• So wird Chemie grüner

    Industrieprozesse

Weniger ist mehr: Chemiker und Ingenieure trimmen Produktionsprozesse seit Jahrzehnten auf Qualität, Produktmenge und Effizienz. Jetzt setzen die Experten zusätzlich auf Nachhaltigkeit – das schont die Umwelt und spart zudem Produktionskosten. Zwei Beispiele bei Bayer zeigen wie das gelingt.

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  • Herausforderung:
    Die chemische Industrie stellt sich verstärkt der Aufgabe, nachhaltiger zu werden.
  • Lösung:
    Bayer-Experten aus den verschiedensten Abteilungen arbeiten daran, die zwölf Nachhaltigkeitsprinzipien für die großtechnische Wirkstoffproduktion bestmöglich umzusetzen.
  • Nutzen:
    Die Anwendung grüner Chemie reduziert nicht nur den Energieaufwand und die Mengen eingesetzter Chemikalien, sondern sie ist auch umweltfreundlicher und senkt häufig auch die Gesamtkosten.
Dr. Konrad Siegel, Research & Development bei Bayer Pharmaceuticals

Als unsere Wissenschaftler die ersten Moleküle des Arzneimittel-Wirkstoffs Rivaroxaban in den Händen hielten, ahnten sie noch nichts von seiner künftigen Erfolgsgeschichte

Im Reagenzglas sieht man den winzigen Kristallen ihre Talente nicht an. Doch im menschlichen Körper entfalten die darin enthaltenen Moleküle eine beeindruckende Wirkung: Sie hemmen die Blutgerinnung. „Als unsere Wissenschaftler die ersten Moleküle des Arzneimittel-Wirkstoffs Rivaroxaban in den Händen hielten, ahnten sie noch nichts von seiner künftigen Erfolgsgeschichte“, sagt Dr. Konrad Siegel, Research & Development bei Bayer Pharmaceuticals. Ähnlich war es beim Insektizid-Wirkstoff Flupyradifurone, der besonders umweltverträglich ist. Ob Medikament oder Pflanzenschutzmittel – welche Potenziale ein Wirkstoff tatsächlich entfaltet, lässt sich im Forschungsstadium nicht abschließend bestimmen. Und es lässt sich auch nicht genau vorhersagen, welche Mengen künftig davon im Markt benötigt werden.

Die großtechnische Produktion eines Wirkstoffs, die für den Laborchemiker noch in ferner Zukunft liegt, rückt im Laufe der Produktentwicklung immer stärker in den Fokus.

Darum kümmern sich nach der Laborphase die Verfahrensentwickler. Sie suchen einen Weg, um das Herstellungskonzept für die technische Produktion tauglich zu machen. „Am Ende brauchen wir schließlich für die industrielle Herstellung eines Wirkstoffs einen sicheren, zuverlässigen und effizienten Ablauf sowie gleichbleibend hohe Qualität zu möglichst geringen Kosten. Diese betriebswirtschaftlichen Aspekte mit einer nachhaltigen Herstellung in Einklang zu bringen, ist eine außerordentlich herausfordernde Aufgabe für unsere Verfahrensentwickler“, erklärt Siegel.

Denn Nachhaltigkeit als Verknüpfung von ökonomischen, ökologischen und sozialen Gesichtspunkten spielt in der chemischen Produktion eine immer größere Rolle“, sagt Dr. Markus Hadley, Head of Corporate Business Stewardship bei der Bayer AG. Dafür setzen Industrieunternehmen vermehrt auf das Konzept der „grünen Chemie“, häufig umfassender auch als nachhaltige Chemie bezeichnet. Damit Synthese- und Aufarbeitungsschritte sowie die eingesetzten Substanzen und Lösungsmittel sowohl wirtschaftlichen als auch umweltrelevanten Aspekten genügen, ist viel Wissen und Erfahrung nötig.

Dr. Markus Hadley, Head of Corporate Business Stewardship bei der Bayer AG

Nachhaltigkeit spielt in der chemischen Produktion eine immer
größere Rolle.

Chemische Synthesen ähneln einem sehr speziellen Kochrezept

Ähnlich wie beim Haute-Cuisine-Gericht braucht es ein ausgeklügeltes Kochrezept, um einen Wirkstoff herzustellen: Ausgangsmoleküle müssen in den richtigen Flüssigkeiten, den sogenannten Lösungsmitteln, gelöst werden. Sukzessive kommen weitere flüssige, feste oder gasförmige Komponenten hinzu, während andere Substanzen wieder abgetrennt werden. Meist braucht es spezielle Temperatur- und Druckprofile, damit die eingesetzten Moleküle in gewünschter Form miteinander reagieren, weitere Bausteine bilden und schließlich nach mehreren Reaktions- und Aufarbeitungsschritten zum finalen Wirkstoff führen. „Zeichnet sich ab, dass ein Entwicklungskandidat eine gewünschte Wirksamkeit und damit verbunden ein Marktpotenzial hat, brauchen wir einen technisch machbaren und sicheren Herstellungsweg, der kosteneffizient und gleichzeitig umweltfreundlich ist“, erklärt Dr. Christian Funke, Process Research & Scale-Up bei Bayer Crop Science. „So war es auch beim Insektizid-Wirkstoff Flupyradifurone.“

Zunächst nutzten die Bayer-Forscher ein Verfahren, das auf nur begrenzt verfügbaren Chemikalien basierte, und es kamen Komponenten zum Einsatz, die für eine technische Produktion zu teuer waren. Zudem liefen einzelne Reaktionsschritte nicht effizient ab. Deswegen suchte ein Bayer-Team aus den Abteilungen Process Research und Chemical Process Development der Division Crop Science einen besseren Weg. „Dazu haben wir die Strukturformel des Flupyradifurone-Moleküls noch einmal genau unter die Lupe genommen und überlegt: Wo könnten wir modifizieren, um zum selben Endmolekül zu kommen?“, erklärt Pflanzenschutz-Experte Funke das Vorgehen. Dafür gibt es dutzende Möglichkeiten – und ein entsprechend großes Spektrum an Chemikalien und Reagenzien. Für das Bayer-Team zählte hier: den kostengünstigsten und nachhaltigsten Weg zu finden.  

Schon früh bedenken Wirkstoffentwickler wie Dr. Wahed Moradi und Dr. Christian Funke (Foto, v. li.) die nachhaltige Produktion im großen Maßstab.

Nachhaltige Chemie senkt häufig auch Kosten

„Ein positiver Nebeneffekt ist, dass dies meist Hand in Hand geht“, sagt Dr. Wahed Moradi, Chemical Process Development bei Bayer Crop Science. Als Verfahrensentwickler ist er mit seinem Team dafür verantwortlich, dass die zwölf Nachhaltigkeitsprinzipien in der großtechnischen Wirkstoffproduktion optimal berücksichtigt werden. „Beispielsweise sind Prozesse, die bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck ablaufen, nicht nur technisch leichter umzusetzen, sondern auch energiesparend.

Und wenn möglichst wenig Syntheseschritte mit einer hohen Ausbeute und geringen Abfallmengen zum gewünschten Ergebnis führen, ist das auf jeden Fall gut für die Umwelt und die Produktionskosten“, erklärt Moradi. Ebenso ist es oft hilfreich, Katalysatoren einzusetzen. Das sind Substanzen, die eine Reaktion sehr selektiv und unter prozesstechnisch einfacheren Bedingungen ablaufen lassen, sodass bevorzugt das gewünschte Produkt gebildet wird. Zudem senken Katalysatoren den Energieaufwand, weil sie die Moleküle sozusagen auf die chemische Umwandlung vorbereiten, Bindungen lockern und Atomgruppierungen in eine günstige räumliche Position bringen. Ein weiteres zentrales Ziel der nachhaltigen Chemie ist die Vermeidung von Abfall während der Herstellung. „Dabei spielen vor allem die Art und Menge der verwendeten Lösungsmittel eine wichtige Rolle“, erklärt Dr. Konrad Siegel. „Das wohl bekannteste Lösungsmittel ist Wasser, aber wir benötigen in der Produktion pharmazeutischer Wirkstoffe auch organische Lösungsmittel wie zum Beispiel Alkohole, Ether oder andere Kohlenwasserstoffe.“ Es geht darum, möglichst wenig von diesen Substanzen einzusetzen und am besten nur solche zu verwenden, die ökologisch unbedenklich sind. Bayer hat dafür einen Leitfaden entwickelt, der 90 verschiedene Lösungsmittel aufführt. Sie sind sortiert nach ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften wie Siedepunkt, Wasserlöslichkeit oder Polarität – und kategorisiert nach einem Ampelsystem. „Anhand der Liste können Forscher eine ‚grünere’, unbedenklichere Komponente mit einem vergleichbaren Eigenschaftsprofil heraussuchen – und so frühzeitig mitwirken, einen nachhaltigeren Produktionsweg einzuschlagen“, erklärt der Pharma-Experte.

Wir erzeugen mit denselben Mitteln

fünfmal

mehr des gewünschten Wirkstoffs Flupyradifurone als am Anfang.

Eine Messgröße, die das Mengenverhältnis der insgesamt eingesetzten Rohstoffe in Bezug zum hergestellten Wirkstoff setzt, ist der sogenannte PMI-Wert (Process Mass Intensity). „Bei Rivaroxaban konnten wir diesen Wert bereits in der frühen Entwicklungsphase um drei Viertel reduzieren“, sagt Siegel. Das heißt: Mit denselben Einsatzmengen lässt sich etwa viermal soviel Wirkstoff herstellen. „In der späteren Entwicklung und kurz vor der Markteinführung sind weitere Verbesserungen schwierig – aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen und weil jede Veränderung im Herstellprozess intensiv mit den Kontrollbehörden abgesprochen werden muss. Dennoch konnten wir den PMI-Wert um weitere 17 Prozent senken“, erklärt der Entwicklungs-Experte. Zudem reduzierte das Bayer-Team die Anzahl der Lösungsmittel.

Chemie trifft Nachhaltigkeit: Die Umwelt schonen und pharmazeutische Wirkstoffe wirtschaftlich produzieren – das ist das Ziel der „grünen Chemie“.

Anwendung der grünen Chemie bei sämtlichen Produktionsprozessen

Gleiches taten die PflanzenschutzSpezialisten. Sie testeten jahrelang viele mögliche Wege und erarbeiteten schließlich einen wirtschaftlichen und umweltverträglichen Produktionsprozess. „Wir erzeugen jetzt zum Beispiel eine Ausgangskomponente sehr effizient und nachhaltig über ein katalytisches Verfahren“, sagt Verfahrensentwickler Moradi. „Einen Reaktionsschritt haben wir so gestaltet, dass er unter sehr milden Reaktionsbedingungen und mit einer exzellenten Ausbeute abläuft.“ Auch bei den folgenden Umwandlungsschritten konnte das Team umweltbedenkliche Komponenten ersetzen, Ausbeuten und Selektivitäten erhöhen sowie ein kritisches Lösungsmittel zurückgewinnen. Letzteres fließt, entsprechend gereinigt und aufbereitet, erneut in den Reaktionskreislauf. Der Erfolg der Pflanzenschutz-Experten zeigt sich auch in der Messgröße PMI: „Wir erzeugen jetzt mit denselben eingesetzten Mitteln fünfmal mehr des gewünschten Wirkstoffs Flupyradifurone als am Anfang“, erklärt Funke.

„Einen nachhaltigen chemischen Prozess zu entwickeln ist eine sehr komplexe Aufgabe. Man muss dazu an verschiedenen Stellschrauben drehen“, sagt Hadley, der sich konzernweit mit seinen Mitarbeitern für Nachhaltigkeitsthemen auch in der Produktion einsetzt. Das gilt einerseits für neue Wirkstoffe, andererseits auch für bestehende Verfahren. Dazu nehmen versierte Teams seit knapp zehn Jahren die existierende chemische Produktion im Bayer-Konzern unter die Lupe. Hadley: „Prozesse nachhaltig zu gestalten ist für Unternehmen eine Investition in die Zukunft. Man kann dabei nur gewinnen – sei es finanziell, weil die Verfahren energie- oder ressourcenschonender oder weil die Prozesse sicherer und umweltverträglicher sind“.