James H.Clarka
a Green Chemistry Centre of Excellence, Department of Chemistry, University of York, York, YO10 5DD, UK. E-mail: [email protected]

A zöld kémia alapjait, beleértve a fenntarthatósággal való kapcsolatát is, tárgyalja. Az is szóba kerül, hogy miért van szükségünk a zöld kémiára, és mi teszi ezt lehetővé. Végül megvizsgáljuk, hogy mi történik a Zöld Kémia világában a kezdeményezések, főbb tevékenységek és sikertörténetek tekintetében, és hogyan befolyásolja ez az oktatást.

1.1 Mi a zöld kémia?

A “zöld kémia”, a “zöld mérnöki tevékenység” és a “fenntarthatóság” kifejezéseket gyakran felváltva használják a környezetre kevésbé ható és (ideális esetben) megújuló erőforrásokon alapuló eljárások és termékek előállításának koncepciójára. Ha azonban mélyebben megvizsgáljuk ezeket a fogalmakat, világossá válik, hogy filozófiájukban jelentős különbségek vannak, ami befolyásolja a módszerek és technikák alkalmazhatóságát egy környezetbarát társadalom kialakításában.

A zöld kémiát elég jól definiálja Anastas és Warner tizenkét alapelve.1 Ezek az alapelvek leginkább arra összpontosítanak, hogyan kell kémiai reakciókat végrehajtani és kémiai termékeket előállítani, és leírják a vegyi anyagok környezetileg előnyös módon történő szintézisét. Így a zöld kémia középpontjában olyan konkrét elképzelések állnak, mint a jóindulatú segédanyagok, köztük oldószerek használata a reakciókhoz és elválasztásokhoz, a lépések számának csökkentése, valamint az atomgazdaságosság fogalma, vagyis az összes nyersanyag beépítése a termékbe. A 12 alapelv 20 évvel ezelőtt íródott, és nem tükrözi teljes mértékben a modern gondolkodásmódot. A termékbiztonságra és a megújuló erőforrásokra helyezett nagyobb hangsúly részeként ma már olyan további kérdések is fontos szerepet játszanak a zöld kémiában, mint a toxikológia és a biológiai lebonthatóság. Sok tekintetben a zöld kémia tekinthető a környezetbarát gyártás tudományos megalapozásának.

A zöld mérnöki tevékenység ezzel szemben olyan eljárások és termékek tervezése, forgalmazása és használata, amelyek megvalósíthatóak és gazdaságosak, miközben minimalizálják a forrásnál keletkező szennyezést, valamint az emberi egészségre és a környezetre jelentett kockázatot.2 A zöld mérnök az újrahasznosítás, a folyamatok intenzifikálása és a tervezés optimalizálása eszközeit használja a folyamat hatékonyságának maximalizálására és a környezetterhelés csökkentésére. A zöld mérnöki tevékenység a gyártási folyamatot mint rendszert értékeli, és annak tervezését igyekszik optimalizálni, és a szó legszorosabb értelmében az életciklus-elemzés és a környezetgazdaságtan fogalmait is beépíti az általános környezeti hatás megfelelő értékelésébe. A zöld tervezés olyan mérőszámok kidolgozását igényli, amelyek megfelelően értékelik azokat a környezeti paramétereket, amelyeket ellenőrizni igyekszünk.

A fenntartható tervezés még szélesebb körben próbálja megérteni a gyártási rendszer és az ökoszisztéma közötti kapcsolatokat. A fenntarthatóság a hármas végeredményre összpontosít: az ökológiai integritás, a társadalmi felelősség és a gazdasági életképesség integrálására. A fenntarthatóság a legszélesebb szintű rendszerszemléletű megközelítést alkalmazza, a bolygót tekinti az érdekelt rendszernek, de az ilyen léptékű tervezés optimalizálásához a környezetre gyakorolt emberi hatások mérésének új módszereire lesz szükség.

A vegyipar és a kapcsolódó iparágak most olyan nehéz kihívással néznek szembe, mint még soha. A 20. században a vegyi anyagok gyártása óriási mértékben növekedett, de ennek a növekedésnek ára volt. A nem hatékony eljárások elfogadhatatlan mértékű szennyezéshez vezettek, a veszélyes műveletek számos katasztrófához vezettek, és a legtöbb széles körben használt vegyi anyag emberi és környezeti toxicitásának ismeretének hiánya a vegyi anyagokra vonatkozó jogszabályok exponenciális növekedéséhez vezetett. Az iparágnak most az eddigi legszigorúbb jogszabályi keretek között kell elérnie a környezeti és társadalmi elfogadhatóságot, valamint a gazdaságilag életképes gyártást. A legújabb vegyi anyagokra vonatkozó jogszabályok, mint például a REACH, jelentős változásokat idéznek elő a vegyipari termékek ellátási láncában.3 Mindezt azonban valahogy úgy kell megvalósítani, hogy a növekvő népesség igényeit is kielégítse. A fenntartható vegyipari termelés csak a vegyipari termékek teljes életciklusának újraértékelésével valósítható meg, az erőforrásoktól kezdve a gyártáson és a termelésen át a termék felhasználásáig és végső sorsáig (1.1. ábra).

1.2 A változás mozgatórugói

1.2.1. Jogszabályok

A vegyipari gyártásra gyakorolt nyomás, különösen a jogalkotás, de a vevők részéről is, folyamatosan érvényesül, és általában tisztább és biztonságosabb gyártáshoz vezet. Egy újabb Bhopalhoz hasonló katasztrófa esélye kisebb, legalábbis a világ legtöbb régiójában (pl. a veszélyes anyagok tárolására vonatkozó büntetések és korlátozások eredményeként), bár még mindig jelentős a gyártás a kevésbé ellenőrzött és ezért nagyobb kockázatot jelentő régiókban.4 A szennyezés ellenőrzése és a kiszabható súlyos büntetések a legtöbb helyen visszatartották az üzemek jelentős kibocsátását.

A REACH a legtöbbet emlegetett, a vegyipari termékeket érintő jogszabály.3 Ez és más vegyipari jogszabályok közvetlenül érintik a vegyipari és kapcsolódó gyártást, mivel egyre több gyakori vegyi anyag hozzáférhetősége korlátozott. Míg az olyan nagyon veszélyes anyagok, mint a szerves higany és az ólomvegyületek már évek óta szigorú ellenőrzés tárgyát képezik, addig más anyagok, például a kromátok és a kobaltvegyületek használatára vonatkozó új korlátozások jelentős hatással lehetnek egyes ipari vegyi anyagokra, többek között az oxidációra. Bár a REACH lassan halad előre (a következő évtizedbe fog telni, mire a REACH hatálya alá tartozó összes vegyi anyagot megvizsgálják), megjelentek a helyettesítendő anyagok nem hivatalos listái. Ezek közül talán a legismertebb az úgynevezett SIN (“substitute it now”) lista5 . Több száz vegyi anyag szerepel ezen a listán, és ez hatással van egyes végfelhasználókra, akik nem akarják, hogy termékeik az ilyen nyilvánosan elérhető “vörös listákon” szereplő vegyi anyagokat tartalmazzanak.

A legnagyobb hatást talán az oldószerek használata fogja gyakorolni, mivel a REACH számos gyakrabban használt szerves oldószert fenyeget: ezek közé tartozik az N-metil-2-pirrolidon (NMP), a dimetil-formamid (DMF) és a dimetilacetamid (DMAc).6 (Az oldószer-helyettesítési útmutatókról bővebben lásd Helen Sneddon “Eszközök a fenntarthatóbb gyógyszerkémia elősegítéséhez” című 2. fejezetét és James Sherwood 3. fejezetét a megújuló oldószerek kiválasztásáról). Az elektronikai iparra is vonatkoznak olyan vegyipari jogszabályok, amelyek célja a különösen veszélyes anyagok helyettesítése. A RoHS (veszélyes anyagok korlátozása) bizonyos vegyi anyagokat céloz meg, köztük az ólmot, a higanyt, a kadmium-kromátokat és a polibrómozott égésgátlókat.7

1.2.2 Elemi fenntarthatóság

Amellett, hogy az anyagok a jogszabályi változások miatt korlátozottá vagy elérhetetlenné válnak, az ellátási problémák miatt is veszélybe kerülhetnek. A vegyipar által mind a gyártási lépésekben (pl. katalizátorként), mind magukban a termékekben használt elemek közé tartoznak a szerves halogénvegyületek és számos heteroatomokat, például foszfort, ként és bórt tartalmazó szerves vegyület. Ezeket szűz ércekből és más természetes forrásokból nyerik ki, amelyek a kőolajhoz hasonlóan végesek, és a kitermelésükhöz nagy mennyiségű energiára van szükség. Míg a megújuló szén az elmúlt évtizedben forró téma volt (lásd a következő fejezetet), csak az elmúlt néhány évben szélesedett ki a figyelem más kritikus elemekre, köztük a foszforra és számos fémre (lásd Andrew Hunt 5. fejezetét az elemi fenntarthatóságról). Az aggodalomra okot adó elemek közül néhányat az 1.1. táblázat sorol fel. Számos elemet ma már veszélyeztetettnek tekintenek az előre jelzett felhasználási arányok és az ismert tartalékok tekintetében.8

Egyesek 10 éven belül elfogyhatnak (e.pl. indium és germánium). Bár új tartalékokat fedeznek fel, az olajhoz hasonlóan ezek gyakran viszonylag rossz minőségűek, és magas gazdasági és környezeti költségekkel járnak. A sors iróniája, hogy egyes hiányok (pl. a lítium és néhány ritkaföldfém) az alacsony szén-dioxid-kibocsátású technológiák növekvő felhasználási arányának következménye. Bár kétségtelenül szükségünk van az alacsony fosszilis szén-dioxid-kibocsátású technológiákra, ezeket úgy kell bevezetnünk, hogy nyitott szemmel járjunk az esetleges következményes problémák, például más kritikus elemek nagymértékű felhasználása tekintetében9.

A kutatók többek között úgy reagálnak egyes elemek kritikus voltára, hogy sokkal okosabban használják ezeket az elemeket, azaz jobb katalizátor-tervezéssel és újrahasznosítással (ezt a 11. fejezetben tárgyaljuk), valamint olyan katalizátorok kifejlesztésével, amelyek a kritikus elemek használatát elkerülve a bőségesebb nem nemesfémek használatára összpontosítanak (16. fejezet).

1.2.3 Megújuló erőforrások

A vegyi anyagok gyártása erőforrásfüggő. A kőolaj uralja az iparágat, mint szén alapanyag, néhány kivételtől eltekintve, beleértve a természetes eredetű vegyületek kis százalékát (pl. a testápolási termékekben és gyógyszerekben való felhasználásra) és a Dél-Afrikában szénből nyert vegyi anyagokat (amelyeket az apartheid korszakban bevezetett kereskedelmi korlátok leküzdésére fejlesztettek ki).

A gyártókra egyre nagyobb nyomás nehezedik, különösen a fogyasztók részéről, hogy a fosszilis erőforrások és a ma már ránk vagy a környezetre veszélyesnek tekintett anyagok helyettesítésére bio eredetű vegyi anyagokat állítsanak elő. A bioalapú termékek felé való elmozdulás számos előnnyel jár:10 Megújuló és felhasználható erőforrások felhasználása Kevesebb függés a korlátozott és egyre drágább fosszilis erőforrásoktól Az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentési lehetősége (szén-dioxid-semleges/alacsony szén-dioxid-kibocsátás) A fenntartható ipari termelés lehetősége A közösségek egészségének potenciális javulása A vidékfejlesztés támogatása Az ipar versenyképességének növelése az innovatív öko-hatékony termékek révén A világ más régióira való átvitel lehetősége, beleértve az EU-ban felfedezett és bizonyított megfelelő technológiák átvitelét

Vijayendran nemrég úgy becsülte, hogy 2025-re a 3 billió dolláros globális vegyipari piac több mint 15%-a bioforrásokból származik majd.11 A bioalapú termékekkel foglalkozó ad hoc tanácsadó csoport becslése szerint a gyógyszerhatóanyagok (API-k), a polimerek, a kozmetikumok, a kenőanyagok és az oldószerek szintén a vegyipari ágazat legfontosabb alszegmensei.10 Különösen az API-k – a globális vegyipari eladások 33,7%-ával – várhatóan a biotechnológiai eljárásokkal előállított termékek legnagyobb százalékban értékesített vegyipari szegmensei lesznek. Ahogy kezdünk eltávolodni a petrolkémiai anyagoktól, a biomassza vegyi alapanyagként való felhasználása egyre fontosabbá válik.12

1.3 A biomassza mint vegyi alapanyag

A biomassza alatt általában olyan nagy mennyiségű, kis értékű biológiai erőforrásokat értünk, amelyek vegyi anyagok, üzemanyagok és anyagok előállításához alapanyagként használhatók. A biomassza és a fosszilis erőforrások, például a szén és a kőolaj (amelyek maguk is ősi biomassza) megkülönböztetése érdekében célszerű a 100-200 évnél fiatalabb erőforrásokra szorítkozni (az emberhez hasonló életciklusú erőforrásokra). Ily módon a biomasszát úgy tekinthetjük, hogy magában foglalja: Erdészeti maradványok Rövid tenyészidejű fák Mezőgazdasági maradványok, beleértve a szalmát is Élelmiszer-feldolgozási hulladékok, beleértve a kagylókat, köveket, héjakat Fűfélék és egyéb szárazföldi termesztésű, élelmezési célra nem használt biomassza Tengeri maradványok Makroalgák (tengeri algák), mikroalgák és egyéb vízben termesztett, élelmezési célra nem használt biomassza Egyéb élelmiszer-hulladékok

A rendelkezésre álló biomassza teljes mennyisége nem ismert pontosan, de korábban évi 50 milliárd tonnára becsülték, beleértve az évi 1,3 milliárd tonna élelmiszer-hulladékot.13,14

A biomasszát 3 fő kategóriába sorolhatjuk:12 Szénhidrátok (keményítő, cellulóz és hemicellulóz), beleértve a lignocellulóz biomasszából származó lignint is Trigliceridek (szója-, pálma-, repce-, napraforgóolaj) Vegyes szerves maradványok

A lignocellulóz biomassza cellulózt, hemicellulózt és lignint tartalmazó száraz növényi anyagból áll. Különböző célzott növényekből, például miskantuszból, fűzből vagy nyárfából nyerhető. Alternatívaként alapanyagot nyerhetünk hulladékokból, például rizs- vagy búzaszalmából, erdészeti maradványokból és a papíriparból származó papírpépből is. Az élelmiszerhulladék egy másik, funkcionalizált molekulákban gazdag alapanyag. Bár biológiailag lebomló, fel kell értékelni, mint megújuló vegyi anyagok, anyagok és bioüzemanyagok nyersanyagát, ami a hulladék minimalizálása és a fosszilis erőforrásoktól való függőség csökkentése felé vezet. A hulladékanyagok hasznosítása azzal a kulcsfontosságú előnnyel jár, hogy elkerülhető az élelmiszertermelésre felhasználható mezőgazdasági földterületekkel való versengés, miközben értéket termel az egyébként hulladékká váló maradékokból15. Ezen okok miatt a hulladékok hasznosítását egyre fontosabb vegyszer- és energiaforrásnak tekintik.

A biomasszában található kivonható funkcionális molekulák mellett további hasznos funkcionális molekulákat vagy “platformmolekulákat”, például borostyánkősavat, tejsavat és levoglükozénont is előállíthatunk számos biomassza-típus ömlesztett cellulóztartalmának biokémiai vagy termokémiai feldolgozásával. A biofinomító a jelenlegi kőolajfinomító analógja abban az értelemben, hogy energiát és vegyi anyagokat állít elő. A fő különbség a felhasznált nyersanyagban rejlik, amely a biomasszától a hulladékig terjed (1.2. ábra).

A biofinomítók három típusba sorolhatók. Az 1. típusú biofinomítók egy alapanyag átalakítására összpontosítanak, egy eljárást alkalmaznak, és egy terméket céloznak meg. Jó példa erre egy biodízelgyártó üzem: repcét vagy napraforgót használnak az olaj kinyeréséhez, amelyet aztán metanol és katalizátor segítségével átésztereznek, hogy zsírsav-metilésztereket vagy biodízelt állítsanak elő.

A 2. típusú biofinomítók az első típustól a termékek számában különböznek. Tipikus példa a keményítő, etanol és tejsav előállítása a magas fruktóztartalmú sziruppal, kukoricasziruppal, kukoricaolajjal és kukoricaliszttel együtt a kukorica nedves malomüzemi műveletekből. Újabban javasolt példa a citrusfélék hulladékának, például a narancshéjnak a felhasználása (1.3. ábra).16

A 3. típusú biofinomítók a technológiák szélesebb körének kombinálását teszik lehetővé. Lehetővé teszik továbbá a két vagy több bioalapú terméket előállító termékek nagyobb számát, a maradékot pedig energia (üzemanyag, áram és/vagy hő) előállítására használják fel. Példaként említhetők a teljes növényi eredetű biofinomítók, amelyek több, ugyanabból a növényből származó mezőgazdasági mellékterméket használnak fel. A 3. típusú biofinomítók jellemzően vegyi anyagok és üzemanyagok előállítását célozzák meg.

A biofinomító koncepció fejlesztésekor elengedhetetlen, hogy tiszta technológiát alkalmazzanak, biztosítva, hogy a kimenet(ek) valóban fenntarthatóak legyenek. Az IEA Bioenergy Task 42 meghatározása szerint a biofinomítás “a biomassza fenntartható feldolgozása bioalapú termékek (élelmiszer, takarmány, vegyi anyagok és/vagy anyagok) és bioenergia (bioüzemanyagok, villamos energia és/vagy hő) spektrumává.17 A jövőben különböző biofinomítók fognak megjelenni a kereskedelemben, kihasználva a rugalmas technológiát, segítve a biofinomító koncepcióját, hogy a helyben rendelkezésre álló biomasszát egy integrált üzemanyag-kémiai-anyag-anyag-energia ciklusban dolgozzák fel, javítva a helyi lakosság életminőségét és csökkentve a környezeti terhelést, amelyet a fenntarthatóság három dimenziója szabályoz: a környezetvédelem, a társadalmi haladás és a gazdasági fejlődés.12

A zöld kémia hozzájárul a megújuló energiaforrások forradalmához, utat mutat a fosszilis alapanyagok kiváltása és az erőforrás-felhasználás körforgásosabb gazdasági megközelítése felé. A termék életciklusának három alapvető szakasza már nem elegendő – most már hozzá kell adnunk egy olyan szakaszt, amely az erőforrásokat az elhasznált cikkből visszavezeti a hasznos termelésbe. Ez elvileg a szerves anyagok természetes szénciklusának része lehetne, így csak arról kell gondoskodnunk, hogy a cikkeket összegyűjtsék (jobb infrastruktúra), és hogy azok (gyorsan) biológiailag lebomoljanak. A korlátozás az, hogy a természet hajlamos a szén nagy részét szén-dioxid és más egyszerű molekulák formájában átadni, amelyek felépítése erőfeszítést igényel (kémiai reakciók stb. végrehajtásával, amelyek erőforrásokat fogyasztanak és saját hulladékot termelnek). A szervetlen erőforrások esetében a legtöbb elem esetében nem támaszkodhatunk semmiféle természetes körforgásra. A jelenlegi lineáris megközelítésünk, amely szerint érceket bányászunk, feldolgozzuk őket fémek előállítására, ezeket a fémeket összetett tárgyak gyártására használjuk fel, majd hulladéklerakókba helyezzük őket, nem képes az erőforrásokat bármilyen hasznos módon visszaadni nekünk. Inkább ki kell alakítanunk saját szervetlen erőforrás zárt körfolyamatú rendszereinket, amelyekben az erőforrásokat, jellemzően fémeket visszanyerjük az eredeti tárgyakból, amelyekben felhasználtuk őket, és olyan formában, amely könnyen felhasználható ugyanarra vagy más alkalmazásra. Ehhez alapvető változásokra lesz szükség a cikkek tervezésében, amelyek lehetővé teszik a könnyű szétszerelést az erőforrások szintjén – ezt néha “benign by design”-nak nevezik.

1.4. Főbb kezdeményezések világszerte

Amint azt már megvitattuk, a növekvő jogszabályok, a korlátozott erőforrások, valamint a tudományos és közvélemény változásai azt jelentik, hogy egyre nagyobb szükség van arra, hogy az ipar és a tudományos élet együttműködjön a zöldebb és fenntarthatóbb gyakorlatok érdekében. Létfontosságú, hogy a tudósok következő generációját felvértezzük az ehhez szükséges ismeretekkel és készségekkel.

Az 1980-as években néhány kutatócsoport szerény kezdeteitől kezdve, amelyek olyan területeken dolgoztak, mint a gyakran használt veszélyes reagensek, például az AlCl3 helyettesítése, az 1990-es években az USA EPA által elindított zöld kémiai mozgalmon keresztül, ma már számos zöld és fenntartható kémiai kezdeményezés létezik világszerte. Ezek a több területen dolgozó nagy központoktól kezdve az oktatási programokig és hálózatokig terjednek. A zöld kémia az oktatás különböző szintjein és a különböző országokban is utat talál magának: valószínűleg a legismertebb oktatási programok azok a mesterképzések, amelyek jelenleg olyan országokban futnak, mint az Egyesült Királyság, Franciaország, Spanyolország, Kanada, Görögország, India és Bulgária.18 A zöld kémia valószínűleg kevésbé fejlett az alapképzés szintjén, de az USA-ban becslések szerint 13 egyetem kínál zöld kémiai kurzusokat, a Berkeley különösen aktív, beleértve az online tevékenységek fejlesztését.11 Számos könyv és más forrás kínál zöld kémiai gyakorlatokat, főként az alapképzésben.19

A zöld kémiai központok (többnyire egyetemi központok, amelyekben egynél több vezető egyetemi oktató dolgozik, és amelyek tevékenységei a kutatáson túlmenően kiterjednek például az oktatásra és a hálózatépítésre is) egyre elterjedtebbek, több is van az USA-ban (köztük a UC Berkeley és az UMass Boston), valamint Ausztráliában (Center for Green Chemistry at Monash), Koreában (köztük a Korean Research Institute of Chemical Technology), Mexikóban (UANL, Monterrey), Indiában (University of Delhi), Kanadában (Green Center Canada) és az Egyesült Királyságban (University of York).20

A Green Chemistry Network (GCN) a közelmúltban kezdeményezte a zöld és fenntartható kémiai központok hálózatának (G2C2) létrehozását azzal a céllal, hogy javítsa a meglévő központok közötti kommunikációt, és útmutatást nyújtson az újonnan létrejövő központoknak, például Brazíliában és Dél-Afrikában.21 A nemzetközi központok első találkozójára 2013 decemberében került sor Delhiben.22 Emellett a Zöld Kémiai Intézet rendkívül aktívan részt vesz számos fontos zöldkémiai kezdeményezés előmozdításában, például a gyógyszeripari folyamatok környezetbarátabbá tételében.23,24 A tudományos és ipari körök közötti együttműködés szintén kulcsfontosságú az élvonalbeli technológiák és projektek fejlesztésében, mint például az IMI “CHEM21 (Chemical manufacturing methods for the 21st century pharmaceutical industries)” projektje.25 E projekt célja, hogy a véges anyagok, például a nemesfémek fenntartható biológiai és kémiai alternatíváinak kifejlesztésével zöldebb módszereket dolgozzon ki. A projekt számos témája szerepel e könyv fejezeteiben.

1.5 Összefoglalás

A környezetbarátabb eljárások felé való elmozdulás során figyelembe kell venni a zöld kémiát, a zöld mérnöki munkát és a fenntartható tervezést. A változó közvélemény, a jogszabályok és az erőforrások elérhetősége mind-mind a változás mozgatórugói. A REACH bevezetése és a vegyi anyagok “SIN-listáinak” kidolgozása, amelyek célja számos vegyi anyag használatának korlátozása, széleskörű hatással van a feldolgozóiparra. Számos erőforrás korlátozott rendelkezésre állása azt jelenti, hogy zárt körfolyamatú rendszereket kell kialakítanunk, és a körforgásos gazdaság felé kell elmozdulnunk. A biofinomító koncepció lehetővé teszi a biomassza hasznos vegyi anyagokká és energiává történő átalakítását, csökkentve ezzel a fosszilis erőforrásoktól való függőségünket. Világszerte számos olyan kezdeményezés létezik, amely a zöld és fenntartható kémia területén igyekszik segíteni az innovációt és a tudósok következő generációjának képzését.