Odnawialne alternatywy dla niebezpiecznych rozpuszczalników
Rozpuszczalniki stanowią kategorię środków chemicznych, które pozwalają na rozpuszczanie innych substancji, tworzenie ich zawiesin lub ich ekstrakcję bez zmiany ich właściwości fizycznych. Jak twierdzą przedstawiciele ESIG, czyli European Solvents Industry Group – europejskiego stowarzyszenia branży rozpuszczalników, producenci rozpuszczalników wytwarzają 5 milionów ton tych substancji rocznie, co przekłada się na obroty w wysokości 4 miliardów euro na rynku europejskim. Popularność nie oznacza jednak bezpieczeństwa – niektóre rozpuszczalniki wytwarzane przez sektor petrochemiczny charakteryzują się wysoką toksycznością. Zespół projektu ReSolve zajmował się badaniem bezpieczniejszych biopochodnych alternatyw, które mają zastąpić dwa niebezpieczne rozpuszczalniki wykorzystywane w dużych ilościach przez europejskie podmioty przemysłowe – toluen i N-metylo-2-pirolidon, czyli NMP. Projekt ReSolve otrzymał finansowanie w ramach Wspólnego Przedsięwzięcia na rzecz Bioprzemysłu, które jest formą partnerstwa publiczno-prywatnego między UE a przemysłem biologicznym. W oparciu o swoje bogate doświadczenie w dziedzinie surowców z biomasy i odnawialnych substancji chemicznych, badacze opracowali zastępcze rozpuszczalniki na bazie węglowodanów niespożywczych. Bezpieczeństwo nowych rozpuszczalników zostało zweryfikowane na podstawie modeli in silico, które posłużyły do przewidywania ich zachowania biologicznego, a także prób biologicznych in vitro, które pozwoliły na ocenę zachowania chemicznego jeszcze przed rozpoczęciem dalszych etapów rozwoju. Zespół zajął się następnie przeprowadzeniem analiz technologiczno-ekonomicznych oraz środowiskowych w celu optymalizacji projektów procesów pod kątem produkcji przemysłowej oraz ustalenia realnego wpływu nowych substancji na środowisko naturalne. „Pomimo tego, że koszty wytwarzania nowych rozpuszczalników są wyższe niż w przypadku konwencjonalnych substancji, uważamy te koszty za akceptowalne, zwłaszcza gdy weźmiemy pod uwagę, że rozpuszczalniki te muszą być produkowane w pierwszych w swoim rodzaju zakładach chemicznych”, tłumaczy James Clark, profesor Uniwersytetu w Yorku w Zjednoczonym Królestwie. „Warto dodać także, że wytwarzanie rozpuszczalników ReSolve powoduje zwykle emisję szkodliwych substancji o 1/3 mniejszą niż w przypadku produkcji rozpuszczalników petrochemicznych”.
Obiecujące biopochodne alternatywy dla rozpuszczalników
Naukowcom udało się uzyskać 2,2,5,5-tetrametylooksolan (TMO) – niepolarny rozpuszczalnik o właściwościach zbliżonych do toluenu, który sprawdzi się w produkcji folii samoprzylepnych. „Ten biopochodny rozpuszczalnik może potencjalnie zastąpić nie tylko toluen, ale także inne niebezpieczne substancje. Jego zachowanie w reakcjach chemicznych jest zbliżone do toluenu. Co więcej, w czasie badań nad TMO udało nam się ustalić, że w niektórych przypadkach zastosowań rozpuszczalność niektórych substancji wzrasta”, dodaje Clark. „TMO może przynieść duże korzyści w procesach ekstrakcji i biokatalizy, których wydajność jest ograniczona przez rozpuszczalność kluczowych substancji”. Zespół projektu opracował także bezpieczniejszy biopochodny rozpuszczalnik o nazwie (1S,5R)-6,8-dioksabicyklo[3.2.1]oktan-4-on dostępny pod nazwą handlową Cyrene™, który może zastąpić NMP – rozpuszczalnik, na który Unia Europejska nałożyła surowe przepisy dotyczące użytkowania ze względu na zagrożenia dla pracowników oraz środowiska naturalnego. Rozpuszczalnik Cyrene™, który jest wytwarzany w wyniku obróbki odpadów tartacznych kwasem, jest dobrym zamiennikiem dla NMP, a jednocześnie nie niesie za sobą szeregu zagrożeń dla zdrowia. Jeden z partnerów zespołu projektowego – Circa Group – podjął się budowy zakładu we Francji, który zajmie się produkcją 1 000 ton biopochodnego rozpuszczalnika Cyrene™ rocznie. Poza TMO i Cyrene™ badacze zajmowali się testowaniem innych obiecujących rozpuszczalników na bazie węglowodanów, które mogą zastąpić NMP, toluen i inne niebezpieczne substancje. Co ważniejsze, zastosowaną przez nich metodologię można wykorzystać także do opracowania ekologicznych, nadających się do recyklingu biopolimerów.
Na drodze do bardziej ekologicznego przemysłu chemicznego
Zastępowanie w produktach codziennego użytku szkodliwych rozpuszczalników alternatywami niebiopochodnymi nie wystarczy, by rozwiać obawy związane ze zdrowiem i bezpieczeństwem, a także by sprawić, że produkcja środków chemicznych stanie się bardziej przyjazna dla środowiska i oszczędna. Co więcej, liczba takich substancji jest stosunkowo ograniczona, w przypadku wielu z nich mogą pojawić się podobne doniesienia o problemach związanych z toksycznością, a kolejne zmiany w przepisach wymuszą rezygnację z tradycyjnie stosowanych substancji chemicznych w niedalekiej przyszłości. Zespołowi projektu ReSolve udało się z powodzeniem uzyskać i przetestować dwa biopochodne rozpuszczalniki, które mogą zastąpić toluen i NMP, a także oszacować ich koszty produkcji i zidentyfikować rynki docelowe. Potrzebne są jednak dalsze badania w celu odkrycia i oceny dodatkowych rozpuszczalników – wykorzystanie uniwersalnego podejścia nie pozwoli bowiem na zaspokojenie wymogów obowiązujących przy różnych zastosowaniach tych substancji.
Słowa kluczowe
ReSolve, rozpuszczalniki, biopochodne, toluen, NMP, TMO, Cyrene™, toksyczność, N-metylo-2-pirolidon, 2,2,5,5-tetrametylooksolan
