Umweltfreundlichkeit

Wie kann man Laborprozesse ressourceneffizient und nachhaltig gestalten?

In diesem Artikel beschreibt die Autorin, welche Bereiche der Laborprozesse betrachtet werden sollten, um Verbesserungsmöglichkeiten in puncto Umweltfreundlichkeit aufzuspüren.

Wer im Labor arbeitet, kennt die Problematik: Methoden und Prozesse stehen fest, und Änderungen umzusetzen ist schwierig, denn sie dürfen weder die Qualität der Ergebnisse noch das sichere Arbeiten im Labor beeinträchtigen. Auf der anderen Seite ist der Impact der Laborarbeit hoch: ein Laborgebäude benötigt 3- bis 5-mal so viel Energie und Wasser wie ein normales Bürogebäude, Großgeräte können den Verbrauch von Einfamilienhäusern erreichen und den Verbrauch an Plastikmaterialien in allen Life-Science-Laboren weltweit hat eine Studie schon im Jahr 2015 auf 5,5 Millionen Tonnen geschätzt [1]. Diese Menge entspricht dem Gewicht von 67 Kreuzfahrtschiffen. 

Bild 1: Laborbau und technischer Betrieb stellen die technische Infrastruktur für die Forschungsarbeit zur Verfügung. Ein intrinsisches Sicherheitskonzept wird im Labor durch den Bau, die Einrichtung, die Verfahren, den Betrieb und die Geräte verfolgt. Es berücksichtigt die komplex zusammenhängenden Gefährdungsarten im Labor und macht sie durch eine Reihe von Maßnahmen technischer, organisatorischer wie persönlicher Art beherrschbar. Forschung erarbeitet Innovationen und qualitativ wertvolle Ergebnisse. Die Laborarbeit fordert Ressourcen – weshalb sich die Frage stellt, wie hoch der Impact der eigenen Forschungsarbeit ist und wie nachhaltig Forschung arbeitet. Durch Betrachtung der Ressourcenverbräuche, die Analyse von Routinen und Prozessen, Methoden und des Beschaffungsprozesses ergeben sich Möglichkeiten, die eigene Forschungsarbeit zu verbessern. Ökonomische, ökologische wie soziale Aspekte müssen berücksichtig werden – sicheres Arbeiten und die Qualität stehen im Mittelpunkt jedweder nachhaltiger Laborarbeit. © NIUB

Gerade in Bau und Betrieb wurden in den letzten Jahren viele Verbesserungen im Hinblick auf die Verringerung der Ressourcenverbräuche erreicht, gleichzeitig muss im Rahmen einer Nachhaltigkeitsbetrachtung immer die Balance aus Ökologie, Ökonomie und Sozialem gefunden werden. Das Zertifizierungssystem „Nachhaltige Laborgebäude“ des BNB/DGNB versucht diese Vorgaben im Bereich des Laborbaus möglichst ausgewogen zu erfüllen.

Die wichtigste Vorgabe für jeden Laborbetrieb ist es, das sichere Arbeiten im Labor zu ermöglichen, wozu eine Reihe von Maßnahmen technischer wie organisatorischer Art in Bau und Betrieb dienen sowie die persönlichen Schutzmaßnahmen (TOP-Prinzip) und als intrinsisches Sicherheitskonzept umgesetzt werden. An dieser Stelle kann also nicht beliebig agiert werden. Genauso wenig kann in Bezug auf die Qualität der Forschungsarbeit und deren Ergebnisse ein Kompromiss eingegangen werden – auch diese stehen bei einer Nachhaltigkeitsbetrachtung für das Labor im Vordergrund (Bild 1).

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Daher stellt sich die Frage, wie man umweltfreundlicheres Arbeiten umsetzen, Ressourcen einsparen und damit – je nach Maßnahme – auch dem Ziel eines möglichst ökonomischen Betriebs näherkommen kann, ohne die obersten Zielvorgaben Sicherheit und Qualität der Ergebnisse zu beeinträchtigen? Um nun systematisch die eigenen Möglichkeiten innerhalb dieser Vorgaben auszuloten, hilft es, sich die folgenden vier Bereiche anzusehen (Bild 2):

  • Know your impact – Betrachtung des eigenen Ressourcenverbrauchs 
  • Blick auf die eigenen Prozesse und Routinen 
  • Methoden und Methodenentwicklung 
  • Parameter einer nachhaltigen Beschaffung

Ressourcenverbrauch kennen

Möchte man etwas ändern, sollte man seinen Ressourcenverbrauch kennen. Kennt man den Impact, kann man an diesen Stellen ansetzen und überlegen, ob und wie dieser verringert werden kann, ohne die Vorgaben Sicherheit und Qualität zu vernachlässigen. Oftmals reicht es, einen Blick ins Labor zu werfen, was dieses Beispiel aus der Praxis zeigt: Bei der Frage, welche Geräte im Labor in Betrieb sind, wurde festgestellt, dass ein 37 °C-Brutschrank routinemäßig an ist, obwohl er zu jenem Zeitpunkt gar nicht benötigt wurde. Es ist daher möglich, diesen ohne Impact auf Sicherheit und Qualität vorübergehend abzuschalten. Mit dem Ressourcenverbrauch sind Prozesse und Routinen, Methoden und Methodenentwicklung sowie die Beschaffung eng verzahnt.

Prozesse und Routinen

Im Labor gibt es viele Routinen – eingefahrene Verhaltensweisen, die oftmals automatisch und unbewusst ablaufen, die häufig durchgeführt werden und über die man im Allgemeinen nicht mehr nachdenkt.

Wird die PCR oft noch abends angestellt, um dann über Nacht zu laufen? Wie viele Stunden muss das Gerät dann die Proben bei 4 °C halten? Die Kühlung der Proben verbraucht Energie – die University of Edinburgh empfiehlt daher in ihren Best practices, PCR-Läufe über Nacht zu vermeiden oder die Proben zumindest auf 12 °C (oder höher) zu halten [2]. 

Ist der Autoklav immer voll beladen und bei welcher Temperatur wird routinemäßig autoklaviert? Bei der Betrachtung ihrer Routinen hat diese Gruppe der TU Dresden herausgefunden, dass das Setting ihres Autoklaven auf 134 °C eingestellt war, während 121 °C in Bezug auf die Sicherheit und Qualität des Sterilisationsergebnisses ausreichend waren. [3]

Sich einzelne Prozesse im Labor anzuschauen hilft dabei, Schwachstellen aufzudecken und Verbesserungsmöglichkeiten zu finden, wie folgendes Beispiel zeigt [4]: In einer Studie aus dem Jahr 2018 wurde der Energieverbrauch in einem klinischen Labor untersucht. Das Labor untersuchte Proben mit Hilfe eines Aminosäureanalysators. Für den Versuchsablauf wurden außerdem ein Autosampler, eine Zentrifuge, der Freezer, in dem die Proben lagerten, sowie für die Überwachung und Auswertung PC, Monitor und Drucker genutzt [Bild 3]. Ausgehend von diesem Szenario wurden nun Einsparpotenziale gesucht.

Bild 3: Beispiel für die Analyse einer Routinemethode. Durch die Betrachtung der Energieverbräuche und das Hinterfragen der gängigen Routinen allein wurde ein Einsparpotenzial von 30 % aufgedeckt. Quelle: [4]

Die erste Frage lautete: Wie lange dauert die Messung? Für die gesamte Messung wurden 15 Stunden benötigt, die Geräte waren die gesamte Zeit angeschaltet. Je nach Messgerät kann dies notwendig sein, beispielsweise bei langen Kalibrierungszeiten. In diesem Fall stellte sich beim Hinterfragen der Praxis heraus, dass die einzelnen Geräte nicht die gesamte Zeit in Betrieb sein mussten. Das Ausschalten von IT und Aminosäureanalysator in der nicht benötigten Zeit von neun Stunden brachte bereits eine Einsparung von 19 %.

Die zweite Frage: Müssen alle Geräte während der gesamten Analysezeit von 15 h auf „ON“ gestellt sein? Hier kam der Drucker ins Spiel, der nur für die eigentliche Auswertung an sein musste – maximal 100 min. Das brachte nochmals 11 % an Energieeinsparung.

Allein durch die Änderung dieser Routinen konnten 30 % an Energie eingespart werden.

Weitere Möglichkeiten, die in dieser Studie betrachtet wurden:

  • Austausch der veralteten Beleuchtung durch LED (was in vielen Laboren ja bereits Standard ist und nur der Vollständigkeit halber hier aufgeführt wird).
  • Herunterregeln der Lüftung, so dass sie nur 16 h auf voller Leistung läuft. Dieser Punkt muss (!) mit dem Facility Management angegangen werden und durch eine Gefährdungsbeurteilung bestätigt sein. Im beschriebenen Fall war die Absenkung der Luftwechselrate eine Option und der Energieverbrauch konnte um weitere 10 % gesenkt werden.

Methoden

Viele Methoden stehen im Labor und eine Änderung muss immer gut abgewogen werden. Ganz generell kann man sich an den Prinzipien der nachhaltigen Chemie oder der „green analytical chemistry“ orientieren: direkte Methoden in der Analytik bevorzugen, Derivatisierungen vermeiden oder miniaturisierte Methoden anwenden. In der Probenvorbereitung für die Analytik gibt es bereits eine Vielzahl an miniaturisierten Extraktionsmethoden, wie die LPME oder SPME [5].

Ein zweiter Fokus liegt auf der Reduktion: Verringerung der Zahl und Menge an Proben, der eingesetzten Reagenzien und die Reduktion der Reaktionsschritte.

Die Sicherheit der Prozesse ist der dritte Schwerpunkt. Das Substitutionsgebot ist bekannt und es gibt immer mehr Alternativen für „green solvents“ sowie Leitfäden für alternative Lösungsmittel, auch auf der Basis von erneuerbaren Ressourcen. Andere Aspekte, die unter den Punkt „Sicherheit“ fallen, sind möglichst integrierte und automatisierte Prozesse und deren Überwachung.

Bestehende Methoden zu ändern ist sicherlich ein Punkt, der im Labor am schwierigsten zu optimieren ist. Aber wenn eine neue Methode etabliert wird, ist dies ein guter Zeitpunkt, um nach Alternativen zu suchen. Bei der Literaturrecherche können Keywords wie beispielsweise sustainable, sustainability, ressource efficient, green analytics, green chemistry mit einbezogen werden, um entsprechende Methoden zu finden.

Beschaffung nachhaltig ausrichten

Bei der Beschaffung kann man an mehreren Punkten ansetzen, wie Optimierung der Logistik, um Transportprozesse zu minimieren und Inventarisierung als Übersicht, was wann benötigt und bestellt wird. Bei der Lieferantenauswahl sollte man Unternehmen bevorzugen, die beispielsweise ein Umweltmanagementsystem gemäß der ISO 14001 oder EMAS etabliert haben, eine Nachhaltigkeitsstrategie verfolgen und öffentlich in ihrem CSR-Bericht darüber Auskunft geben sowie durch umweltfreundliche Innovationen ihren Beitrag leisten, sei es bei der Produktentwicklung oder bei anderen Aspekten, wie Verpackung oder Transport. Das Vergaberecht unterstützt übrigens diese Ansätze, indem soziale und umweltbezogene Aspekte in jeder Phase eines Vergabeverfahrens mit einbezogen werden können. [6]

Auch in der Laborwelt gibt es in der Zwischenzeit Labels, die die Nachhaltigkeit bzw. Umweltauswirkungen von Produkten bewerten und damit Labormitarbeiterinnen und Labormitarbeitern eine Entscheidungsgrundlage geben.

Zertifizierungssystem

„EGNATON CERT“, vergeben von „EGNATON – European Association for Sustainable Laboratories“, ist ein sehr umfassendes Zertifizierungssystem. Es lehnt sich an den DGNB/BNB-Standard für nachhaltige Laborbauten an und ergänzt dieses um den betrieblichen Aspekt – denn der Ressourcenverbrauch im Prozess übersteigt den Ressourcenverbrauch für den Bau eines Laborgebäudes um ein Vielfaches. Im Fokus von Egnaton Cert liegen die größten Verbraucher im Labor, wie Abzüge, Autoklaven oder Käfigreinigungsmaschinen. Aber auch für die Dienstleistung „Laborumzug“ wurden bereits zwei Zertifizierungen vergeben, genauso wie für eine Käfigreinigungsmaschine. Andere Geräte befinden sich momentan in der Pilotphase der Zertifizierung.

Bild 4: Das „EGNATON CERT“-Zertifizierungssystem bewertet Geräte in den fünf Kategorien „Technische Qualität“, „Ökologische Aspekte“, „Ökonomische Aspekte“, „Sozio-kulturelle Aspekte (Humanfaktoren)“ und „Prozessqualität“. In seiner holistischen Betrachtungsweise lehnt es sich an das Zertifizierungssystem für nachhaltige Laborbauten des BNB/DGNB-Systems an und ergänzt den Bau durch den Betrieb – denn im Betrieb werden über den gesamten Lebenszyklus des Gebäudes mehr Ressourcen verbraucht als bei seinem Bau. © Egnaton e.V.

Egnaton Cert bewertet ein Gerät in insgesamt fünf Kategorien, um dadurch eine ausgewogene Nachhaltigkeitsbewertung zu garantieren (Bild 4) [7].

In der Kategorie „Technische Qualität“ wird die technische Performance bewertet. Als Grundlage dafür dienen Standards (falls diese vorhanden sind, wie beispielsweise EN 14175 bei Abzügen) sowie eigens entwickelte Messprotokolle, die als Lastszenario die Nutzung möglichst genau abbilden sollen. Weitere Parameter wie Update-Fähigkeit und Produktflexibilität fallen ebenfalls in diese Kategorie.

Energie, Wasser sowie weitere Ressourcenverbräuche (abhängig vom Gerät) werden in der Kategorie „ökologische Aspekte“ bewertet. Als Bewertungsgrundlage dienen die unter den definierten Standardbedingungen gemessenen Verbräuche. Weiterhin fließt durch die Vorlage von EPDs (falls bereits vorhanden) die Ökobilanz, d. h. die Bewertung der Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus, der verschiedenen Komponenten an dieser Stelle mit ein. Weitere Parameter umfassen beispielsweise Recyclingfähigkeit und die Vorlage eines Entsorgungskonzeptes.

Unter dem Punkt „Ökonomie“ fällt die Berechnung der gesamten Lebenszykluskosten und erlaubt damit die Bewertung der Wirtschaftlichkeit. Mit dem Aspekt „Humanfaktoren“ gehen Sicherheit, Arbeits- und Gesundheitsschutz in die Bewertung mit ein. Dazu gehört beispielsweise die Produktsicherheit, der Einbezug ergonomischer Aspekte oder die Bedienbarkeit.

Bild 5: Das Rating des „EGNATON CERT“-Zertifizierungssystems basiert ebenfalls auf dem Rating des BNB/DGNB-Systems. Ein Gerät kann danach Bronze (zertifiziert, niedrigstes Niveau), Silber, Gold und Platin erreichen. Dabei muss ein Gerät sowohl in den Einzelkategorien wie über alle Kategorien insgesamt einen bestimmten Erfüllungsgrad erreichen. So muss für Goldniveau in jeder Kategorie mindestens 50 % erfüllt sein und über alle Kategorien hinweg muss ein Gesamterfüllungsgrad von mindestens 65 % erreicht sein. Quelle: Egnaton e.V.

Schließlich wird als fünfter Aspekt die Prozessqualität betrachtet, worunter die Bewertung des herstellenden Unternehmens fällt: Einhaltung sozialer Standards, ISO 9001 und ISO 14001 oder die Nachhaltigkeitsberichterstattung sind Themen, die hier nachgefragt und erfasst werden.

Je nach Erfüllungsgrad in den einzelnen Kategorien sowie dem Gesamterfüllungsgrad über alle Kategorien kann ein Gerät das Niveau Bronze, Silber, Gold oder Platin erreichen (Bild 5).

Bild 6: Das ACT Label bewertet die Umweltauswirkungen von Chemikalien, Verbrauchsmaterialien und Geräte über ihren gesamten Lebenszyklus. Dabei bedeutet ein Rating von „1“ in einer Kategorie die beste Bewertung (geringster Impact) während eine Bewertung von „10“ die schlechteste Bewertung (höchster Impact) bedeutet. Durch Vergleich verschiedener Geräte mit unterschiedlichen Bewertungen können sich die Labormitarbeiter für die beste Variante entscheiden. © Bild/Quelle: MY GREEN LAB® and ACTSM are registered and unregistered trademarks of My Green Lab, Corp., a California 501c3 non-profit corporation. All rights reserved

Das ACT-Label bewertet die Umweltauswirkungen von Laborprodukten über ihren gesamten Lebensweg – von der Herstellung über Transport und Verpackung, die Verwendung und die Entsorgung. Dieses Label wird für Chemikalien und Reagenzien, Verbrauchsmaterialien und Geräte vergeben (Bild 6) [8].

Unter dem Punkt Herstellung (Manufacturing) werden Umweltaspekte wie Wasser-, Energie- und Abfallverbrauch in der Produktion bewertet oder ob ein Unternehmen ein Umweltmanagementsystem etabliert hat. Weiterhin wird unter dem „Produktinhalt“ und „Verpackung“ erfasst, woher die Rohstoffe kommen oder ob beispielsweise recyceltes Material enthalten ist. Auch der Transportweg fließt als eigene Kategorie mit ein (weshalb es für ein und dasselbe Produkt ein US-amerikanisches, ein EU- und UK-Label gibt).

Der „User impact“ bewertet Energie- und Wasserverbrauch sowie die Lebensdauer eines Gerätes. Unter „End of life“ wird schließlich der mögliche Entsorgungsweg für Verpackung und Produkt beurteilt.

Das ACT-Label wird von der US-amerikanischen Organisation My Green Lab mit Versionen für den europäischen, britischen und US-amerikanischen Markt vergeben.

Label für Tiefkühlschränke

Als letztes Label sei noch auf „Energy Star“ verwiesen, ein Label speziell für Labortiefkühlschränke und Laborkühlschränke, das von der US-amerikanischen Umweltbehörde EPA vergeben wird. Dieses misst den Energieverbrauch nach einem genau vorgeschriebenen Protokoll und vergleicht die erhaltenen Werte mit vorgegebenen Standardwerten. Bleibt das Gerät unter diesen Werten, wird der Energy Star vergeben [9], [10].

Fazit

Laborprozesse zu ändern ist nicht einfach. Aber ein systematischer Blick auf den eigenen Ressourcenverbrauch, das Hinterfragen von Routinen und Prozessen, die Suche nach alternativen Methoden und die Nutzung von Möglichkeiten in der Beschaffung helfen dabei, Potenziale zu entdecken, Maßnahmen zu entwickeln und umzusetzen.

Quellen:

  1. M., Watts, A. & Reardon, E. Labs should cut plastic waste too. Nature 528, 479 (2015)
  2. http://www.ed.ac.uk/files/atoms/files/lab_case_study_-_lab_equipment_best_practice.pdf
  3. http://2017.igem.org/Team:TU_Dresden/HP/Gold_Integrated
  4. K. et al., Carbon Footprint Modeling of a Clinical Lab, Energies 2018, 11(11), 3105 https://doi.org/10.3390/en11113105
  5. Padron T E et al., Microextraction Techniques coupled to Liquid Chromatography with Mass Spectrometry for the Determination of Organic Micropollutants in Environmental Water Samples, Molecules (2014), 13(7), 10320-10349 
    https://doi.org/10.3390/molecules190710320
  6. http://www.nachhaltige-beschaffung.info/DE/Themen/2_4_VergaberechtNachhaltigkeit/2_4_neuesvergaberecht_node.html#doc11966116bodyText1
  7. http://www.egnaton.com/de/CERT.aspx
  8. https://act.mygreenlab.org/about.html
  9. https://www.energystar.gov/products/spec/laboratory_grade_refrigerators_and_freezers_specification_version_1_0_pd
  10. https://www.energystar.gov/sites/default/files/ENERGY%20STAR%20V1.1%20Lab%20Grade%20Refrigerator%20and%20Freezer%20Program%20Requirements.pdf

AUTORIN
Dr. Kerstin Hermuth-Kleinschmidt
NIUB-Nachhaltigkeitsberatung, Freiburg
www.niub-nachhaltigkeitsberatung.de

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