E-Faktor und Process Mass Intensity stammen aus denselben Daten, die du im Chargenprotokoll ohnehin erfasst: jede eingesetzte Masse und die Masse des isolierten Produkts. PMI ist die gesamte Einsatzmasse geteilt durch die Produktmasse; der vollständige E-Faktor ist die Abfallmasse geteilt durch die Produktmasse, also einfach PMI minus eins. Die Arbeit ist nicht die Rechnung, sondern die Entscheidung, was als Einsatz zählt: Wasser, Waschlösemittel, rückgewonnenes Lösemittel, der Katalysator, der Stickstoff. Die gewählten Konventionen entscheiden, ob deine Zahl mit der von anderen vergleichbar ist.
Die Formeln
PMI
= Gesamtmasse aller Einsatzstoffe / Masse des isolierten Produkts. Die ACS GCI Pharmaceutical Roundtable hat PMI als primäre Massenkennzahl gewählt, weil es ein Verhältnis positiver Größen ist und sich über mehrere Stufen sauber aufsummieren lässt.
Vollständiger E-Faktor
= Gesamtmasse des Abfalls / Masse des Produkts = PMI − 1. Abfall ist alles, was hineingeht und nicht als Produkt herauskommt.
Einfacher E-Faktor
zählt nur Reagenzien, Substrate und Katalysatoren, lässt Wasser und Prozesslösemittel weg. Er ist nützlich, um Chemie zu vergleichen, und irreführend, um Prozesse zu vergleichen, weil in der Feinchemie meist das Lösemittel dominiert.
Gib an, welchen du verwendet hast. Ein einfacher E-Faktor von 0,4 und ein vollständiger von 15 können dieselbe Stufe beschreiben.
Eine durchgerechnete Stufe
Eine Chargenstufe mit 11,5 kg isoliertem Produkt. Alle Massen stammen aus dem Chargenprotokoll.
| Einsatz | Masse (kg) |
|---|---|
| Ausgangsstoff | 10,0 |
| Reagenz | 6,2 |
| Katalysator | 0,15 |
| Toluol (Reaktion und Wäsche) | 80,0 |
| Wasser (Quench und Wäsche) | 50,0 |
| Sole | 12,0 |
| Heptan (Kristallisation) | 30,0 |
| Summe Einsatz | 188,35 |
- PMI = 188,35 / 11,5 = 16,4 kg je kg
- Vollständiger E-Faktor = (188,35 − 11,5) / 11,5 = 15,4 kg Abfall je kg
- Einfacher E-Faktor = (10,0 + 6,2 + 0,15 − 11,5) / 11,5 = 0,42
Die beiden E-Faktoren unterscheiden sich um den Faktor 37, und der Grund steht in der Tabelle: Lösemittel und wässrige Phasen sind 172 der 188 kg. Jede ernsthafte Reduktion beginnt dort, nicht bei der Stöchiometrie des Reagenzes.
Was die Lösemittelrückgewinnung mit der Zahl macht
Gewinne 85 % des Toluols zurück, also 68 kg, und führe es der nächsten Charge zu:
PMI = (188,35 − 68) / 11,5 = 10,5 kg je kg, eine Reduktion um 36 %, ohne Änderung der Chemie.
Zwei Konventionen sind hier wichtig, und beide müssen genannt werden:
1. Zählt rückgewonnenes Lösemittel als Einsatz? Findet die Rückgewinnung in deinem Prozess statt und wird das Material wiederverwendet, ist der Abzug vertretbar und üblich. Wird es verkauft oder energetisch verbrannt, bleibt es Abfall. 2. Zählt die Energie der Rückgewinnung? Massenkennzahlen ignorieren sie. Eine Destillation, die PMI halbiert und den Energiebedarf verdoppelt, sieht wie eine Verbesserung aus und ist es möglicherweise nicht. Deshalb gehört PMI neben eine Energiekennzahl, nicht allein in den Bericht.
Mehrere Stufen: nicht mitteln
In einer linearen Sequenz summiert sich PMI auf Basis des Endprodukts. Rechne für jede Stufe die Einsätze je Kilogramm Endprodukt, unter Berücksichtigung der Ausbeuten aller nachgelagerten Stufen, und addiere sie. Die PMI-Werte der Stufen zu mitteln unterschätzt die Summe, weil frühe Stufen die Verluste aller späteren tragen.
Ein kurzes Beispiel. Drei Stufen mit je PMI 15 auf ihr eigenes Produkt und je 80 % Massenausbeute. Ein Kilogramm Endprodukt braucht 1,25 kg Zwischenstufe 2, die 1,56 kg Zwischenstufe 1 braucht. Der kumulierte PMI ist 15 × 1,56 + 15 × 1,25 + 15 × 1,00 = 57, nicht 15.
Deshalb senkt eine Ausbeuteverbesserung in einer späten Stufe den PMI stärker als eine Lösemittelreduktion in der ersten Stufe, was im Labor oft überrascht.
Wo die Kennzahlen helfen und wo sie enden
Sie helfen, wenn du zwischen Routen entscheiden, die Stufe finden, an der Arbeit lohnt, oder einem Kunden oder Nachhaltigkeitsbericht eine belastbare Zahl geben musst. Sie sind günstig: Die Daten existieren.
Sie enden bei allem, was nicht Masse ist:
- Gefahr und Toxizität. 80 kg Dichlormethan durch 80 kg 2-Methyltetrahydrofuran zu ersetzen lässt PMI unverändert und verändert das Risikoprofil vollständig. Nutze die ICH-Q3C-Klassen und einen Lösemittelleitfaden neben den Massenkennzahlen.
- Energie und Kohlenstoff. Nicht in PMI enthalten. Eine kryogene und eine Stufe bei Raumtemperatur sehen gleich aus.
- Wasserknappheit, Flächenverbrauch, Lebensende. Ganz außerhalb der Massenkennzahlen; dafür braucht es eine Lebenszyklusanalyse.
- Anlagenbelegung und Kosten. Eine Route mit niedrigem PMI, die drei zusätzliche Grundoperationen braucht, kann an jeder kommerziellen Kennzahl schlechter sein.
Grenzen der Aussage
- PMI und E-Faktor sind nur vergleichbar, wenn die Grenzen übereinstimmen. Gib an, ob Wasser, rückgewonnenes Lösemittel, Reinigungslösemittel und Analysenproben innerhalb der Grenze liegen.
- Die Masse des isolierten Produkts muss definiert sein: feucht, trocken, gehaltskorrigiert. Eine Gehaltskorrektur ändert PMI um den Reinheitsfaktor.
- Veröffentlichte Werte verschiedener Firmen beruhen selten auf derselben Basis. Nimm externe Vergleichswerte als Orientierung, nicht als Ziel.
Häufige Fragen
Wie berechnet man PMI?
Teile die Gesamtmasse aller Einsatzstoffe der Stufe oder des Prozesses durch die Masse des isolierten Produkts. Im Beispiel ergeben 188,35 kg Einsatz und 11,5 kg Produkt einen PMI von 16,4 kg je kg.
Was ist der Unterschied zwischen einfachem und vollständigem E-Faktor?
Der einfache zählt nur Substrate, Reagenzien und Katalysatoren, der vollständige jeden Einsatz einschließlich Wasser und Lösemittel. Im Beispiel sind es 0,42 und 15,4 für dieselbe Stufe, weil Lösemittel und wässrige Phasen die Masse dominieren.
Ist PMI dasselbe wie der E-Faktor?
Sie unterscheiden sich genau um eins: vollständiger E-Faktor = PMI − 1. PMI ist das Massenverhältnis von Einsatz zu Produkt, der E-Faktor das von Abfall zu Produkt.
Zählt rückgewonnenes Lösemittel in den PMI?
Das hängt von der genannten Konvention ab. Im Prozess zurückgewonnenes und wiederverwendetes Lösemittel wird üblicherweise vom Einsatz abgezogen, verbranntes oder verkauftes nicht. Nenne die Konvention immer, sie kann die Zahl um ein Drittel oder mehr ändern.
Was sagen grüne Kennzahlen nicht?
Alles, was nicht Masse ist: Gefahr, Toxizität, Energie, Kohlenstoffbilanz, Wasserknappheit, Kosten und Anlagenzeit. Ein Lösemittelwechsel bei gleicher Masse kann das Risikoprofil völlig verändern, ohne PMI zu bewegen.