici. Novějším příkladem, který byl navržen, je využití citrusového odpadu, například pomerančové kůry (obr. 1.3).16

Biorafinérie typu 3 umožňují kombinovat širší škálu technologií. Umožňují také větší počet produktů, které vytvářejí dva nebo více bioproduktů, a zbytek se využívá k výrobě energie (buď paliva, elektřiny a/nebo tepla). Příkladem jsou biorafinerie celých plodin, které využívají několik vedlejších zemědělských produktů pocházejících z téže plodiny. Biorafinerie typu 3 jsou obvykle ty, které se zaměřují na výrobu chemických látek a paliv.

Při vývoji konceptu biorafinerie je nezbytné, aby se používaly čisté technologie, které zajistí, že její výstup(y) budou skutečně udržitelné. IEA Bioenergy Task 42 definuje biorafinaci jako “udržitelné zpracování biomasy na spektrum bioproduktů (potraviny, krmiva, chemikálie a/nebo materiály) a bioenergie (biopaliva, elektřina a/nebo teplo).17 V budoucnu budou komerčně vznikat různé biorafinerie využívající flexibilní technologie, které napomohou koncepci biorafinerie zpracovávat místně dostupnou biomasu v integrovaném cyklu palivo-chemie-materiál-energie, zlepšovat kvalitu života místních obyvatel a snižovat dopady na životní prostředí, které se řídí třemi dimenzemi udržitelnosti: ochranou životního prostředí, sociálním pokrokem a hospodářským rozvojem.12

Zelená chemie pomáhá pohánět revoluci v oblasti obnovitelných zdrojů energie a ukazuje cestu k nahrazení fosilních surovin a k oběhovému hospodářství při využívání zdrojů. Tři základní fáze životního cyklu výrobku již nestačí – nyní je třeba přidat fázi, která vrací zdroje z použitého výrobku do užitečné výroby. Ta by v zásadě mohla být součástí přirozeného koloběhu uhlíku u organických materiálů, takže stačí zajistit sběr předmětů (lepší infrastruktura) a jejich (rychlou) biologickou rozložitelnost. Omezení spočívá v tom, že příroda má tendenci přenášet většinu uhlíku ve formě oxidu uhličitého a dalších jednoduchých molekul, jejichž vybudování pak vyžaduje úsilí (prováděním chemických reakcí atd., které spotřebovávají zdroje a vytvářejí vlastní odpad). V případě anorganických zdrojů se u většiny prvků nemůžeme spolehnout na žádný druh přírodního cyklu. Náš současný lineární přístup spočívající v těžbě rud, jejich zpracování na kovy, použití těchto kovů při výrobě složitých předmětů a jejich následné likvidaci na skládkách nám nemůže tyto zdroje žádným užitečným způsobem vrátit. Potřebujeme spíše vybudovat vlastní systémy uzavřeného cyklu anorganických zdrojů, v nichž se zdroje, typicky kovy, získávají zpět z původních předmětů, v nichž se používají, a to ve formě, kterou lze snadno použít pro stejné nebo jiné použití. To bude vyžadovat zásadní změny v konstrukci předmětů umožňující snadnou demontáž na úrovni zdrojů – někdy označované jako “benign by design”.

1.4 Hlavní iniciativy ve světě

Jak již bylo řečeno, rostoucí legislativa, omezené zdroje a změny ve vědeckém a veřejném mínění znamenají, že roste potřeba, aby průmysl a akademická obec spolupracovaly na ekologičtějších a udržitelnějších postupech. Je nezbytné, abychom příští generaci vědců vybavili znalostmi a dovednostmi, které jim to umožní.

Od skromných počátků několika výzkumných skupin, které pracovaly v oblastech, jako je náhrada běžně používaných nebezpečných činidel, jako je AlCl3, v 80. letech 20. století, přes hnutí za zelenou chemii, které v 90. letech 20. století zahájila americká agentura EPA, existuje nyní po celém světě mnoho iniciativ v oblasti zelené a udržitelné chemie. Ty sahají od velkých center pracujících v několika oblastech až po vzdělávací programy a sítě. Zelená chemie si nachází cestu do různých stupňů vzdělávání a v různých zemích: pravděpodobně nejznámějšími vzdělávacími programy jsou magisterské kurzy, které nyní probíhají v zemích včetně Velké Británie, Francie, Španělska, Kanady, Řecka, Indie a Bulharska.18 Zelená chemie je pravděpodobně méně rozvinutá na bakalářské úrovni, ale v USA se odhaduje, že kurzy zelené chemie nabízí 13 univerzit, přičemž Berkeley je obzvláště aktivní, včetně rozvoje online aktivit.11 Řada knih a dalších zdrojů nabízí praktická cvičení ze zelené chemie, většinou pro bakalářské kurzy.19

Centra zelené chemie (většinou univerzitní s více než jedním vedoucím akademickým pracovníkem, který v centru působí, a s řadou aktivit přesahujících rámec výzkumu a zahrnujících například vzdělávání a vytváření sítí) se stávají rozšířenými, přičemž několik z nich je v USA (včetně UC Berkeley a UMass Boston) a další v Austrálii (Centrum zelené chemie v Monashi), Koreji (včetně Korejského výzkumného ústavu chemické technologie), Mexiku (UANL, Monterrey), Indii (Univerzita v Dillí), Kanadě (Green Center Canada) a Velké Británii (University of York).20

Síť zelené chemie (GCN) nedávno iniciovala vytvoření sítě center zelené a udržitelné chemie (G2C2) ve snaze zlepšit komunikaci mezi stávajícími centry a poskytnout vodítko pro nově vznikající centra, například v Brazílii a Jihoafrické republice.21 První setkání mezinárodních center se uskutečnilo v Dillí v prosinci 2013.22 Kromě toho je Institut zelené chemie velmi aktivní při prosazování několika důležitých iniciativ zelené chemie, jako je ekologizace farmaceutických procesů.23,24 Spolupráce mezi akademickou obcí a průmyslem je také klíčová při vývoji špičkových technologií a projektů, jako je projekt IMI “CHEM21 (Chemické výrobní metody pro farmaceutický průmysl 21. století)”.25 Cílem tohoto projektu je pracovat na vývoji ekologičtějších metodik prostřednictvím vývoje udržitelných biologických a chemických alternativ ke konečným materiálům, jako jsou drahé kovy. Mnoho témat tohoto projektu je obsaženo v kapitolách této knihy.

1.5 Shrnutí

Při přechodu k procesům, které jsou vhodnější pro životní prostředí, je třeba brát v úvahu zelenou chemii, zelené inženýrství a udržitelný design. Změny vyvolává měnící se veřejné mínění, legislativa a dostupnost zdrojů. Zavedení nařízení REACH a vývoj “seznamů SIN” chemických látek, jejichž cílem je omezit používání mnoha chemických látek, má rozsáhlé důsledky pro výrobní odvětví. Omezená dostupnost mnoha zdrojů znamená, že musíme rozvíjet uzavřené systémy a směřovat k oběhovému hospodářství. Koncepce biorafinace umožňuje přeměnu biomasy na užitečné chemické látky a energii, čímž se snižuje naše závislost na fosilních zdrojích. Na celém světě existuje mnoho iniciativ, které se snaží napomáhat inovacím v oblasti zelené a udržitelné chemie a vzdělávat další generace vědců.