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Nachhaltigkeit

So gelingt nachhaltiges Arbeiten im Labor

| Autor / Redakteur: Kerstin Hermuth-Kleinschmidt* / Dr. Ilka Ottleben

Eine vereinfachte „Ökobilanz“ für das Labor

Wie viele Ressourcen (Energie, Wasser, Chemikalien, Consumables) werden im Laborbetrieb benötigt? Wie hoch ist der Output an Abfällen, Emissionen und „Produkten“? Mit Produkten sind nicht nur sämtliche Synthese-, Zwischen- und Nebenprodukte gemeint, wie sie im chemischen Bereich anfallen, sondern allgemein der Output z.B. in Form von Proben oder Zellkulturen.

Erstens müssen Verbräuche gemessen und diese Informationen jedem zur Verfügung gestellt werden:

  • Welche Ressourcen werden verbraucht?
  • Wo sind die größten Verbräuche?
  • Wie viel wird verbraucht?

Zweitens braucht es „Folgewissen“ und „Handlungswissen“. Folgewissen bedeutet, dass mithilfe der bereitgestellten Informationen aus dem ersten Schritt die Folgen des eigenen Verhaltens deutlich gemacht und nicht-nachhaltige Prozesse identifiziert werden. Handlungswissen heißt, zu wissen, wie nachhaltigere Alternativen aussehen könnten.

Drittens braucht es Handlungsoptionen – also alternative Technologien und Produkte mit geringeren Umweltauswirkungen. Gleichzeitig wird Zeit benötigt für deren Recherche und für das Ausprobieren neuer Techniken sowie Kommunikationsmöglichkeiten, um sich z.B. über Alternativen auszutauschen (s. Abb. 2).

Ergänzend dazu gilt es, eine ergiebigere Nutzung von Energie und Materie anzustreben (Effizienzstrategie), naturverträgliche Technologien zu nutzen (Konsistenzstrategie) und insgesamt einen geringeren Verbrauch an Gütern anzustreben (Suffizienzstrategie).

Folgende Beispiele zeigen Umsetzungsmöglichkeiten in verschiedenen Laborumgebungen. In einem HPLC-Analytiklabor sind es v.a. Energie- und Lösungsmittelverbräuche und deren (potenzielle) Toxizität, die berücksichtigt werden müssen. Am meisten Energie benötigt, wenig verwunderlich, die Nutzung des HPLC-Systems: die Lebenszyklusanalyse eines UHPLC-Systems bestätigt, dass der größte Anteil an Emissionen während der Nutzungsphase des Systems entsteht [9]. Es lohnt sich also, sowohl in der Beschaffung als auch im Betrieb auf Energieeffizienz zu achten (keine Leerlaufzeiten etc.).

Der Lösungsmittelverbrauch einer HPLC unter Standardbedingungen (Säulendurchmesser 4,6 mm, Säulenlänge 250 mm, Flussrate von 1 bis 1,5 ml/min) kann im Routinebetrieb leicht bei mehr als 1 Liter Lösungsmittel pro Tag liegen. Bereits einfache Maßnahmen, wie eine kürzere Säule, eine kleinere Partikelgröße sowie ein geringerer Säulendurchmesser, können diesen Verbrauch signifikant verringern [10]: Bei einer Länge von 100 mm und einer Partikelgröße von 1,8 µm verringert sich die Lösungsmittelmenge um das 2,5-fache; die Verringerung des Säulendurchmessers von 4,6 mm auf 3,0 mm bringt weitere ~50% Einsparung. Geräte, wie UHPLC oder Microflow-HPLC können die Verbräuche um insgesamt bis zu 80% reduzieren.

Die Substitution toxischer Lösungsmittel als Laufmittel und in der Probenvorbereitung ist ein weiteres Ziel. So kann, je nach Fragestellung, Acetonitril durchaus durch Ethanol ersetzt werden. Ein anderes „grünes“ Lösungsmittel ist superkritisches Kohlendioxid, mit dem sehr kurze Laufzeiten möglich sind und bei dem zwar organische Lösungsmittel zugesetzt werden, aber insgesamt 80 bis 90% weniger als in einem klassischen HPLC-Lauf. Dieses kann auch für die Probenvorbereitung verwendet werden, genauso wie überkritisches Wasser [10]. Beide Varianten sind nicht toxisch, aber der Ressourcenverbrauch für deren Herstellung muss mit bedacht und bei der Abwägung der Alternativen einbezogen werden. Schließlich gibt es Methoden, die mit wesentlich weniger (Liquid Phase Microextraction, LPME) oder ganz ohne Lösungsmittel auskommen (z.B. Solid Phase Microextraction, SPME), [11].

In einem chemischen Syntheselabor, in dem ein Großteil der Arbeiten in energieintensiven Abzügen stattfindet, sind es deren Energieverbräuche, der In- und Output an Chemikalien, Produkten und Nebenprodukten, die für die Synthesen benötigte Wärme oder Kühlung sowie entstandene (Sonder-)Abfälle und deren Entsorgung.

Effiziente Reaktionen in wenigen Synthesestufen mit möglichst wenig Abfällen und unter milden Bedingungen, sichere Prozesse und umweltverträgliche bzw. gut abbaubare Endprodukte – das sind die Kernprinzipien der „grünen Chemie“ (s. Abb. 3 und LP-Tipp-Kasten). Solche Anfangsüberlegungen sind für die spätere Produktion durchaus sinnvoll, wie die Ökobilanz der Synthese eines pharmazeutischen Wirkstoffs zeigt: Die größten Umweltauswirkungen sind auf die hohen Energiemengen zurückzuführen, die für die Synthese des Produktes selber und deren Vorprodukte bereitgestellt werden müssen. Denn die bei der Energieproduktion entstandenen Emissionen und Rohstoffverbräuche (Nutzung von Erdöl oder Kohle) tragen am meisten zu den Gesamtumweltauswirkungen bei [12]. Den Energie- und Ressourcenverbrauch bereits zu Beginn gering zu halten hilft somit, die späteren Produktionsprozesse nachhaltiger zu gestalten.

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