Teksti Sisko Loikkanen, kuvat Istock
Miten kemistit voivat tehdä työnsä säästäen ympäristöä ja rahaa – jopa täysin turvallisesti? Amerikkalaiset tutkijat kertoivat vastauksen 25 vuotta sitten. Toteutus vaatii edelleen kovia ponnisteluja.
Amerikkalaiset Paul Anastas ja John Warner julkaisivat vihreän kemian periaatteet vuonna 1998 ilmestyneessä kirjassaan Green Chemistry: Theory and Practice.
Periaatteita on kaksitoista, ja niistä on tullut laajasti hyväksytty ohjeisto, jota kemistit pyrkivät noudattamaan moderneja synteesejä eli valmistusmenetelmiä suunnitellessaan.
Vihreän kemian periaatteet käsittelevät kemiallista valmistusta aina lähtöaineiden valinnasta tuotteisiin ja tuotteen elinkaaren loppuvaiheisiin. Kun periaatteita noudattaa oikein, kemiaa voi tehdä ympäristöä ja kustannuksia säästäen ja turvallisesti.
Aiemmin vihreää ohjeistoa ei ollut listattu näin täsmällisesti. Ohjeet tulivat todelliseen tarpeeseen, kun ympäristöongelmat tiedostettiin yhä paremmin.
”Paul Anastas kuvaili kerran tavatessamme, että kestävä kehitys on päämäärä, jonka toteuttamiseen vihreä kemia tarjoaa menetelmät ja työkalut”, epäorgaanisen kemian professori Timo Repo kertoo. Revon tutkimusaloja Helsingin yliopistossa ovat katalyytit ja vihreä kemia.
Nykyisin vihreän kemian periaatteet ovat ohjenuorana, kun vanhoja prosesseja uudistetaan ja uusia kehitetään. Oikealla tavalla toteutettu vihreys tuo yrityksille säästöjä ja myös voittoja, koska vihreydestä on tullut kilpailuvaltti.
Periaatteet ovat kunnossa, toteutus vaatii ponnistelua.
Atomiekonomia kunniaan
Vihreän kemian tavoitteisiin kuuluu, että reaktion lähtöaineet ja tuotteet ovat vaarattomia. Yhdisteet eivät saa olla myrkyllisiä tai haitallisia ihmiselle, eläimille tai ympäristölle.
”Kukaan ei halua, että tuotteet aiheuttavat vaaraa käyttäjille tai ympäristölle. Tutkijat etsivätkin innokkaasti yhä kestävämpiä ja vaarattomampia ratkaisuja”, Repo selittää.
Kemiallisissa reaktioissa tavoitteena on atomiekonomia. Kemistit siis etsivät sellaisia reaktioita, joissa lähtöaine reagoi mahdollisimman täydellisesti halutuksi tuotteeksi.
Atomiekonomiaan ei aiemmin kiinnitetty samassa määrin huomiota, vaikka teollisuudessa on aina pyritty etsimään mahdollisimman taloudellisia valmistusmenetelmiä. Atomiekonomia on haasteellista, koska synteeseissä syntyy usein päätuotteen lisäksi turhia sivutuotteita.
”Atomiekonomia on jo korkea joissakin ihannereaktioissa, kuten muovien valmistukseen käytetyn akryylihapon synteesissä eteenistä ja hiilidioksidista. Useimmiten atomiekonomian optimaalisesta toteutumisesta ollaan vielä kaukana.”
”Yksi vaihtoehto liuottimille on mekanokemia. Reaktio tapahtuu kuulamyllyssä ilman liuotinta.”
Vähemmän kemikaaleja
Reaktiot pyritään suunnittelemaan siten, että turhia kemikaalilisäyksiä ei tarvita. Niinpä vihreässä kemiassa ei suosita suojaryhmiin tai muihin apuaineisiin perustuvia reaktioita, koska ne lisäävät kemikaalikulutusta ja jätettä.
”Varsinkin lääketeollisuudessa on kiinnostusta reaktioaskeleiden minimoimiseen. Tunnetun särkylääkkeen ibuprofeenin valmistus on onnistunut esimerkki. Aiemmassa menetelmässä oli kuusi synteesivaihetta, ja reaktion saanto ja atomitehokkuus olivat vaatimattomia. Nykyinen palkittu kolmivaiheinen synteesi on tehokkaampi ja kemikaaleja säästävä.”
Miten korvata liuottimet?
Varsinkin orgaanisten yhdisteiden valmistuksessa tarvitaan liuottimia. Vihreässä kemiassa liuottimia pyritään välttämään. Ei-toivottuja ovat varsinkin terveydelle vaaralliset liuottimet ja sellaiset, jotka sisältävät halogeeneja. Niiden sijasta suositaan asetonia, etanolia ja etyyliasetaattia.
Nykyisin liuottimet merkitään värikoodeilla punaisesta pahiksesta aina puhtaimpaan vihreään vaihtoehtoon.
”Eräs sveitsiläinen lääketehdas ei ota prosessikehitykseen ollenkaan sellaista valmistusmenetelmää, jossa voidaan käyttää vain punaisella koodattua liuotinta”, Repo kertoo.
Paras ratkaisu olisi valmistus ilman liuottimia, mutta onko se mitenkään mahdollista?
”Kyllä se on mahdollista. Tavanomaisten synteesimenetelmien lisäksi voidaan tehdä niin sanottua mekanokemiaa, jossa reaktio tapahtuu kuulamyllyssä ilman liuotinta. Tällä menetelmällä voidaan valmistaa vaikkapa organometallikatalyyttiä siten, että metallikompleksia ja orgaanista ligandia laitetaan kuulamyllyyn, ja kineettistä energiaa käyttäen ligandi kiinnitetään metalliatomiin kemiallisella sidoksella”, Repo sanoo.
Katalyytit keskiöön
Katalyytit ovat yleisiä kemian teollisuudessa. Noin 90 prosenttia kemikaaleista valmistetaan tällä hetkellä katalyyttien avustamissa reaktioissa.
”Katalyytit ovat myös kestävän kemian ytimessä. Ne alentavat siirtymätilan energiaa, nopeuttavat reaktiota ja mahdollistavat tehokkaat valmistusprosessit uusiutuvista raaka-aineista. Tutkijat etsivät nyt aivan uudenlaisia ideoita entistä paremmiksi katalyyteiksi”, Repo kertoo.
Hän tutkii itsekin ryhmineen uudenlaisia katalyyttejä muun muassa tehtaan piipusta talteen otetun hiilidioksidin jalostamiseen kemikaaleiksi.
Turhat jätteet pois,
biojätteet raaka-aineeksi
Vihreässä kemiassa pyritään kaikin tavoin välttämään jätteiden syntymistä. Vielä muutamia vuosikymmeniä sitten jätteiden tuottaminen oli hyväksyttävämpää.
Jätteitä haudattiin maahan tai upotettiin mereen. Luonto ei sellaista kuitenkaan kestä, ja nykyisin jätteitä käsitellään jätteenkäsittelylaitoksissa.
”Jäte on kallista, samoin sen hävittäminen. Jos jätteen syntymistä voidaan välttää, säästetään kustannuksissa”, Repo muistuttaa.
Toisaalta teollisuuden ja maatalouden biojäte ovat erinomaista raaka-ainetta kemian teollisuudelle, jossa raakaöljyyn perustuvista prosesseista pyritään eroon.
Pelto-olki, metsäteollisuuden sivuvirrat ja muu biojäte voidaan jalostaa kemikaaleiksi, ja niiden prosessointia tutkitaan runsaasti.
Elinkaari kohti biohajoamista
Vihreässä kemiassa koko tuotteen elinkaari pyritään suunnittelemaan alusta loppuun.
”Haasteena on, että tuote saadaan
toimimaan niin kauan kuin on suunniteltu. Ideaalitapauksessa tuote biohajoaa käytön jälkeen luonnon omiksi aineiksi turvallisesti eikä jätettä synny ollenkaan”, Repo sanoo.
Energiankulutusta prosessissa pyritään minimoimaan välttämällä korkeita lämpötiloja ja paineita.
Vihreän kemian periaatelistaan kuuluu prosessien reaaliaikainen valvonta. Kun prosessia seurataan reaaliaikaisin mittauksin, reaktiot toimivat tehokkaasti. Häiriötilanteisiin voidaan puuttua nopeasti ja onnettomuuksilta vältytään. ■
Lue lisää: Suomi uhkaa jäädä jalkoihin vihreän siirtymän kilpajuoksussa
Ennen vihreää kemiaa
- Ei tarkkaa atomiekonomiaa, sivutuotteiden muodostuminen sallittu.
- Terveydelle haitalliset ja halogeenipitoiset liuottimet sallittuja.
- Korkeat paineet ja lämpötilat yleisiä.
- Jätteiden synty väistämätöntä.
Nyt: Vihreän kemian tavoitteet
- Turvalliset valmistusaineet, menetelmät ja tuotteet.
- Atomiekonomia, ei turhia sivutuotteita.
- Punaisella koodattuja liuottimia vältetään.
Lue lisää: Opiskelijakirjeenvaihtaja Aatu Kukkola: Vihreä siirtymä kiinnostaa
