Sicherere erneuerbare Alternativen ersetzen gefährliche Lösungsmittel
Lösungsmittel sind eine Klasse chemischer Produkte, die andere Substanzen lösen, suspendieren oder extrahieren können, ohne deren physikalische Eigenschaften zu verändern. Nach Angaben der European Solvents Industry Group werden jährlich 5 Millionen Tonnen Lösungsmittel hergestellt. Diese Menge entspricht einem Beitrag von 4 Milliarden EUR zur europäischen Wirtschaft. Bestimmte, aus der Petrochemie stammende Lösungsmittel sind jedoch hochgiftig. Das Projekt ReSolve erforschte nun sicherere, biobasierte Alternativen, um zwei gefährliche Lösungsmittel zu ersetzen, die in der europäischen Industrie in großen Mengen zum Einsatz kommen: Toluol und N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP). ReSolve erhielt Finanzmittel im Rahmen des Gemeinsamen Unternehmens für biobasierte Industriezweige, einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der EU und der biobasierten Industrie. Das Forschungsteam nutzte sein Fachwissen über Biomasse-Rohstoffe und erneuerbare Chemikalien und entwickelte Ersatzlösungsmittel auf der Grundlage von Kohlenhydraten aus dem Nichtlebensmittelbereich. Die Sicherheit der neuen Lösungsmittel wurde mithilfe von In-silico-Modellen zur Vorhersage des biologischen Verhaltens und In-vitro-Bioassays zur Bewertung des tatsächlichen chemischen Verhaltens beurteilt, bevor sie in die Entwicklungsphase gingen. Es wurden technisch-wirtschaftliche und nachhaltigkeitsbezogene Bewertungen durchgeführt, um die Prozessdesigns für die industrielle Produktion zu optimieren und die tatsächlichen Auswirkungen auf die Natur nachzuvollziehen. „Obwohl die Herstellungskosten der neu entwickelten Lösungsmittel höher als die konventioneller Lösungsmittel liegen, werden die Kosten angesichts der Tatsache als akzeptabel erachtet, dass die Lösungsmittel völlig neue Produktionsanlagen erfordern“, erläutert James Clark, Professor an der University of York im Vereinigten Königreich. „Außerdem werden bei der Produktion der ReSolve-Lösungsmittel typischerweise nur zwei Drittel der sonst bei petrochemischen Lösungsmitteln ausgestoßenen Schadstoffe freigesetzt.“
Vielversprechende Lösungsmittelalternativen auf biologischer Basis
Das Forschungsteam synthetisierte 2,2,5,5-Tetramethyloxolan (TMO), ein unpolares Lösungsmittel mit ähnlichen Eigenschaften wie Toluol, das für den Einsatz in der Klebefolienherstellung vorgesehen ist. „Dieses biobasierte Lösungsmittel verfügt über das Potenzial, nicht nur Toluol, sondern auch andere gefährliche Lösungsmittel ersetzen zu können. Es zeigt bei chemischen Reaktionen ein ähnliches Verhalten wie Toluol. Bei bestimmten Anwendungen, in denen TMO getestet wurde, verbesserte sich die Löslichkeit bestimmter Substanzen sogar“, ergänzt Clark. TMO kann für Extraktionsprozesse und bei der Biokatalyse von großem Nutzen sein, wo die Prozessleistung durch die Löslichkeit der Schlüsselstoffe begrenzt ist.“ Das Projektteam synthetisierte außerdem eine sicherere biobasierte Alternative mit der Bezeichnung Dihydrolevoglucosenon (Cyrene™), um NMP zu ersetzen, denn der Einsatz dieses Lösungsmittels wurde von der EU sowohl in Bezug auf den Arbeitsschutz als auch die ökologische Nachhaltigkeit mit strengen Auflagen belegt. Mit Cyrene™, das durch die Behandlung von Sägemehlabfällen mit Säure hergestellt wird, werden die Eigenschaften von NMP auf effiziente Weise reproduziert, ohne die Gesundheit zu schädigen. Der Projektpartner Circa Group betreibt den Bau einer Anlage in Frankreich, die jährlich 1 000 Tonnen biobasiertes Cyrene™ herstellen wird. Zusätzlich zu TMO und Cyrene™ erprobten die Forschenden weitere vielversprechende kohlenhydratbasierte Lösungsmittel, die NMP, Toluol und weitere gefährliche Lösungsmittel ersetzen sollen. Ihre methodische Vorgehensweise könnte auch bei der Entwicklung nachhaltiger, recycelbarer, biobasierter Polymere zum Einsatz kommen.
Auf neuen Wegen zu einer nachhaltigeren chemischen Industrie
Schädliche Lösungsmittel durch nicht-biobasierte Alternativen in verschiedenen alltäglichen Produktanwendungen zu ersetzen, reicht nicht aus, um Bedenken in Bezug auf die Gesundheit zu zerstreuen sowie die chemische Produktion weniger verschwenderisch und umweltfreundlicher zu gestalten. Aufgrund der begrenzten Anzahl nicht-biobasierter und sicherer Alternativen dürften ähnliche Toxizitätsprobleme wie bisher entstehen. Außerdem wird wahrscheinlich in naher Zukunft die Nutzbarkeit vieler traditioneller Chemikalien weiter eingeschränkt werden. ReSolve ist es gelungen, zwei biobasierte Lösungsmittel, die Toluol und NMP ersetzen könnten, künstlich herzustellen und zu testen, deren Produktionskosten zu bewerten und deren Zielmärkte zu ermitteln. Es muss nun weiter geforscht werden, um zusätzliche Lösungsmittel zu bestimmen und zu bewerten, da es keinen einheitlichen Ansatz gibt, der die in den verschiedenen Anwendungen bestehenden Anforderungen erfüllen könnte.
Schlüsselbegriffe
ReSolve, Lösungsmittel, biobasiert, auf biologischer Basis, Toluol, NMP, TMO, Cyrene™, Toxizität, N-Methyl-2-pyrrolidon, 2,2,5,5-Tetramethyloxolan
