E-Faktor

Grundidee und Definition

Der E-Faktor, kurz für Environmental Factor („Umweltfaktor“), ist eine metrische Größe der grünen Chemie. Er dient dazu, chemische Prozesse und Reaktionen im Hinblick auf ihre Nachhaltigkeit zu bewerten. Entwickelt wurde er Ende der 80er Jahre von Roger A. Sheldon. Er gilt als eine der flexibelsten und beliebtesten Kenngrößen zur Abschätzung der Umweltwirkung chemischer Herstellungsverfahren.

Der E-Faktor ist definiert als das Massenverhältnis des Abfalls zum gewünschten Produkt:

E = Gesamtmasse an Abfall / Gesamtmasse des Zielproduktes

Ein hoher E-Faktor bedeutet, dass im Verhältnis zum Produkt viel Abfall entsteht. Das weist auf größere negative Umweltauswirkungen und höhere ökologische sowie wirtschaftliche Kosten für die Entsorgung hin. Eine Reaktion oder Synthese mit großem E-Faktor gilt daher als „weniger grün“. Der ideale E-Faktor ist 0: Dann entsteht nur das gewünschte Produkt und kein Abfall.

Bei einer mehrstufigen Synthese wird der E-Faktor berechnet, indem die Gesamtmassen aller Abfallprodukte der einzelnen Stufen addiert und durch die Gesamtmasse des gewünschten Endprodukts geteilt werden. Im Artikel wird dafür eine generische Synthese beschrieben, in der nur R das gewünschte Produkt ist; die Nebenprodukte X, Y und Z zählen zum Abfall.

Bedeutung in der grünen Chemie

Der E-Faktor macht sichtbar, wie viel Abfall ein chemischer Prozess erzeugt. Damit unterstützt er eines der zwölf Prinzipien der grünen Chemie: die Vermeidung von Abfall. Nach diesem Prinzip ist es besser, Abfälle gar nicht erst entstehen zu lassen, als sie nachträglich zu behandeln oder zu beseitigen.

Ein Vorteil des E-Faktors ist, dass er leicht zu berechnen ist und eine schnelle Abschätzung der Abfallmenge ermöglicht. Deshalb wird er in der chemischen Industrie und besonders in der pharmazeutischen Industrie zur Bewertung von Herstellungsprozessen verwendet.

Typische E-Faktoren unterscheiden sich stark nach Industriebereich. In der Öl-Raffination liegt die Produktmenge bei etwa 10^6 bis 10^8 t, der E-Faktor bei <0,1. Bei Grundchemikalien beträgt die Produktmenge etwa 10^4 bis 10^6 t, der E-Faktor liegt bei <1 bis 5. Bei Feinchemikalien sind es etwa 10^2 bis 10^4 t Produkt und ein E-Faktor von 5 bis 50. Bei Arzneimitteln liegt die Produktmenge bei etwa 10 bis 10^3 t, der E-Faktor bei 25 bis 100.

Der E-Faktor steigt also von Grundchemikalien zu Feinchemikalien und Arzneimitteln deutlich an. Ein Grund dafür ist, dass Arzneimittel oft durch mehrstufige Synthesen hergestellt werden. Pharmaunternehmen betonen dabei, dass die absolute Abfallmenge wegen der viel kleineren Produktionsmengen geringer sei als bei Grundchemikalien. Die hohen E-Faktoren bei Feinchemikalien und Arzneimitteln hängen außerdem mit der häufigen Verwendung klassischer stöchiometrischer Reagenzien zusammen. Stöchiometrische Reagenzien werden in festen Mengen verbraucht, während Katalysatoren Reaktionen ermöglichen oder beschleunigen, ohne in gleicher Weise verbraucht zu werden.

Beispiel Ethylenoxid

Ethylenoxid ist eine organische Grundchemikalie und wird in großem Maßstab hergestellt. Gerade bei solchen Verfahren ist es wichtig, möglichst wenig Abfall zu erzeugen.

Das historische Verfahren zur Herstellung von Ethylenoxid war das Chlorhydrin-Verfahren. Dabei wurde Ethylen zuerst mit Chlor in wässriger alkalischer Lösung, also mit hypochloriger Säure, zu Ethylenchlorhydrin umgesetzt. Danach reagierte Ethylenchlorhydrin mit Calciumhydroxid zu Ethylenoxid. Nachteile waren eine beträchtliche Abwasserbelastung mit Chloriden und die Bildung von Halogenkohlenwasserstoffen, zum Beispiel 1,2-Dichlorethan, als Nebenprodukte. Die vereinfachte Gesamtgleichung lautet:

2 C2H4 + 2 HOCl + Ca(OH)2 -> 2 H2O + CaCl2 + 2 C2H4O

Für die Beispielrechnung wird die Masse des gewünschten Produkts Ethylenoxid auf 1000 g gesetzt und eine Ausbeute von 100 % angenommen. Als Abfall entstehen in der Rechnung 409,08 g Wasser und 1259,70 g Calciumchlorid. Daraus ergibt sich:

E_alt = (409,08 g + 1259,70 g) / 1000 g = 1,67

Das historische Verfahren erzeugt also viel Abfall.

Die moderne großtechnische Herstellung von Ethylenoxid erfolgt heute ausschließlich durch katalytische Oxidation von Ethen mit Sauerstoff. Als Katalysator wird fein verteiltes Silberpulver verwendet, das auf einem anorganischen, oxidhaltigen Träger aufgebracht ist, bevorzugt Aluminiumoxid. Die vereinfachte Reaktion lautet:

2 C2H4 + O2 -> 2 C2H4O

Auch hier wird für die Rechnung 1000 g Ethylenoxid und eine Ausbeute von 100 % angenommen. Da in dieser idealisierten Gleichung kein Abfall entsteht, gilt:

E_neu = 0 g / 1000 g = 0

Der theoretische E-Faktor der modernen Ethylenoxid-Synthese beträgt also 0. Das passt zu den typischen E-Faktoren von Grundchemikalien, die im Bereich <1 bis 5 liegen.

Beispiel Phenol

Phenol wird industriell durch das Cumolhydroperoxid-Verfahren hergestellt, das auch Phenolsynthese nach Hock oder Hock-Verfahren genannt wird.

Bei diesem Verfahren entsteht neben Phenol auch Aceton. Für die Berechnung im Artikel wird zunächst angenommen, dass Aceton als Abfall gilt. Die vereinfachte Reaktion wird mit Benzol, Propen und Sauerstoff als Ausgangsstoffen dargestellt:

C6H6 + C3H6 + O2 -> C3H6O + C6H6O

Dabei ist C6H6O das gewünschte Produkt Phenol. Für die Rechnung wird wieder die Masse des gewünschten Produkts auf 1000 g gesetzt und eine Ausbeute von 100 % angenommen. Die Masse des als Abfall gezählten Acetons beträgt 617,15 g. Daraus ergibt sich:

E = 617,15 g / 1000 g = 0,62

Aceton lässt sich jedoch leicht vom Phenol trennen und ist ein Ausgangsstoff für zahlreiche Synthesen. Es kann daher weiterverkauft werden, was das Verfahren besonders wirtschaftlich macht. Wenn Aceton nicht als Abfall, sondern als wertvolles Produkt betrachtet wird, beträgt der E-Faktor 0.

Grenzen der Kennzahl

Der E-Faktor ist nützlich, aber er beschreibt komplexe chemische Prozesse nur in einem bestimmten Punkt. Deshalb hat er Grenzen.

Der theoretische E-Faktor und der praktische E-Faktor können deutlich voneinander abweichen. Für einen praktischen Wert ist eine experimentelle Durchführung notwendig.

Außerdem werden Lösungsmittel und Hilfsstoffe, zum Beispiel Filterhilfen, nicht mitgerechnet, auch wenn sie später als Abfall enden. Ebenfalls nicht erfasst werden die E-Faktoren der Herstellung der Reaktanten beziehungsweise Ausgangsstoffe sowie die Logistik, etwa der Transport ins Werk.

Eine weitere Besonderheit betrifft Wasser: Der E-Faktor schließt automatisch das Wasser aus, das im Prozess verwendet wird. Wasser, das während des Prozesses gebildet wird, wird dagegen nicht automatisch ausgeschlossen.