Δύο αιώνες Πράσινη Χημεία

Eνα από τα βασικά προϊόντα της χημικής βιομηχανίας κατά τον 18o αιώνα ήταν το ανθρακικό νάτριο (σόδα), που αποτελεί πρώτη ύλη στην υαλουργία και στη σαπωνοποιία, και χρησιμοποιείται επιπλέον στην επεξεργασία χαρτιού και υφασμάτων. Η παραγωγή γινόταν με τη μοντέρνα, τότε, μέθοδο του Γάλλου Νικολά Λεμπλάν (Nicolas Leblanc) από αλάτι, θειικό οξύ, κάρβουνο και ασβεστόλιθο. Η μέθοδος του Λεμπλάν όμως είχε το μειονέκτημα ότι πέρα από το κυρίως προϊόν, τη σόδα, είχε και δύο «ενοχλητικά» παραπροϊόντα, το υδροχλωρικό οξύ (κεζάπι) και το θειούχο ασβέστιο, που παράγονταν σε μεγάλες ποσότητες. Το μεν δηλητηριώδες και διαβρωτικό υδροχλωρικό οξύ διοχετευόταν απευθείας στην ατμόσφαιρα, το δε δύσοσμο θειώδες ασβέστιο κατέληγε σε άγονες εδαφικές εκτάσεις. Στα μέσα του 19ου αιώνα ο Βέλγος Ερνέστ Σολβέ (Ernest Solvay) πρότεινε μια νέα μέθοδο παρασκευής σόδας, με φθηνότερο κόστος πρώτων υλών (μόνο αλάτι και ασβεστόλιθο), η οποία επιπλέον δεν άφηνε κανένα άχρηστο παραπροϊόν. Το διοξείδιο του άνθρακα και η αμμωνία, που χρησιμοποιούνται στα πρώτα στάδια της μεθόδου, ανακτώνται στα επόμενα, το δε μοναδικό παραπροϊόν, χλωριούχο ασβέστιο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αφυγραντικό και ως «αλάτι» για τον αποχιονισμό των δρόμων. Ηταν η πρώτη, χρονολογικά, εφαρμογή της Πράσινης Χημείας, εκατόν πενήντα περίπου χρόνια προτού επινοηθεί αυτός ο όρος.

Η ανάπτυξη της Χημείας σε βιομηχανικό επίπεδο βασίστηκε στην αλόγιστη χρήση πρώτων υλών και ενέργειας, καθώς και στη διοχέτευση των συνήθως βλαβερών άχρηστων παραπροϊόντων στον αέρα, τα νερά ή το έδαφος. Αρχικά ελάχιστα απασχολούσαν την κοινή γνώμη οι επιπτώσεις της ανεύθυνης διαχείρισης των φυσικών πόρων και της ρύπανσης του περιβάλλοντος. Η όλη κατάσταση αντιμετωπιζόταν ως αναγκαίο κακό χωρίς να γίνονται προσπάθειες βελτίωσης των πραγμάτων, με εξαίρεση κάποιες κραυγαλέες περιπτώσεις εκπομπών τοξικών ουσιών. Η κατάσταση αυτή άλλαξε όταν το πρόβλημα της ρύπανσης του περιβάλλοντος από τις χημικές βιομηχανίες είχε γίνει πολύ μεγάλο για να συνεχίσουμε να το αγνοούμε. Επειδή ένα νέο όνομα βοηθά πάντα να κατανοήσουμε καλύτερα μια νέα έννοια, η επινόηση του όρου «Πράσινη Χημεία» αποτέλεσε μια επιτυχημένη επιλογή που έτυχε γενικής αποδοχής. Με τον νέο όρο εννοείται ένα είδος χημικής φιλοσοφίας που ενθαρρύνει τον σχεδιασμό προϊόντων και μεθόδων παραγωγής με τρόπο ώστε να περιορίζονται ή να εξαλείφονται η χρήση και η παραγωγή ανεπιθύμητων ουσιών που μπορεί να έχουν βλαβερές συνέπειες για την υγεία μας και για το περιβάλλον. Η Πράσινη Χημεία στοχεύει λοιπόν στον περιορισμό ή την εξάλειψη της ρύπανσης στις πηγές της –εργοστάσια, αυτοκίνητα, οικιακά απόβλητα. Σήμερα έχουμε «πράσινα» καύσιμα, «πράσινους» διαλύτες, «πράσινες» συνθέσεις χημικών ενώσεων κ.λπ., αφού το πράσινο χρώμα θεωρείται φιλικό, καθώς σχετίζεται με δάση και καλλιέργειες που ομορφαίνουν το τοπίο και προκαλούν αισθήματα ηρεμίας. Γενικότερα, η Πράσινη Χημεία αναφέρεται στην επιλογή των πρώτων υλών, τον τρόπο επεξεργασίας τους και τον περιορισμό των επικίνδυνων ή άχρηστων παραπροϊόντων. Αν παράλληλα μπορεί να προκύψει και οικονομικό όφελος, τότε έχουμε την ιδανική περίπτωση. Κλασικό παράδειγμα είναι η μέθοδος Σολβέ, που συνδύασε τη συμπίεση του κόστους με τον περιορισμό των παραπροϊόντων. Η προσπάθεια των χημικών που ασχολούνται με την Πράσινη Χημεία είναι να αναζητούν τέτοιους πετυχημένους συνδυασμούς. Δύο σχετικά παραδείγματα είναι οι αντιδράσεις οξείδωσης και η παρασκευή πολυμερών.

Η οξείδωση σε βιομηχανική κλίμακα συνιστά σημαντικό ποσοστό των χημικών αντιδράσεων, γι’ αυτό επιδιώκεται η κατάργηση των κοινών οξειδωτικών μέσων, όπως είναι π.χ. τα άλατα βαρέων μετάλλων μεγάλης τοξικότητας, σαν το καρκινογόνο εξασθενές χρώμιο. Αντί αυτών προτιμάται το οξυγόνο ή το υπεροξείδιο του υδρογόνου (οξυζενέ-περιντρόλ), τα οποία αποτελούν φυσικά οξειδωτικά. Με τους κατάλληλους καταλύτες (δηλαδή στοιχεία ή ενώσεις που υποβοηθούν την επιθυμητή χημική αντίδραση) επιτυγχάνονται θεαματικά αποτελέσματα. Εξάλλου οι αξιοσημείωτες καταλυτικές επιδόσεις των ενζύμων (βιοκαταλυτών) εφαρμόζονται ήδη σε πληθώρα αντιδράσεων, είτε με καθαρά ένζυμα είτε με καλλιέργεια των μικροβίων τα οποία παράγουν τα ένζυμα. Μια σημαντική εφαρμογή της ενζυμικής κατάλυσης στη βιομηχανία είναι η οξείδωση του μεθανίου σε μεθανόλη, αντίδραση που μετατρέπει το φυσικό αέριο σε υγρό καύσιμο, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας στους βενζινοκινητήρες. Μια άλλη είναι η παρασκευή του ακρυλονιτρίλιου, πρώτης ύλης των ακρυλικών πολυμερών.

Οι αρχές της Πράσινης Χημείας σε πρακτικό επίπεδο κωδικοποιήθηκαν από τον Ελληνοαμερικανό Paul Anastas και τον John Warner, της Αρχής Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ. Σε τελική ανάλυση, οι αρχές αυτές αναφέρονται στον κοινό νου, θέτοντας τις οικονομικές παραμέτρους σε δευτερεύουσα μοίρα –κάτι που βέβαια δυσκολεύει τα πράγματα. Γι’ αυτό είναι απαραίτητο η νομοθεσία να εκσυγχρονίζεται συνεχώς θέτοντας νέους κανόνες, όπως έγινε με τα καύσιμα των αυτοκινήτων (απαγόρευση τετρααιθυλομολύβδου, χρήση καταλυτών κ.λπ.). Η θέσπιση εξάλλου κινήτρων και βραβείων συντελεί στην αύξηση της δημιουργικότητας, αφού ένας βραβευμένος νεωτερισμός προσδίδει κύρος (ενδεχομένως και υλικές απολαβές) στη βιομηχανία που τον εφαρμόζει ή στους επιστήμονες που τον ανέπτυξαν. Συχνά μάλιστα συμβαίνει η επινόηση μιας μικρής βελτίωσης να συνοδεύεται από δυσανάλογα μεγάλο οικονομικό όφελος.

Ενα καλό παράδειγμα Πράσινης Χημείας είναι η βελτίωση της παραγωγής ενός πολυμερούς που παρασκευάζεται από ανανεώσιμες πηγές, με ζύμωση των σακχάρων του καλαμποκιού και των καταλοίπων της επεξεργασίας του. Πρόκειται για το πολυλακτίδιο (PLA) που προκύπτει από πολυμερισμό του λακτιδίου, ενός παραγώγου του γαλακτικού οξέος, με συνένωση πολλών χιλιάδων μορίων του. Οι βελτιώσεις αύξησαν την απόδοση της χημικής αντίδρασης που παράγει το λακτίδιο και επέτρεψαν τον πολυμερισμό του με έναν νέο καταλύτη χωρίς τη χρήση διαλυτών, οι οποίοι ρυπαίνουν το περιβάλλον. Το PLA, εκτός από το ότι παρασκευάζεται από φθηνή και ανανεώσιμη πρώτη ύλη, είναι ανακυκλώσιμο και βιοαποικοδομήσιμο, δηλαδή διασπάται γρήγορα σε απλούστερες χημικές ενώσεις. Γι’ αυτό χρησιμοποιείται για την κατασκευή συσκευασιών αλλά και ιατρικών εμφυτευμάτων.

Στο σκεπτικό της απονομής του βραβείου Νομπέλ Χημείας του 2005 για την ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου δημιουργίας διπλών δεσμών του άνθρακα σε οργανικές ενώσεις (δηλαδή δεσμών στους οποίους συμμετέχουν δύο ζεύγη ηλεκτρονίων) με μεταθέσεις, δηλαδή με αμοιβαία αλλαγή των θέσεων των διπλών δεσμών, αναφέρεται ότι το επίτευγμα: «Αντιπροσωπεύει ένα μεγάλο βήμα προς την Πράσινη Χημεία, ελαττώνοντας δυνητικά βλαβερά παραπροϊόντα με εξυπνότερη παραγωγή. Οι αντιδράσεις μετάθεσης αποτελούν παράδειγμα του πόσο επιτυχημένα η βασική επιστήμη εφαρμόζεται επ’ ωφελεία του ανθρώπου, της κοινωνίας και του περιβάλλοντος». Πράγματι, μέσα σε λίγα χρόνια η μέθοδος εφαρμόστηκε για την παρασκευή πολυάριθμων προϊόντων, με σπουδαιότερα ίσως τα φάρμακα για ανίατες, σήμερα, ασθένειες. Ολοι συμφωνούν ότι η περαιτέρω ανάπτυξη της Πράσινης Χημείας θα συμβάλει ουσιαστικά στην καλύτερη αξιοποίηση των φυσικών πόρων, την ελαχιστοποίηση της ρύπανσης του περιβάλλοντος και –ίσως –σε βελτιωμένα και φθηνότερα καταναλωτικά προϊόντα.

Ο κ. Τάσος Βάρβογλης είναι ομότιμος καθηγητής του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.