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Tipps für mehr Nachhaltigkeit

Was bringt die „Grüne Chromatographie“?

| Autor / Redakteur: Kerstin Hermuth-Kleinschmidt* / Marc Platthaus

Prinzipien der „Green Chomatography“
Prinzipien der „Green Chomatography“ (Bild: Niub)

Themen wie Ressourcenoptimierung oder bessere Energienutzung sind im Labor angekommen. Was bedeutet das für die wichtigste Trennmethode, die Chromatographie? Eine Bestandsaufnahme zeigt, wie viel Optimierungspotenzial in der mehr als 100 Jahre alten Technik steckt.

Welche Ziele hat nachhaltige Chromatographie? Zum einen den Energie- und Ressourcenverbrauch über den gesamten Workflow zu minimieren, nicht-toxische Reagenzien zu nutzen – wenn möglich auch aus erneuerbaren Quellen. Zum anderen aber auch, aus einer einzigen Probe möglichst viele Informationen zu erhalten (s. Abb. 1).

Grüne Lösungsmittel

Eine der wichtigsten Maßnahmen ist die Verwendung nicht-toxischer Lösungsmittel. Vor allem der Routinebetrieb hat mit einem geschätzten Verbrauch von 1 - 1,5 Liter Lösungsmittel pro Tag einen hohen Verbrauch. Das macht nach einer Schätzung, die aus dem Jahr 2011 stammt und die von 13 000 HPLC-Geräten weltweit ausgeht, einen Verbrauch von 34 Millionen Liter Lösungsmittel pro Jahr [4].

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Als Standardlaufmittel in der HPLC wird Acetonitril aufgrund seiner niedrigen Viskosität geschätzt. Allerdings ist es nach Umwelt- und Gesundheitskriterien als kritisch einzuschätzen. Doch welche anderen Möglichkeiten stehen zur Verfügung?

Die Verwendung alternativer, nichttoxischer Lösungsmittel steht an erster Stelle. Als Orientierunghilfe bei der Auswahl geeigneter Laufmittel können „solvent guides“ dienen, die Lösungsmittel nach EHS-Kriterien einordnen. Ethanol, Ethylacetat oder auch Wasser werden häufig verwendet und es stehen bereits eine Vielzahl an Beispielen in der Literatur zur Verfügung [5]. Der Verwendung von Ethanol stand häufig dessen hohe Viskosität im Weg. In UHPLC-Systemen ist dies kein Problem mehr, da diese einem höheren Gegendruck standhält. Alternativ kann durch den Einsatz höherer Temperaturen beim HPLC-Lauf die Viskosität von Ethanol herabgesetzt werden. Damit ist ein Einsatz auch auf einem Standard-HPLC-System möglich [6].

Eine andere Möglichkeit, die Laufmitteleigenschaften zu ändern, besteht in der Zugabe von Additiven. Für die Auftrennung einer Alkaloid-Mischung wurde als Laufmittel ursprünglich ein Methanol:Wasser-Gemisch mit einem Anteil von 70% Methanol verwendet. Durch Zugabe von Cyclodextrinen konnte in einem ersten Schritt der Methanol-Gehalt von 70% auf 50% verringert werden, in einem zweiten Schritt wurde Methanol vollständig durch Ethanol ersetzt bei gleichbleibender Trennleistung [7].

Auch die so genannten „Ionischen Flüssigkeiten“ werden in diesem Zusammenhang oft als „Green solvents“ genannt und finden neben ihrem Einsatz als Laufmittelzusatz in der HPLC auch in der Probenvorbereitung breite Verwendung. Sie haben sehr gute Lösungseigenschaften, können je nach Modifikation mehr polare oder unpolare Eigenschaften besitzen und sind wiederverwendbar. Aufgrund des geringen Dampfdrucks sowie ihrer thermischen und chemischen Stabilität können sie unter Sicherheitskriterien unbedenklich eingesetzt werden. Allerdings sind die Umweltauswirkungen wenig untersucht: einige sind gut abbaubar, andere sind persistent und reichern sich in der Umwelt an. Aus diesem Grund sollte der Einsatz trotz allem gut abgewägt werden und wenn möglich auf diejenigen ausgewichen werden, deren Bioabbaubarkeit bereits bekannt ist [8].

Weitere nicht-toxische und umweltverträgliche Alternativen sind superkritisches CO2 oder superkritisches Wasser. Diese werden als Laufmittel oder in der Probenvorbereitung eingesetzt.

Probenvorbereitung

Unter den Gesichtspunkten der Green Chromatography ist keine Probenvorbereitung die beste Probenvorbereitung. Das ist im Laboralltag natürlich nur sehr selten möglich – denn wann sind die Proben schon so sauber, dass keine weitere Aufarbeitung möglich ist? Aber auch hier gibt es Beispiele [6]. Für alle anderen Proben gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.

Bei der klassischen Probenvorbereitung, beispielsweise durch Flüssig-Flüssig-Extraktion oder über SPE-Säulen werden pro Durchgang einige Milliliter organischen Lösungsmittels verbraucht – und damit relativ viel [9]. Gerade in Routinevorgängen kann auf diese Weise einiges an Lösungsmittelabfällen zusammenkommen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Lösungsmittelmengen drastisch zu reduzieren, toxische Lösungsmittel zu ersetzen oder lösungsmittelfreie Alternativen einzusetzen. Gleichzeitig sparen diese Mikroextraktionstechniken Zeit und sind ökonomisch attraktiv.

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