Nachhaltigkeit im Labor

Im Supermarkt oder Zuhause denken wir öfter darüber nach, wie wir uns umweltverträglich verhalten können, nicht selten dadurch motiviert, dass wir unseren eigenen Geldbeutel schonen möchten. Darüber, wie wir Nachhaltigkeit im Labor umsetzen können, denken hingegen die wenigsten von uns nach. Aber auch hier gibt es Potential, um den Verbrauch von Energie und andernen Ressourcen zu reduzieren. Und immerhin möchten wir, dass auch zukünftige Generationen mindestens genauso gut wie wir leben können.

Bei Nachhaltigkeit geht es im Grunde darum, Ressourcen schonend zu verbrauchen, ohne sie vollständig zu zerstören, sondern sie für die Zukunft zu erhalten.

Um welche Ressourcen geht es konkret? Ein prominentes Modell, das regelmäßig herangezogen wird, ist das Drei-Säulen-Modell der nachhaltigen Entwicklung.^[1] Dabei wird den Bereichen Ökonomie, Soziales und Ökologie die gleiche Bedeutung und Gewichtung zugeordnet.

Die verschiedenen Nachhaltigkeitsbegriffe besitzen keine starre Definition, aber grob kann man sie folgendermaßen erklären: Ökologische Nachhaltigkeit bedeutet in erster Linie Schonung statt Ausbeutung der Umwelt und ihrer Ressourcen. Unter ökonomischer Nachhaltigkeit versteht man maximalen Gewinn zu erzielen, ohne dass dabei eingesetzte Ressourcen (bspw. Kapital, Geräte, Rohstoffe oder Arbeitskraft) dauerhaft verbraucht werden. Also bedeutet nachhaltiges Wirtschaften so zu wirtschaften, dass dies theoretisch immer weiter betrieben werden kann. Soziale Nachhaltigkeit besteht in der Vermeidung von sozialem Konfliktpotential durch nicht-irreversible Veränderungen an der Welt, vor allem keine Veränderungen, die zum Nachteil zukünftiger Generationen sind. Im weiteren Sinne wird der Begriff auch häufig für soziale Verantwortung und Engagement eines Unternehmens verwendet, wobei häufig von Corporate Social Responsibility, kurz CSR, gesprochen wird.

Hier das perfekte Mittelmaß zu finden, ist die generelle Herausforderung für ein Unternehmen, das nachhaltig wirtschaften möchte. Das gilt aber nicht nur für ein chemisches Unternehmen insgesamt, sondern auch im Kleinen für das Labor. In der Regel wird dabei in Deutschland sehr viel Wert auf Wirtschaftlichkeit und auf soziale Aspekte gelegt, während der Bereich Ökologie häufig weniger Beachtung findet.

Ursprünglich wurde der Begriff Nachhaltigkeit in Bezug auf ressourcenschonende Waldnutzung eingeführt.^[2] Auch heute noch wird Nachhaltigkeit oft mit Umweltbewusstsein gleichgesetzt. In diesem Artikel geht es deshalb hauptsächlich um ökologisches Handeln. Dennoch ist es wichtig, wenn man ökologisch wirtschaften möchte, auch die anderen beiden Säulen nicht zu vernachlässigen.

Unter diesem Aspekt wird im Labor wie in der chemischen Industrie gerne der Begriff „Green Chemistry“ oder auf Deutsch „Grüne Chemie“ verwendet, was ein sehr breites Spektrum an Entwicklungen und Maßnahmen beinhaltet. Wir möchten einen Überblick geben und zu Denkanstößen motivieren.

1. Reduktion des Ressourcenverbrauchs

In der heutigen Konsumgesellschaft gehen wir oft nicht sonderlich achtsam mit unseren Ressourcen um. Einsparungen verschiedenster Art reduzieren aber nicht nur nachhaltig die Kosten, sondern schonen auch die Umwelt. Besonders effektiv gelingt dies, wenn es um das Einsparen von Enerige geht.

Ein guter erster Ansatzpunkt, um die Nachhaltigkeit im Labor zu verbessern, ist daher der Energieverbrauch der Geräte. Ähnlich wie bei einem Gerät im Haushalt kann man bei Elektrogeräten, wie Kühlschränken und Abzügen, schon bei der Anschaffung der Geräte auf einen niedrigen Energie- und Stromverbrauch achten. Zusätzlich kann natürlich auch bei der Verwendung der Elektrogeräte selbst Strom und Energie gespart werden. Beispielsweise sollte man eine Scheibe eines Laborabzuges natürlich möglichst komplett oder weitestgehend geschlossen halten, da dies die Arbeitssicherheit erhöht. Ein schöner, kaum erwarteter Nebeneffekt ist, dass dies den Stromverbrauch der Labore deutlich senkt.^[3]

Ein weiteres Optimierungspotential besteht beim Betrieb von Labor-Gerät wie Trockenschränken. Kann eventuell die Verwendungsdauer und/oder die Temperatur reduziert werden? Selbstverständlich sind auch nachhaltige Energiespartipps, die wir von zu Hause kennen, auf das Labor übertragbar. Beispiele, um Energie zu sparen, sind die Beleuchtung auszuschalten, wenn man aus dem Raum geht, oder regelmäßiges Abtauen von Kühlschränken.

Der Nutzen von Wassersparmaßnahmen, um den Verbrauch zu senken, ist heute umstritten, da in Deutschland keine Wasserknappheit herrscht. Vielmehr wird durch den allgemein geringen Wasserverbrauch der Keimbildung in den Abwasserrohren Vorschub geleistet, was zu Verstopfungen führen kann. Durch erhöhte Instandhaltungskosten der Rohre steigt dann folgerichtig der Wasserpreis.^[4]

Auch wenn es in Deutschland schon fast Volkssport ist und es natürlich im Unternehmen auch Kosten auf nachhaltige Art spart, den Wasserverbrauch zu reduzieren, ist es genauso wichtig, darauf zu achten, was mit dem Abwasser in die Kanalisation gelangt. Durch vorgereinigtes, „sauberes“ Abwasser verstopfen die Rohre weniger, der Aufbereitungsaufwand im Klärwerk sinkt und die Umweltbelastung ebenso.

Auch die Reduzierung von Verbrauchsmaterialien, wie von Einweg-Kunststoffartikeln, ist ein Punkt, der bei genauem Hinsehen meist optimiert werden kann, wofür die gründliche Versuchsplanung hilfreich sein kann. Zum Beispiel lassen sich durch verringerte Ansatzgrößen oder kleinere Analysenproben erhebliche Mengen an Verbrauchsmaterialien sowie Chemikalien einsparen.

2. Wiederverwendung von Ressourcen

Neben der exakten Versuchsplanung kann der Abfall an Einwegartikeln auch dadurch reduziert werden, dass bestimmte Produkte mehrfach verwendet werden. Natürlich muss in einem chemischen Labor, auch Lab abgekürzt, die Sicherheit an allererster Stelle stehen und keinesfalls soll dazu motiviert werden, kontaminierte Einweghandschuhe wiederzuverwenden. Dennoch verbrauchen wir im Labor oft zu viele Einwegartikel.

Zentrifugenröhrchen oder Pipettenspitzen lassen sich kaum durch andere Materialien ersetzen. Dennoch lohnt es sich darüber nachzudenken, weniger Einwegartikel einzusetzen und stattdessen gleichfunktionierende Artikel aus Glas oder Kunststoff zu verwenden, die gereinigt und mehrmals verwendet werden können. Dabei haben Kunststoffartikel den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu Glas nicht zerbrechen können, was in einem Labor ein wichtiger Sicherheitsaspekt ist.

Allerdings werden bei der Reinigung auch wieder Ressourcen verbraucht. Deshalb ist hier eine gründliche Abwägung nicht nur empfehlenswert sondern auch notwendig.

3. Recycling statt Wegwerfen

Die Vermeidung von Abfall ist logischerweise umweltschonender als jedes Recycling. Aber Abfall lässt sich nicht immer vermeiden. Im Haushalt gibt es die Möglichkeit, Plastikverpackungen in den gelben Sack bzw. in die gelbe Tonne zu geben, um sie so dem Recycling zuzuführen. Laborabfälle, auch wenn sie aus Kunststoff bestehen, dürfen auf keinem Fall so entsorgt und als Restmüll abgegeben werden. Die meisten Laborabfälle sind immer teuer zu entsorgender Sondermüll. Auf der anderen Seite entsteht auch im Labor Abfall, der potentiell recycelt werden könnte. In Deutschland findet man dazu kaum Möglichkeiten, während es in anderen Ländern, wie den USA, bereits Programme gibt, die solche Abfälle annehmen und recyclen.

So sind denn auch Einweg-Laborartikel aus recyceltem Kunststoff am Markt nicht zu finden, was auch verständlich ist, denn die Reinheits-Vorgaben für Kunststoffprodukte, vor allem für den Medizinbedarf und die Analytik, sind sehr hoch und können deshalb von nicht-recyceltem Kunststoff kaum erfüllt werden. Deshalb wird nach unserem Wissen bis heute kein Recyclingplastik für relevante Laborartikel eingesetzt. Lediglich einfache nachhaltige  Artikel, wie Reagenzglasständer und anderen Haltungen für den Laborbedarf, sind aus recycelten Kunststoffen im Handel erhältlich.

Ein anderer, weit verbreiteter Werkstoff im Labor ist Borosilikatglas. Glasbruch aus diesem speziellen Laborglas darf nicht im normalen Glasmüll entsorgt werden, da Borosilikatglas einen sehr hohen Schmelzpunkt hat, was zu Problemen beim Einschmelzen führt. In Deutschland scheint Laborglas generell nicht recycelt zu werden. Allerdings lohnt es sich manchmal, vor allem bei teureren Artikeln, die Möglichkeit der Reparatur durch einen Glasbläser in Betracht zu ziehen.

In einem Labor entstehen auch mehr oder minder große Mengen an Lösemittelabfällen, die großenteils redestilliert werden können, statt durch Verbrennung entsorgt zu werden.

Es gibt auch in Deutschland Unternehmen, die diesen Service anbieten. Bei entsprechend hohem Aufkommen kann sich auch die Anschaffung einer eigenen Destillationsanlage lohnen. Wenn die Lösemittel nicht verbrannt werden, entstehen auch kein Treibhausgas CO₂ und andere, teilweise umweltschädigende Verbindungen.

4. Chemische Synthesen nachhaltig optimieren

Unter dem Schlagwort „Green Chemistry“ werden auch in wissenschaftlichen Publikationen häufig Reaktionen und Synthesen beschrieben, die möglichst umweltfreundliche Ausgangssubstanzen einsetzen und grundsätzlich versuchen, die Synthese so nachhaltig wie möglich zu gestalten.

Auf das Finden von möglichst nachhaltigen Lösemitteln wird in  der „Grünen Chemie“ großen Wert gelegt. Lösemittel stellen normalerweise einen erheblichen Teil eines chemischen Syntheseansatzes dar. Vor allem die dafür häufig eingesetzten chlorierten Lösemittel und cyclische Kohlenwasserstoffe sind im hohen Maße umweltschädlich. Eine gute Hilfe für die Auswahl von Lösemitteln sind die „Green Solvent Selection Guides“, wobei der folgende Open Source Artikel eine gute Übersicht bietet: https://sustainablechemicalprocesses.springeropen.com/articles/10.1186/s40508-016-0051-z

Die eingesetzten Reaktanten (Edukte) entstammen idealerweise nachwachsenden Ausgangsmaterialien. Ob ein Material als „nachwachsend“ deklariert werden kann, ist nicht nur eine philosophische, sondern in erster Linie eine pragmatische Frage, die sich an der Zeitspanne orientiert, während der es sich auf natürlichem Weg reproduziert. In der Regel nimmt man dafür grob zwei Menschenleben an, also 100 bis 150 Jahre. Stoffe, die aus Erdöl hergestellt werden, sind also nicht aus nachwachsendem Rohstoff und damit auch nicht nachhaltig produziert, da die Entstehung von Erdöl viele Millionen Jahre gedauert hat und nach menschlichem Ermessen kaum zu erwarten ist, dass sich der Prozess jemals wiederholt.

Substanzen aus gegenwärtiger Biomasse, wie Holz, Getreide oder nicht mehr anders verwertbaren tierischen und pflanzlichen Rückständen, sind hingegen aus nachwachsendender Quelle.

Das hört sich natürlich erst einmal sehr abstrakt an, da wir uns meist keine Gedanken darüber machen, welche Ausgangsstoffe unseren Edukten zugrunde liegen. Ein konkretes Beispiel ist 2-Methyltetrahydrofuran statt Tetrahydrofuran als Lösungsmittel einzusetzen. 2-Methyltetrahydrofuran besitzt sehr ähnliche Eigenschaften wie Tetrahydrofuran, kann es also meist ersetzen, wird aber aus Biomasse hergestellt.^[5]

Bei den Produkten einer chemischen Synthese ist es das Ziel, Stoffe zu erhalten, die durch Photodegradation, Hydrolyse oder auf biologischen Wegen abbaubar sind. Idealerweise sind die Stoffe ausreichend stabil für ihre Anwendung und zersetzen sich, nachdem sie nicht mehr benötigt werden.

Ein weiterer wichtiger Ansatzpunkt bei chemischen Synthesen ist der Einsatz von selektiven Katalysatoren statt stöchiometrisch eingesetzter Reagenzien. Das reduziert deutlich die Anzahl der Nebenprodukte und damit die Menge des entstandenen Chemikalienabfalls. Generell ist es sinnvoll, möglichst wenige Schritte und Derivatisierungen durch selektive Reaktionen durchzuführen, da mit jedem Schritt wiederum Chemikalien und allgemeine Ressourcen, wie Energie, verbraucht werden.

Weiter oben wurde schon angesprochen, wie Elektroenergie im Labor  eingespart werden kann. Für die meisten chemischen Reaktionen wird elektrischer Strom zum Erwärmen benötigt, da sie meist nur bei höheren Temperaturen ablaufen. Hierfür alternative Reaktionen zu suchen, die nahe der Raumtemperatur stattfinden, ist eine zusätzliche Option für die Ressourcenschonung.

Besonders wenn es darum geht, im Labor chemische Reaktionen für das Scale-Up auf Industriemaßstab zu konzipieren, ist eine Optimierung der eingesetzten Ressourcen nicht nur im Hinblick auf die Nachhaltigkeit von Vorteil, sondern auch im Hinblick auf die Kostenoptimierung sinnvoll.

Viele der hier kurz erläuterten Punkte sind in den 12 Prinzipien der „Grünen Chemie“ zusammengefasst, die 1998 von Paul Anastas und John Warner veröffentlicht wurden und seitdem hohe Anerkennung gefunden haben.^[6]

Abschließend kann man sagen, dass sich die Analyse sämtlicher Ressourcen und das Aufspüren von Einsparpotentialen aus ökologischer, aber auch aus ökonomischer Sicht und im Hinblick auf die Arbeitssicherheit lohnen kann.  Die Prinzipien der „Grünen Chemie“ helfen dabei, sich bei diesem komplexen Thema der Nachhaltigkeit im Labor zurechtzufinden, denn vielmals ist es nicht eindeutig, welche Option tatsächlich eine nachhaltigere Lösung bedeutet.

Quellen (Stand: 11.10.2018):
[1] https://www.nachhaltigkeit.info/artikel/1_3_a_drei_saeulen_modell_1531.htm
[2] http://webarchiv.bundestag.de/archive/2008/0506/wissen/analysen/2004/2004_04_06.pdf
[3] https://wcec.ucdavis.edu/wp-content/uploads/2014/06/Case-Study-SASH_Final.pdf
[4] http://www.zeit.de/2012/14/Wasserversorgung
[5] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.201100780
[6] https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry/what-is-green-chemistry/principles/12-principles-of-green-chemistry.html