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

Grunderna för grön kemi, inklusive dess förhållande till hållbarhet, kommer att diskuteras. Varför vi har ett behov av grön kemi och vad som gör det möjligt kommer också att tas upp. Slutligen kommer vi att titta på vad som händer i världen av grön kemi när det gäller initiativ, större aktiviteter och framgångshistorier och hur det påverkar utbildningen.

1.1 Vad är grön kemi?

“Grön kemi”, “grön teknik” och “hållbarhet” används ofta synonymt för att beskriva konceptet att göra processer och produkter som har mindre miljöpåverkan och som (helst) är baserade på förnybara resurser. Om man undersöker dessa begrepp djupare blir det dock tydligt att det finns betydande skillnader i deras filosofi, vilket påverkar tillämpbarheten av metoder och tekniker i utvecklingen av ett miljöanpassat samhälle.

Grön kemi definieras ganska väl av Anastas och Warners tolv principer.1 Dessa principer fokuserar främst på hur man bör utföra kemiska reaktioner och tillverka kemiska produkter, och beskriver syntesen av kemikalier på ett miljömässigt fördelaktigt sätt. Särskilda idéer, som t.ex. användning av godartade hjälpämnen, inklusive lösningsmedel för reaktioner och separationer, minskning av antalet steg och konceptet atomekonomi, dvs. att alla råvaror ska ingå i produkten, är därför centrala för den gröna kemin. De 12 principerna skrevs för 20 år sedan och återspeglar inte helt och hållet det moderna sättet att tänka. Ytterligare frågor, t.ex. toxikologi och biologisk nedbrytbarhet, spelar nu en viktig roll i grön kemi som en del av en större betoning på produktsäkerhet och förnybara resurser. I många avseenden kan grön kemi betraktas som det vetenskapliga underlaget för miljöanpassad tillverkning.

Grön teknik är å andra sidan utformning, kommersialisering och användning av processer och produkter som är genomförbara och ekonomiska samtidigt som man minimerar föroreningar vid källan och minimerar riskerna för människors hälsa och miljön.2 Den gröna ingenjören använder verktygen återanvändning, processintensifiering och optimering av konstruktionen för att maximera effektiviteten i en process och minska dess belastning på miljön. Grön teknik utvärderar tillverkningsprocessen som ett system och strävar efter att optimera dess utformning, och i sann mening införlivar begreppen livscykelanalys och miljöekonomi i en lämplig utvärdering av den totala miljöpåverkan. Grön teknik kräver att man utvecklar en uppsättning mätvärden som på lämpligt sätt utvärderar de miljöparametrar som vi försöker kontrollera.

Hållbar design är ännu mer omfattande för att försöka förstå förhållandet mellan tillverkningssystemet och ekosystemet. Hållbarhet fokuserar på det tredelade resultatet: integrering av ekologisk integritet, samhällsansvar och ekonomisk lönsamhet. Hållbarhet har den bredaste systemansatsen och betraktar planeten som det intressanta systemet, men för att optimera konstruktionen i denna skala krävs nya sätt att mäta människans påverkan på miljön.

Den kemiska industrin och närstående industrier står nu inför en så stor utmaning som de aldrig tidigare har stått inför. Under 1900-talet skedde en enorm tillväxt inom kemikalietillverkningen, men denna tillväxt har haft ett pris. Ineffektiva processer som leder till oacceptabla föroreningsnivåer, farlig verksamhet som leder till ett antal katastrofer och bristande kunskap om hur giftiga de flesta allmänt använda kemikalier är för människor och miljö, allt detta har lett till en exponentiell ökning av kemikalielagstiftningen. Industrin måste nu uppnå miljömässig och social acceptans samt ekonomiskt lönsam tillverkning inom den hårdaste lagstiftningsramen någonsin. Den senaste kemikalielagstiftningen, t.ex. Reach, orsakar stora förändringar i försörjningskedjan för kemiska produkter.3 Men på något sätt måste detta göras på ett sätt som tillfredsställer kraven från en växande befolkning. En hållbar kemikalieproduktion kan endast förverkligas genom en omvärdering av hela livscykeln för kemiska produkter, från resurser, till tillverkning och produktion, till produktanvändning och slutligt öde (figur 1.1).

1.2 Drivkrafter för förändring

1.2.1 Lagstiftning

Trycket på den kemiska tillverkningen, framför allt från lagstiftningens sida men även från kunderna, fortsätter att utövas och leder i allmänhet till renare och säkrare tillverkning. Risken för en ny katastrof som Bhopal är mindre, åtminstone i de flesta regioner i världen (t.ex. till följd av straff och restriktioner för lagring av farliga ämnen), även om det fortfarande förekommer betydande tillverkning i regioner med mindre kontroll och därmed högre risk.4 Kontrollen av föroreningar och de stränga straff som kan utdömas har avskräckt från betydande utsläpp från fabrikerna på de flesta ställen.

REACH är den lagstiftning som det talas mest om och som påverkar kemiska produkter.3 Denna och annan kemikalielagstiftning påverkar direkt kemisk och besläktad tillverkning genom begränsad tillgång till ett allt större antal vanliga kemikalier. Medan mycket farliga ämnen som organiska kvicksilver- och blyföreningar har varit föremål för noggrann granskning i många år, kan nya restriktioner för användningen av andra ämnen som kromater och koboltföreningar få avsevärda konsekvenser för vissa industriella kemier, inklusive oxidationer. Även om Reach är långsam i sin utveckling (det kommer att dröja ett decennium innan alla kemikalier som omfattas av Reach har testats) har inofficiella förteckningar över ämnen som ska ersättas dykt upp. Den mest framträdande av dessa är förmodligen den så kallade SIN-listan (“substitute it now”).5 Flera hundra kemikalier finns på denna lista och den påverkar vissa slutanvändare som inte vill att deras produkter ska innehålla några kemikalier på sådana offentligt tillgängliga “röda listor”.

Den kanske största effekten kommer att gälla användningen av lösningsmedel eftersom många av de vanligaste organiska lösningsmedlen hotas av Reach: dessa inkluderar N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), dimetylformamid (DMF) och dimetylacetamid (DMAc).6 (För mer information om substitution av lösningsmedel se kapitel 2, “Tools for Facilitating more Sustainable Medicinal Chemistry”, av Helen Sneddon och James Sherwoods kapitel 3 om val av förnybara lösningsmedel). Elektronikindustrin har också varit föremål för kemikalielagstiftning som syftar till att ersätta särskilt farliga ämnen. RoHS (restriction on hazardous substances) är inriktad på vissa kemikalier, bland annat bly, kvicksilver, kadmiumkromater och polybromerade flamskyddsmedel.7

1.2.2.2 Elementär hållbarhet

Förutom att ämnena blir begränsade eller otillgängliga på grund av ändrad lagstiftning, kan de också vara i riskzonen på grund av problem med tillgången. Element som används av kemikalieindustrin, både i tillverkningsstegen (t.ex. som katalysatorer) och i själva produkterna, omfattar organiska halogenföreningar och många organiska föreningar som innehåller heteroatomer, t.ex. fosfor, svavel och bor. Dessa utvinns ur jungfruliga malmer och andra naturliga källor, som i likhet med olja är ändliga och kräver en stor mängd energi för att utvinnas. Medan förnybart kol har varit ett hett ämne under det senaste decenniet (se nästa avsnitt) är det först under de senaste åren som uppmärksamheten har breddats till att även omfatta andra kritiska grundämnen, däribland fosfor och många metaller (se kapitel 5 om elementär hållbarhet av Andrew Hunt). Några av de ämnen som är av betydelse anges i tabell 1.1. Många grundämnen anses nu vara hotade med tanke på den förutspådda användningen och de kända reserverna.8

En del kan ta slut inom 10 år (e.t.ex. indium och germanium). Nya reserver upptäcks visserligen, men liksom för olja är de ofta av relativt dålig kvalitet och medför höga ekonomiska och miljömässiga kostnader. Det är ironiskt att vissa bristsituationer (t.ex. litium och vissa sällsynta jordartsmetaller) är ett resultat av den ökande användningen av teknik med låga koldioxidutsläpp. Även om vi förvisso behöver teknik med låga fossila koldioxidutsläpp måste vi införa denna teknik med öppna ögon för eventuella följdfrågor, t.ex. hög användning av andra kritiska grundämnen.9

Ett sätt som forskarna reagerar på vissa grundämnens kritiska karaktär är att använda dessa grundämnen på ett mycket smartare sätt, dvs. genom bättre utformning och återvinning av katalysatorer (diskuteras i kapitel 11) och genom att utveckla katalysatorer som undviker användningen av kritiska grundämnen genom att fokusera på användningen av mer rikliga basmetaller (kapitel 16).

1.2.3 Förnyelsebara resurser

Tillverkningen av kemikalier är resursspecifikt. Petroleum har dominerat industrin som kolråvara med några få undantag, däribland en liten andel naturligt framställda föreningar (t.ex. för användning i kroppsvårdsprodukter och läkemedel) och kemikalier som framställts av kol i Sydafrika (utvecklade för att övervinna handelshinder som infördes under apartheidtiden).

Det finns ett ökande tryck, framför allt från konsumenterna, på tillverkarna att framställa biologiskt framställda kemikalier som ersättning för fossila resurser och ämnen som numera anses vara farliga för oss eller för miljön. Övergången till biobaserade produkter anses ha ett antal fördelar:10 Användning av förnybara och förbrukningsbara resurser Mindre beroende av begränsade och allt dyrare fossila resurser Potentialen att minska utsläppen av växthusgaser (koldioxidneutral/låg koldioxidpåverkan) Potentialen för hållbar industriell produktion Potentiellt förbättrad samhällshälsa Stödjer landsbygdsutveckling Ökad industriell konkurrenskraft genom innovativa ekoeffektiva produkter Potential för överföring till andra regioner i världen, inklusive överföring av lämpliga tekniker som upptäckts och beprövats i EU

Vijayendran uppskattade nyligen att över 15 % av den globala kemikaliemarknaden på 3 biljoner dollar år 2025 kommer att härröra från biokällor.11 Aktiva farmaceutiska ingredienser (API), polymerer, kosmetika, smörjmedel och lösningsmedel har också uppskattats vara de viktigaste delsegmenten inom kemisektorn av den rådgivande ad hoc-gruppen för biobaserade produkter.10 Särskilt API, som står för 33,7 % av den globala försäljningen av kemikalier, väntas bli det kemiska segmentet med den högsta procentuella försäljningen av produkter som tillverkats med hjälp av biotekniska processer. I takt med att vi börjar gå bort från petrokemikalier kommer användningen av biomassa som kemisk råvara att bli allt viktigare.12

1.3 Biomassa som kemisk råvara

Med biomassa menas i allmänhet bioresurser med stor volym och lågt värde som kan användas som råvara för att tillverka kemikalier, bränslen och material. För att skilja biomassa från fossila resurser som kol och olja (i sig gammal biomassa) är det klokt att begränsa sig till resurser som är mindre än 100-200 år gamla (resurser som har en liknande livscykel som människan). På detta sätt kan vi anse att biomassa omfattar följande: Skogsrester Träd med kort omloppstid Jordbruksrester inklusive strån Livsmedelsförädlingsavfall inklusive skal, stenar och skal Gräs och annan markodlad biomassa som inte används som livsmedel Marina rester Makroalger (alger), mikroalger och annan vattenodlad biomassa som inte används som livsmedel Annat livsmedelsavfall

Den totala mängden av denna tillgängliga biomassa är inte exakt känd, men har tidigare uppskattats till 50 miljarder ton per år, inklusive 1,3 miljarder ton per år i form av livsmedelsavfall.13,14

Vi kan klassificera biomassa i tre huvudkategorier:12 Kolhydrater (stärkelse, cellulosa och hemicellulosa) inklusive lignin från lignocellulosabiomassa Triglycerider (soja-, palm-, raps- och solrosolja) Blandade organiska restprodukter

Lignocellulosabiomassa består av torrt växtmaterial som innehåller cellulosa, hemicellulosa och lignin. Den kan komma från en mängd olika särskilda grödor, t.ex. miscanthus, pil eller poppel. Alternativt kan råvaror erhållas från avfall som ris- eller vetehalm, skogsbruksrester och pappersmassa från pappersindustrin. Matavfall är en annan råvara som är rik på funktionaliserade molekyler. Även om det är biologiskt nedbrytbart bör det utnyttjas som en råvara för förnybara kemikalier, material och biobränslen, vilket leder oss mot avfallsminimering och minskat beroende av fossila resurser. Utnyttjandet av avfallsmaterial har de viktiga fördelarna att man undviker konkurrens om jordbruksmark som skulle kunna användas för livsmedelsproduktion samtidigt som man genererar värde från restprodukter som annars skulle kunna gå till spillo.15 Av dessa skäl ses avfallets förädling som en allt viktigare källa till både kemikalier och energi.

Utöver de extraherbara funktionella molekyler som finns i biomassa kan vi också framställa ytterligare användbara funktionella molekyler eller “plattformsmolekyler”, t.ex. bärnstenssyra, mjölksyra och levoglukosenon, genom biokemisk eller termokemisk bearbetning av bulkcellulosakomponenterna i många typer av biomassa. Ett bioraffinaderi är en analog till det nuvarande petroleumraffinaderiet i den meningen att det producerar energi och kemikalier. De största skillnaderna ligger i det råmaterial som används, från biomassa till avfall (figur 1.2).

Bioraffinaderier kan anses tillhöra tre typer. Bioraffinaderier av typ 1 är inriktade på omvandling av en råvara, med hjälp av en process och med en produkt som mål. En anläggning för produktion av biodiesel är ett bra exempel: raps eller solros används för utvinning av olja, som sedan omesteras för att producera fettsyrametylestrar eller biodiesel med hjälp av metanol och en katalysator.

Bioraffinaderier av typ 2 skiljer sig från den första typen genom antalet produkter. Ett typiskt exempel är produktion av stärkelse, etanol och mjölksyra tillsammans med hög fruktossirap, majssirap, majsolja och majsmjöl från våtbruk av majs. Ett nyare exempel som har föreslagits är användningen av citrusavfall, t.ex. apelsinskal (figur 1.3).16

Bioraffinaderier av typ 3 gör det möjligt att kombinera ett större antal tekniker. De möjliggör också ett större antal produkter som genererar två eller fler biobaserade produkter och restprodukten används för att producera energi (antingen bränsle, el och/eller värme). Som exempel kan nämnas bioraffinaderier för hela grödor, som utnyttjar flera biprodukter från jordbruket från samma gröda. Bioraffinaderier av typ 3 är vanligtvis de som är inriktade på produktion av kemikalier och bränslen.

När bioraffinaderikonceptet utvecklas är det absolut nödvändigt att man använder ren teknik för att se till att dess produktion(er) verkligen är hållbar(a). IEA Bioenergy Task 42 definierar bioraffinering som “hållbar bearbetning av biomassa till ett spektrum av biobaserade produkter (livsmedel, foder, kemikalier och/eller material) och bioenergi (biobränslen, el och/eller värme)”.17 I framtiden kommer olika bioraffinaderier att växa fram kommersiellt och dra nytta av flexibel teknik, vilket bidrar till att konceptet bioraffinaderi kan bearbeta lokalt tillgänglig biomassa i en integrerad bränsle-kemikalie-material-kraftcykel, vilket förbättrar lokalbefolkningens livskvalitet och minskar miljöpåverkan som styrs av de tre hållbarhetsdimensionerna: miljöskydd, sociala framsteg och ekonomisk utveckling12 .

Grön kemi bidrar till att driva på revolutionen för förnybara energikällor och visar vägen mot ersättning av fossila råvaror och mot en mer cirkulär ekonomi när det gäller resursanvändning. De tre grundläggande stegen i produktens livscykel är inte längre tillräckliga – vi måste nu lägga till ett steg som återför resurserna från den förbrukade artikeln till nyttig produktion. Detta skulle i princip kunna vara en del av den naturliga kolcykeln för organiska material, så att vi bara behöver se till att artiklarna samlas in (bättre infrastruktur) och att de är (snabbt) biologiskt nedbrytbara. Begränsningen är att naturen tenderar att överföra det mesta av sitt kol i form av koldioxid och andra enkla molekyler, som sedan kräver ansträngning för att byggas upp (genom att utföra kemiska reaktioner etc. som förbrukar resurser och genererar sitt eget avfall). När det gäller oorganiska resurser kan vi inte förlita oss på någon form av naturlig cykel för de flesta grundämnen. Vårt nuvarande linjära tillvägagångssätt att utvinna malmer, bearbeta dem till metaller, använda dessa metaller för att tillverka komplexa föremål och sedan göra sig av med dem på soptippar kan inte ge oss resurserna tillbaka på något användbart sätt. Vi måste snarare bygga upp våra egna kretsloppssystem för oorganiska resurser där resurserna, vanligtvis metaller, återvinns från de ursprungliga föremål i vilka de används, och i en form som lätt kan användas för samma eller andra tillämpningar. Detta kommer att kräva grundläggande förändringar i utformningen av artiklar som möjliggör enkel demontering på resursnivå – ibland kallat “benign by design”.

1.4 Större initiativ världen över

Som har diskuterats innebär ökad lagstiftning, begränsade resurser och förändringar i den vetenskapliga och allmänna opinionen att det finns ett växande behov av att industrier och den akademiska världen samarbetar för att uppnå miljövänligare och mer hållbara metoder. Det är viktigt att vi utrustar nästa generation forskare med de kunskaper och färdigheter som krävs för att göra detta.

Från den ödmjuka början med några få forskargrupper som arbetade med områden som att ersätta vanligt förekommande farliga reagenser som AlCl3 på 1980-talet, via rörelsen för grön kemi som startades av det amerikanska miljöskyddsorganet EPA på 1990-talet, finns det nu många initiativ för grön och hållbar kemi över hela världen. Dessa sträcker sig från stora centra som arbetar på flera områden till utbildningsprogram och nätverk. Grön kemi håller på att ta sig in på olika stadier av utbildningen och i olika länder: de mest kända utbildningsprogrammen är förmodligen de masterkurser som nu pågår i bland annat Storbritannien, Frankrike, Spanien, Kanada, Grekland, Indien och Bulgarien.18 Grön kemi är förmodligen mindre utvecklad på grundutbildningsnivå, men i USA uppskattas det att 13 universitet erbjuder kurser i grön kemi, där Berkeley är särskilt aktivt och bland annat utvecklar online-verksamhet.11 I ett antal böcker och andra resurser erbjuds praktiska övningar i grön kemi, mestadels på grundutbildningsnivå.19

Centren för grön kemi (oftast universitetsbaserade med mer än en högre akademiker baserad vid centret, och med en rad verksamheter som går utöver forskning och även omfattar t.ex. utbildning och nätverksbyggande) håller på att få stor spridning, med flera i USA (bl.a. UC Berkeley och UMass Boston) och andra i Australien (Center for Green Chemistry vid Monash), Korea (bl.a. Korean Research Institute of Chemical Technology), Mexiko (UANL, Monterrey), Indien (University of Delhi), Kanada (Green Center Canada) och Förenade kungariket (University of York).20

Green Chemistry Network (GCN) har nyligen tagit initiativ till ett nätverk av centra för grön och hållbar kemi (G2C2) i ett försök att förbättra kommunikationen mellan befintliga centra och tillhandahålla en vägledning för nya centra, t.ex. i Brasilien och Sydafrika.21 Det första mötet mellan internationella centra ägde rum i Delhi i december 2013.22 Dessutom är Green Chemistry Institute mycket aktivt när det gäller att främja flera viktiga initiativ för grön kemi, t.ex. grönare läkemedelsprocesser.23,24 Samarbeten mellan den akademiska världen och industrin är också viktiga för att utveckla banbrytande teknik och projekt, t.ex. IMI:s projekt “CHEM21 (Chemical manufacturing methods for the 21st century pharmaceutical industries)”.25 Syftet med detta projekt är att arbeta för att utveckla grönare metoder genom att ta fram hållbara biologiska och kemiska alternativ till ändliga material, som t.ex. ädelmetaller. Många av projektets teman behandlas i kapitlen i den här boken.

1.5 Sammanfattning

Grön kemi, grön teknik och hållbar design måste beaktas när man går mot processer som är mer miljöanpassade. Förändringar i den allmänna opinionen, lagstiftning och tillgång till resurser är alla drivkrafter för förändring. Genomförandet av Reach och utvecklingen av “SIN-listor” över kemikalier som syftar till att begränsa användningen av många kemikalier har långtgående konsekvenser för tillverkningsindustrin. Den begränsade tillgången till många resurser innebär att vi måste utveckla slutna kretsloppssystem och gå mot en cirkulär ekonomi. Konceptet bioraffinaderi gör det möjligt att omvandla biomassa till användbara kemikalier och energi, vilket minskar vårt beroende av fossila resurser. Det finns många initiativ världen över som syftar till att främja innovation inom området grön och hållbar kemi och till att utbilda nästa generation forskare.