Зеленая химия и лин производство Green Chemistry

 "Лучшие химики мира занимаются «зеленой» химией,
 потому что «зеленая» химия – это просто часть
 занятий хорошей химией"
         Анастас, Уорен - один из основоположников ЗХ

"Массовое производство и потребление синтетических
 лекарств приводит к образованию значительного
 количества отходов от этих медикаментов, попадающих
 в сточные и грунтовые воды, эффективно превращая
 нашу экосистему в токсичную выгребную яму" [18]
 
"Если вы делаете все так, как привыкли,
 то и получите то, что обычно получаете"
 Е. С. Локтева и В. В. Лунин [1]

"Миссия Зеленой химии: пособствовать
 развитию инновационных химических
 технологий, направленных на снижение
 или отказ от использования или
 получения опасных веществ при
 разработке, производстве и применении
 химических продуктов" [22]

"Исследователи из Университета Джорджии
 научились электроны, освобожденные
 растениями от молекул воды при фотосинтезе,
использовать для получения электроэнергии" [23]

"Возникшее на рубеже веков направление
 «Зеленая химия» в числе прочего сосредоточилось
 на синтезе веществ (не только лекарств), не
 отягощенных балластом в виде второй молекулы
(энантиомеры)" [24]




В 90-е годы прошлого столетия возникло новое направление в прикладной химии, которое быстро развиватеся, - Зеленая химия (ЗХ). Создана Международная Зеленая ассоциация, проводятся национальные и международные конференции, выпускаются журналы и книги.  Зеленая химия – это разработка химических продуктов и процессов, которая снижает или исключает использование и/или производство опасных веществ, а также приводит к снижению общих затрат. Несомненно, ЗХ отвечает принципам бережливого производства.[4] Поэтому ЗХ можно также называть Бережливой химией (Лин химией) (Lean chemistry). ЗХ связана также с Зеленой экономикой [17] и Зеленой медициной [18]. 

 ЗХ исходит из 12 принципов Зеленой химии (А и Б), которые сформулировали П. Т. Анастас и Дж. С. Уорен в 1998 г. в  книге «Зеленая химия: теория и практика» (варианты А и Б) [5] [13]:

А
1. Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и чистить остатки.
2. Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.
3. Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.
4. Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.
5. Вспомогательные вещества при производстве, такие, как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.
6. Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.
7. Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.
8. Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т. д.).
9. Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).
10. Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.
11. Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.
12. Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.

Б. PRODUCTIVELY:
P - prevent wastes (предупредить потери),
R - renewable materials (возобновляемые материалы и сырье),
O - omit derivatization steps (исключить побочные реакции),
D - degradable chemical products (разлагающиеся химические продукты),
U - use safe synthetic methods (использовать безопасные синтетические,  методы)
C - catalytic reagents (использование катализаторов),
T - temperature, pressure ambient (использование нормальных температуры и давлений),
I - in process monitoring (мониторинг процесса),
V - very few auxiliary substances (как можно меньше вспомогательных веществ и растворителей),
E - E-factor, maximize feed in product (максимальный выход продукта),
L - low toxicity of chemical products (низкая токсичность химических продуктов),
Y - yes, it is safe (да, процесс безопасен).

 Е. С. Локтева, В. В. Лунин.  добавили 13-ый принцип [1]:
13. Если вы делаете все так, как привыкли, то и получите то, что обычно получаете.





 
Критерии ЗХ:  Е-фактор и Атомная эффективность (Метрика зеленой химии по Роджеру Артуру Шелдону):
1. Е-фактор – это отношение массы всех получившихся в реакции побочных продуктов к массе целевого продукта. Самый низкий Е-фактор у нефтепродуктов – 0,1, а самый высокий у лекарств - 25-100 и более.
2. Атомная эффективность – отношение молярной массы целевого продукта к сумме молярных масс всех остальных продуктов в стехиометрическом уравнении. Чем ближе атомная эффективность к 100%, тем более зеленой является данная реакция.

Направления ЗХ [10]:
   1) новые пути синтеза (часто это реакции с применением катализатора);
   2) возобновляемые исходные реагенты (то есть полученные не из нефти);
   3) замена традиционных органических растворителей
 Катализаторы, особенно нанокатализаторы [12], дают высокую атомную эффективность, поскольку не приводят к образованию солей в качестве побочных продуктов. Характерным примером возобновляемого сырья служит биотопливо.Сверхкритический CO2 (scCO2) имеет почти такую же растворяющую способность, как гексан.

Примеры достижений ЗХ:
 [8]
* Профессор Кшиштоф Матышевски из Carnegie Mellon University разработал альтернативный процесс получения полимеров «Радикальная полимеризация с атомным переносом». В процессе применяют экологически безопасные химические вещества, например, аскорбиновую кислоту (витамин С) в качестве восстановителя, для процесса требуется меньшее количество катализатора.
* Новые краски, вместо обычных алкидных, разработали в сотрудничестве фирмы Procter & Gamble и Cook Composites and Polymers. Фирмы разработали инновационную краску Chempol® MPS, в которой в качестве растворителя применяли масло Sefose® на основе биологических продуктов – сахара и растительного масла. Это позволяет получить алкидные краски с очень хорошими потребительскими свойствами при использовании вдвое сниженного количества растворителей.
* Фирма Virent Energy Systems, Inc. разработала каталитический способ Virent's BioForming® производства бензина, дизельного или реактивного топлива на основе возобновляемого сырья – сахара, крахмала или целлюлозы растений. В этом способе большую часть энергии, требуемую для проведения процесса, получают также из биомассы
* При производстве косметики и других средств персонального ухода используют сложные эфиры. Обычно их получают с помощью жестких химических методов, в которых в качестве реагентов применяют сильные кислоты и опасные растворители, и требуются значительные затраты энергии. Фирма Eastman Chemical Company разработала новый способ с применением иммобилизованных ферментов, который позволяет избежать и избыточных затрат энергии, и опасных реагентов – сильных кислот и органических растворителей. Этот щадящий способ позволяет получать сложные эфиры, которые невозможно было получить ранее, из природного сырья.
[14]
*  Биотехнологические процессы.  Бактерии фирмы Lanza Tech успешно модифицированы с целью селективного производства бутанола, ацетона, изопропанола и янтарной кислоты из газов. Ферментация СО в топлива и химические продукты представляется эффективным технологическим решением утилизации оксида углерода с целью производства биотоплив. Поглощение и конверсия диоксида углерода в топлива также возможны при непрерывной ферментации.

* Лекарственных препаратов выпускается в мире более 200 тыс. Из потребление исчисляется миллионами тонн. В США, например,  только аспирина принимают  20-30 тонн в день (10 тыс. т. в год). Затем они через канализацию попадают в  водоемы. [21] Поэтому лекарственные препараты являются значительным источником загрязнения окружающей среды. [20]. Для предотвращения экологической катастрофы необходимо применить принципы зеленой химии при производстве и использовании лекарственных и гигиенических средства. 





 
Литература

1. Е. С. Локтева, В. В. Лунин. Прогресс науки и роль «зеленой химии» в современном мире
(http://www.greenchemistry.ru/education/files/lection.pdf)
13. Если вы делаете все так, как привыкли, то и получите то, что обычно получаете.



2. Anastas P.T. Green Solvents (Handbook of Green Chemistry) /Анастас П.Т.
 Зелёные растворители (Справочник по зелёной химии).- Wiley, 2010 ISBN 978-3-527-31574-1

3. ПОПУЛЯРНО О "ЗЕЛЕНОЙ ХИМИИ"
(http://www.greenchemistry.ru/popularization/index.htm)

4. Век бережливого производства
(http://proza.ru/2007/03/25-282)

5. P.T.Anastas, J.C.Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998, p.30

6.Роджер Артур Шелдон (Roger Arthur Sheldon)   Химические продукты на основе синтез-газа. 1987

7. НАВСТРЕЧУ "ЗЕЛЕНОЙ ЭКОНОМИКЕ": ПУТЬ К УСТОЙЧИВОМУ РАЗВИТИЮ И ИСКОРЕНЕНИЮ БЕДНОСТИ
при переходе к "зеленой экономике" мировая потребность в энергии сначала несколько увеличится, но к 2050 г., в основном благодаря существенному повышению энергоэффективности, вернется к нынешнему уровню - то есть будет на 40% меньше, чем в сценарии обычного развития. Связанные с энергетикой выбросы CO2 к 2050 г. сократятся на треть.

8. О ЗЕЛЕНОЙ ХИМИИ
(http://www.greenchemistry.ru/popularization/lokteva.htm)
Примеры достижений ЗХ:
* Профессор Кшиштоф Матышевски из Carnegie Mellon University разработал альтернативный процесс получения полимеров «Радикальная полимеризация с атомным переносом». В процессе применяют экологически безопасные химические вещества, например, аскорбиновую кислоту (витамин С) в качестве восстановителя, для процесса требуется меньшее количество катализатора.
* Новые краски, вместо обычных алкидных, разработали в сотрудничестве фирмы Procter & Gamble и Cook Composites and Polymers. Фирмы разработали инновационную краску Chempol® MPS, в которой в качестве растворителя применяли масло Sefose® на основе биологических продуктов – сахара и растительного масла. Это позволяет получить алкидные краски с очень хорошими потребительскими свойствами при использовании вдвое сниженного количества растворителей.
* Фирма Virent Energy Systems, Inc. разработала каталитический способ Virent's BioForming® производства бензина, дизельного или реактивного топлива на основе возобновляемого сырья – сахара, крахмала или целлюлозы растений. В этом способе большую часть энергии, требуемую для проведения процесса, получают также из биомассы
* При производстве косметики и других средств персонального ухода используют сложные эфиры. Обычно их получают с помощью жестких химических методов, в которых в качестве реагентов применяют сильные кислоты и опасные растворители, и требуются значительные затраты энергии. Фирма Eastman Chemical Company разработала новый способ с применением иммобилизованных ферментов, который позволяет избежать и избыточных затрат энергии, и опасных реагентов – сильных кислот и органических растворителей. Этот щадящий способ позволяет получать сложные эфиры, которые невозможно было получить ранее, из природного сырья.


9. Е.В.Голубина. ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
(http://www.greenchemistry.ru/popularization/golubina.htm)

10. Мартин Полякофф. ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ: ОЧЕРЕДНАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ? («Химия и Жизнь - XXI век»)
(http://www.greenchemistry.ru/popularization/polyakoff.htm)
 Научное направление "зелёная химия" возникло в 90-х годах XX века и  быстро нашло сторонников в химическом сообществе. Зелёная химия предполагает новую стратегию —  которая  исключает использование вредных веществ. В Ноттингемском университете впервые в мире начали читать курс по зелёной химии. Три направления зеленой химии
   1) новые пути синтеза (часто это реакции с применением катализатора);
   2) возобновляемые исходные реагенты (то есть полученные не из нефти);
   3) замена традиционных органических растворителей.
 Идею атомной эффективности Р. Шелдон выражал через Е-фактор, который показывает количество потерь на килограмм продукта. Атомная эффективность = Кол-во атомов в продукте х 100%/Кол-во атомов в исходных веществах Е-фактор : Нефтехимическая  -0,1, Крупнотоннажная основная химия  <1-5, Тонкая химия 5-50, Фармацевтическая 25–100+.

В нефтепроизводствах и крупнотоннажной основной химии почти 75% продуктов получены каталитическим методом. В каталитических процессах, как правило, степень использования исходного продукта довольно высокая. Например, при получении уксусной кислоты с помощью родиевого катализатора (технология „BP-Monsanto“) метанол расходуется на 100%: Полнота использования исходного вещества называется атомной эффективностью. Этот показатель можно использовать как меру "зелёности" химического производства.
  Растворители. Сверхкритический CO2 (scCO2) имеет почти такую же растворяющую способность, как гексан.

11. ЗЕЛЁHАЯ ХИМИЯ (АРХИВ ПРОГРАММЫ АЛЕКСАНДРА ГОРДОHА, 21.10.2002)
(http://www.greenchemistry.ru/popularization/gordon.htm)

12. Green chemistry by nano-catalysis
Обзор посвящен использованию нано-катализаторов для развития зеленой химии, включая стратегию использования микроволнового нагрева с нано-катализом в водных средах, что  дает синергетический эффект с большим потенциалом.

13. Поляков Мартин, Бурн Ричард. Зеленая химия 20 лет спустя. («ХиЖ», 2012, №10)
(http://www.hij.ru/read/articles/chemistry/1310/)
Определение зеленой химии: «Способ получения химических веществ, который уменьшает или исключает использование и производство опасных соединений».
П.Анастас и Дж.Уорнер сформулировали 12 принципов зеленой химии PRODUCTIVELY: P - prevent wastes (предупредить потери), R - renewable materials (возобновляемые материалы и сырье), O - omit derivatization steps (исключить побочные реакции),  D - degradable chemical products (разлагающиеся химические продукты),  U - use safe synthetic methods (использовать безопасные синтетические,  методы) , C - catalytic reagents (использование катализаторов),  T - temperature, pressure ambient (использование нормальных температуры и давлений),  I - in process monitoring (мониторинг процесса),  V - very few auxiliary substances (как можно меньше вспомогательных веществ и растворителей),  E - E-factor, maximize feed in product (максимальный выход продукта),  L - low toxicity of chemical products (низкая токсичность химических продуктов),  Y - yes, it is safe (да, процесс безопасен).

14. Стратегия развития «зеленой химии» представлена на IX Московском международном химическом саммите
значительный интерес, вследствие уникальной вариабельности, для развития зеленой химии представляют биотехнологические процессы. Так, бактерии фирмы Lanza Tech успешно модифицированы с целью селективного производства бутанола, ацетона, изопропанола и янтарной кислоты из газов. Ферментация СО в топлива и химические продукты представляется эффективным технологическим решением утилизации оксида углерода с целью производства биотоплив. Поглощение и конверсия диоксида углерода в топлива также возможны при непрерывной ферментации. В докладе рассматривались и каталитические процессы, в том числе процесс конверсии биогаза в синтез-газ.

15. Зеленая химия: очередная промышленная революция?
(12 принципов)

16. В. В. Лунин, Е. С. Локтева. «Зеленая» химия и устойчивое развитие нефтехимической и нефтегазовой промышленности.
"Зеленая химия - это любое усовершенствование химических процессов, которое положительно влияет на окружающую среду" Анастас, Уорен

17. Такая "зеленая" экономика
Термин «зеленая экономика» – это экономика, которая повышает благосостояние людей, обеспечивает социальную справедливость и при этом существенно снижает риски для окружающей среды и ее обеднения.

18. ЗЕЛЕНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В МЕДИЦИНЕ. ЧАСТЬ 1
Ларри Малерба (Larry Malerba), автор книги "Зеленая Медицина".
Массовое производство и потребление синтетических лекарств приводит к образованию значительного количества отходов от этих медикаментов, попадающих в сточные и грунтовые воды, эффективно превращая нашу экосмстему в токсичную выгребную яму.

19. Лекарственные препараты - список и применение 
NB!
Лекарственный препарат, называемый также лекарство, фармацевтический препарат или медикамент, можно примерно определить как любое химическое вещество, предназначенное к использованию по медицинскому диагнозу для лечения или предотвращения болезни. Слово фармацевтический происходит от греческого слова «Pharmakeia». Современная транслитерация слова – «фармация».
С 1990-х загрязнение воды фармацевтическими препаратами стало экологической проблемой, вызывающей тревогу. Большинство лекарственных препаратов поступает в окружающую среду за счет потребления и выделения человеком, и часто они плохо фильтруются на заводах очистки сточных вод, не предназначенных для подобной переработки.

20.    Принимаемые лекарства наносят серьезный вред экологии  NB!
 Мы неизбежно наносим урон экологии лекарствами – такой вывод содержится в масштабном исследовании, которое провели ученые из института экологической медицины при университете Туро в городе Хендерсон в американском штате Невада (Institute for Environmental Medicine at Touro University in Henderson, Nevada).
Следы химических соединений, входящих в состав противозачаточных таблеток, антидепрессантов, антибиотиков, гормональных препаратов и других лекарств, не только в природных водоемах (реки, озера, пруды), но также и в водопроводной воде.

21. Лекарства и лекарственная болезнь
80-х годах мировая фармацевтическая промышленность производила уже более 100 000 различных лекарственных препаратов. Некоторые специалисты приводят еще более устрашающие меня как врача-натуропата цифры, подчеркивающие неудержимый рост числа лекарственных веществ, потребляемых современным человечеством. Они пишут, что в 30-х годах XX века в мире применялось около 30 000 медикаментов, а к 70-м годам их насчитывалось свыше 200 000.
Статистические данные говорят, что современное человечество за один год принимает миллионы тонн различных лекарственных химиопрепаратов. В США, например, население принимает только аспирина 20-30 тонн в день, то есть более 10 000 000 кг в год.

22. Устойчивое развитие и «Зеленая химия»
Миссия Зеленой химии: пособствовать развитию инновационных химических технологий, направленных на снижение или отказ от использования или получения опасных веществ при разработке, производстве и применении химических продуктов.

23. Ученые научились получать электроэнергию из растений
(http://businesspskov.ru/news/69400.html)
Процесс фотосинтеза заключается в разделении молекул воды и использовании электронов для создания сахара. Исследователи из Университета Джорджии решила, что использовать электроны, освобожденные растениями от молекул воды, для получения электроэнергии. Ток  был вдвое мощнее, чем полученный от традиционных солнечных элементов одного и того же размера. В будущем возможно комнатные растения будут питать домашние компьютеры. От деревьев могли бы работать холодильники.

24. Скинуть балласт. СПб Ведомости Выпуск  № 054  от 26.03.2014               
Лекарства часто состоят из двух «зеркальных» молекул, из которых полезна лишь одна, а вторая в лучшем случае бесполезна. Возникшее на рубеже веков направление «Зеленая химия» в числе прочего сосредоточилось на синтезе веществ (не только лекарств), не отягощенных балластом в виде второй молекулы.
Японский профессор Риоджи Нойори, один из трех химиков, получивших в 2001 году Нобелевскую премию, произнес фразу, которую я люблю цитировать: «Химики в XXI веке должны следовать принципу практичной элегантности».
Из так называемых двенадцати принципов зеленой химии один – принцип атомной экономии: чем меньше вы вовлекаете реагентов, тем короче у вас синтез и тем лучше для человека и окружающей среды.
Огромное внимание уделяется созданию так называемых энантиомерно чистых веществ, в том числе лекарств. Энантиомеры – это соединения, которые могут быть в виде двух «зеркальных» молекул, но только одна из них активна и имеет биологическое действие, а вторая – балласт.
Сейчас появилась тенденция к переходу на «энантиомерно чистые» лекарства, то есть лекарства без балласта. В США агентство Food and drug administration (управление по саннадзору за продуктами и лекарствами. – Ред.) запретило использовать смеси с балластом, если технически возможно получить средство только с активной формой.
Антибактериальный препарат «офлоксацин» (это смесь двух пространственных изомеров), так и энантиомерно чистый «левофлоксацин» с одной активной действующей формой. Особого вреда у формы с двумя изомерами нет, но все, что с балластом, менее эффективно. Можете ради интереса зайти в аптеку и сравнить: «офлоксацин» стоит примерно 200 рублей, а «левофлоксацин» – 1200 рублей. Но первый препарат – это десять больших таблеток, которые надо принимать по нескольку раз в день, а второе лекарство – пять эффективно работающих таблеток, причем достаточно приема одной в сутки.
В Америке, к примеру, создан государственный институт зеленой химии, в 2007 году на конференции американских производителей лекарств был составлен список химических реакций, которые, как там говорилось, должны «вдохновлять» химиков.