Groen gaat niet gemakkelijk

Dankzij de groene chemie is de chemische industrie in de afgelopen twintig jaar een stuk schoner geworden. Maar de mentaliteit verandert langzaam en de groene revolutie heeft nog een lange weg te gaan.

Katharine Anderson – Nature

Tegen het eind van de jaren tachtig was wereldwijd het besef doorgedrongen dat de chemische industrie schoner moest gaan werken. De milieureputatie was op dat moment abominabel. De ramp in Bhopal, India, lag nog vers in het geheugen. Er waren minstens drieduizend doden gevallen en honderdduizenden raakten gewond door het lek van een giftig gas uit een pesticidenfabriek van Union Carbide. Ook kende iedereen nog het schandaal van Love Canal in Niagara Falls in New York, waar de ontdekking van een grote hoeveelheid verbrand chemisch afval tot de ontruiming leidde van een hele woonwijk. Een paar jaar later werd zelfs een hele stad geëvacueerd na de ontdekking van een dioxinebesmetting bij Times Beach in Missouri.
Maar zelfs wanneer bedrijven ervoor kozen om zich op een legale manier van hun afval te ontdoen, meestal ging het daarbij om vluchtige organische oplosmiddelen waar je moeilijk van af kwam, dan waren de hoeveelheden ontzagwekkend. Het overzicht was, en is nog steeds, verbrokkeld. In de Verenigde Staten is volgens de vroegste cijfers van het milieuagentschap Environmental Protection Agency (EPA) in 1991 maar liefst 278 miljoen ton gevaarlijk afval geproduceerd op meer dan 24 duizend plaatsen. Niet alles kwam van de chemische industrie, maar het meeste wel.

Als gevolg van een lange rij milieuschandalen, en van chemische bedrijven die zich gedwongen zagen aan de steeds scherpere milieuwetgeving te voldoen, ontstond een brede beweging binnen de chemische industrie in de richting van wat ‘groene chemie’ werd genoemd – een term die in 1991 werd gelanceerd door de toen 28-jarige Paul Anastas, stafchemicus bij EPA.

Het doel van groene chemie was niet slechts om de boel op te schonen, legt Anastas uit. Hij is momenteel op verlof van de universiteit van Yale om de onderzoeksafdeling van EPA te leiden. In zijn visie draait het in de groene chemie om een grondige herziening van de chemische processen. Het gaat erom de industriële chemie veiliger, schoner en meer energie-efficiënt te maken in de volledige levenscyclus van een product, van synthese via schoonmaak tot afvalverwerking. Het gaat ook over het gebruik van hernieuwbare grondstoffen waar mogelijk, het laten plaatsvinden van reacties bij omgevingstemperatuur en –druk en bovenal over het minimaliseren of het elimineren van giftig afval vanaf het begin, in plaats van de troep achteraf schoon te moeten maken. “Het is effectiever, efficiënter en eleganter. Het is simpelweg betere chemie”, aldus Anastas.

Dat klinkt simpel, maar de praktijk is allesbehalve eenvoudig. “Ja”, zegt Eric Beckman, chemisch ingenieur aan de universiteit van Pittsburgh in Pennsylvania, “bedrijven zijn tegenwoordig erg actief om hun processen groener te maken.” In 2009 bijvoorbeeld lag de totale productie van gevaarlijk chemisch afval een orde lager dan in 1991. Nu is dat ‘nog maar’ 35 miljoen ton per jaar.

Maar de vergroening van de processen is een afweging tussen opbrengst, haalbaarheid en kosten, zegt Beckman – en groen wint niet altijd. Verder, zegt hij, bestaat de groene beweging binnen de industrie vooral uit kleine verbeteringen van bestaande processen.
De opmars van de groene chemie tot nu toe is deels te danken aan de technische haalbaarheid van alternatieven die minder toxisch. Een goed voorbeeld is superkritisch kooldioxide: doodgewoon niet-giftig CO2 dat zich boven zijn kritische punt (31 graden Celsius en 7,4 Megapascal) gedraagt als gas en vloeistof tegelijk en dan inzetbaar is als oplosmiddel voor tal van organische en anorganische reacties. Een ander non-toxisch oplosmiddel is gevonden in de ionische vloeistoffen: exotische verwanten van het gewone keukenzout die toevallig vloeibaar zijn bij of in de buurt van kamertemperatuur.

De E-factor
Verder heeft de groene chemie geprofiteerd van de publiciteitscampagne die Anastas en zijn makkers gevoerd hebben. De eerste stap was in 1991 de formulering van de naam, zegt John Warner, hoofd van het Warner-Babcock instituut voor groene chemie in Wilmington, Massachusetts. Destijds was hij hoofd van het verkennende onderzoek bij Polaroid in Minnetonka, Minnesota. “Het labelen van groene chemie als een tak van wetenschap onderscheidde het van een politieke of een sociale beweging”, stelt Warner.

De farmaceutische sector heeft de groene chemie het meest enthousiast onthaald, misschien omdat daar het meest te winnen was. Een farmaceutische fabriek produceert 25 tot 100 kilogram afval per kilo product, een verhouding die bekend staat als milieufactor (environmental factor) of E-factor. Er is dus volop ruimte voor verbetering en voor verlaging van de kosten.
Bij Pfizer bijvoorbeeld kende de eerste laboratoriumsynthese van potentiepil Viagra een E-factor van 105. Maar lang voordat Viagra in 1998 op de markt verscheen, had een team van een Brits laboratorium in Sandwich het hele proces onder de loep genomen. Ze vervingen gechloreerde oplosmiddelen door minder giftige alternatieven en recycleden die. Ze slaagden erin om het gebruik van waterstofperoxide te omzeilen, net als een stof (oxalylchloride) die koolmonoxide produceert in de reactie en daardoor giftig is. Uiteindelijk verlaagden ze de E-factor tot 8.

Na dat succes werd Peter Dunn, de leider van het Viagra synthese team, in 2001 het hoofd van een groene beweging binnen Pfizer. Dunn zegt dat hij geen getallen mag noemen over de besparing, maar hij kan wel voorbeelden geven van verbeteringen van processen elders in het bedrijf. Pfizer heeft de E-factor van het antibraakmiddel Lyrica teruggebracht van 86 naar 9, en boekte vergelijkbare resultaten met het antidepressivum Sertaline en de ontstekingsremmer Celecoxib. “Deze drie producten alleen al hebben meer dan een half miljoen ton chemisch afval voorkomen”, aldus Dunn.

Creatieve chemie
Pfizer is niet de enige; binnen de farmaceutische sector is de concurrentie zo sterk dat niemand zich kan veroorloven de potentiële besparingen van de groene chemie te negeren. Van het overlegorgaan Pharmaceutical Roundtable, dat in 2005 voor het eerst bijeen kwam op initiatief van het instituut voor groene chemie van de Amerikaanse chemische vereniging, zijn nu veertien bedrijven lid die gezamenlijk academische onderzoek betalen en niet-concurrentiegevoelige informatie delen.

In 2002 introduceerde chemiereus Basf in het Duitse Ludwigshafen een proces dat op industriële schaal ionische vloeistoffen bij omgevingstemperatuur gebruikte voor de verwijdering van zure bijproducten uit een reactiemengsel – een veelvoorkomende productiestap die tot dan toe een stuk lastiger was geweest. Maar Basf’s enthousiasme voor groene chemie – zelf spreken ze over duurzame chemie – gaat verder, zegt Peter Licence, groene chemicus aan de universiteit van Nottingham, Engeland. “Je wordt gevoelig voor hoe chemische fabrieken in elkaar steken”, zegt hij. “Ze hebben een geïntegreerd reactiesysteem waarvan de producten en de halfproducten de grondstoffen zijn voor de fabriek van de buren.” Ook zijn de fabrieken ontworpen op maximaal energetisch rendement. “Afvalwarmte van het ene proces zorgt voor de opwarming van de grondstoffen van een volgend proces.”

Maar de omvangrijke ombouw die ervoor nodig was maakt ook duidelijk waarom andere producenten in de bulkchemie relatief terughoudend zijn met de vergroening. Bulkbedrijven hebben vaak hun processen al geoptimaliseerd met E-factoren in de buurt van 1 tot 5. Hoewel het mogelijk is om nog veel lager te gaan – E-factoren in de petrochemische industrie liggen in de buurt van 0,1 – is dat niet altijd economisch haalbaar. “Als je eenmaal een fabriek hebt, moet je de investering in dertig tot veertig jaar terugverdienen”, zegt Walter Leitner, verbonden aan de universiteit van Aken.

Groen is niet altijd lonend, zo ervoer ook het Britse chemiebedrijf Swan and Company in 2001. Swan presenteerde toen ‘s wereld eerste continue reactor met superkritisch kooldioxide als oplosmiddel. “Het leek alsof we de standaard in de industrie zouden verzetten”, zegt directeur Harry Swan. Maar zonder subsidies van de overheid kon de reactor niet goedkoper produceren dan de conventionele reactoren. En dus werd de opstelling stilgelegd, en wellicht binnenkort ontmanteld en afgevoerd.

Andere struikelblokken op de weg naar groene chemie zijn technisch van aard. Groene oplosmiddelen bijvoorbeeld werken ondanks decennia van onderzoek niet altijd beter dan gechloreerde oplosmiddelen. Ook kunnen chemici nog altijd niet zonder katalysatoren met dure of toxische metalen, hoewel Dunn daarover optimistisch is. Hij denkt dat vooruitgang in de enzymtechnologie non-toxische alternatieven zal opleveren. Ook de productie van bulkchemicaliën uit biomassa in plaats van fossiele olie vormt nog een grote uitdaging. “Het is een totaal andere benadering van de chemische synthese”, zegt Leitner die stelt dat de conventionele benadering wordt omgedraaid. In plaats van te beginnen met een simpele koolwaterstof uit aardolie waar chemici zijgroepen aan toevoegen om moleculen van de gewenste eigenschappen te voorzien, beginnen chemici vanuit biomassa met een ongelofelijk complex mengsel van biomoleculen waar ze stukken van af moeten knippen om tot het gewenste resultaat te komen.

Anderen zeggen dat de omschakeling naar groene chemie vooral een kwestie van mentaliteit is, en een gevolg van de opleiding. “In de Verenigde Staten worden chemici grondig getraind in de chemie, maar ze horen niets over productontwerp of levenscycli van producten”, aldus Beckman. Of, zoals Anastas zegt: “Op veiligheidscursus leren ze ‘draag je bril en jas en blaas niets op – en als je dat toch doet: bel dit nummer.’ Maar ik denk niet dat dat hetzelfde is als de gevolgen als intrinsiek deel van je werk te zien.”

Dat conservatisme in het curriculum weerspiegelt aardig de vaak negatieve reacties van academische scheikundigen over groene chemie. Vooral in de beginjaren werd de stroming als vaag en soft beschouwd, zegt Neil Winterton van de universiteit van Liverpool. Hij was een vroege criticaster van de beweging, waar hij nu meer begrip voor heeft. Het woord ‘groen’ deed vermoeden dat er een politieke correctheid achter zat, zegt hij. “Het had een meer fundamentele onderbouwing nodig om vast te stellen of de voorstellen nou wel of niet bijdroegen aan een verbeterd rendement van chemische processen.”

Sceptici vroegen zich hardop af of groene chemie niets meer was dan een trendy toverwoord om geld te krijgen voor onderzoek met twijfelachtige meerwaarde voor het milieu. “Het is iets dat het publiek kan bedotten, het kan andere wetenschappers bedriegen en wat nog veel, veel belangrijker is: het kan belangrijke beslissers voor het lapje houden”, geeft Licence toe.
De scepsis is nog niet verdwenen; het begrip ‘groene chemie’ kan in een groep chemici nog steeds diepe zuchten opleveren en wegdraaiende oogballen, zegt Warner. Maar het wantrouwen is verminderd naarmate er het onderzoek is verbeterd. Zo heeft de EPS een initiatief genomen om een barrière weg te nemen voor onderzoekers die een nieuw proces willen ontwerpen, maar niet weten of een bepaalde stof ‘groen’ is of niet. Niemand heeft tijd of geld gehad om alle toxiciteitgegevens te verzamelen. EPA heeft daarom een grootschalig screeningsprogramma opgezet onder de naam Toxcast. Binnen dit programma wordt de biochemische binding aan celreceptors onderzocht en vergeleken met duizend stoffen waarvan de toxiciteit bekend is. De gegevens geven een voorspelling van de giftigheid van een substantie zonder dat daar proefdieren voor gebruikt hoeven te worden.

Zo’n Toxcast analyse kost 20 duizend dollar per stof, vergeleken met zes miljoen dollar voor een dierproef, zegt Robert Kavlock, hoofd van EPA’s centrum voor computational toxicology in Research Triangle Park, North Carolina. Als deze modellen betrouwbaar genoeg gemaakt worden, dan kunnen we stoffen testen die te duur zijn voor dierproeven. Zo kunnen we bedrijven laten kiezen voor stoffen waarmee ze hun processen kunnen vergroenen.
Nu Anastas hoofd onderzoek bij EPA is, probeert hij de groene chemie gedachte in de verschillende laboratoria te verspreiden. In plaats van regulieren en verbieden zou EPA de productie zo moeten sturen dat gevaarlijke stoffen er niet of nauwelijks meer aan te pas komen. Of zoals EPA-chef Lisa Jackson zegt: “Het verschil tussen het behandelen van een ziekte en het bevorderen van gezonde leefstijl.”

Als die mentaliteitsverandering er door komt zal dat een seismische schok zijn binnen het agentschap – “de bekroning van al het werk binnen mijn loopbaan”, aldus Anastas. Maar tegelijk is het ook slechts het begin. “Het ultieme doel van de groene chemie is vergeten te worden, simpelweg omdat iedereen het zo doet. Groene chemie moet een tweede natuur worden, de standaardmanier.”

De twaalf principes van de groene chemie:

1. Beperk de vervuiling bij de bron (liever dan op een later moment het afval te verwijderen)
2. Optimaliseer de opname van alle bestanddelen in het chemische bereidingsproces in het gereed product
3. Ontwikkel minder risicovolle chemische bereidingsprocessen
4. Ontwikkel veiligere chemische producten (efficiënt en minder giftig)
5. Beperkt het gebruik van oplosmiddelen
6. Beperk het energiegebruik
7. Gebruik hernieuwbare grondstoffen (die je weer opnieuw kunt maken) in plaats van fossiele materialen
8. Verminder afgeleiden die afval kunnen geven.
9. Gebruik katalysatoren, want de aanwezigheid van katalytische energie geeft energiebesparing, verminderde reactietijd en geeft minder afval
10. Ontwikkel substanties en houd daarbij hun ultieme afbraak in gedachten
11. Ontwikkel realtime analysemethoden om vervuiling te voorkomen
12. Ontwikkel veilige chemie om ongelukken te voorkomen.

Met toestemming overgenomen uit Nature, 6 januari 2011 in het kader van 2011, het jaar van de chemie. Oorspronkelijke titel ‘It’s not easy being green’.
Vertaling: Jos Wassink.