Substrate und Produkte

Was sind das Substrat und das Produkt einer chemischen Reaktion?

In der Chemie werden Substrate als Substanzen, chemische Verbindungen, Elemente oder Ionen bezeichnet, die während chemischer Prozesse in den Reaktionen umgewandelt werden. Das Ergebnis dieser Umwandlungen sind Produkte. In industriellen Prozessen gibt es praktisch immer mehrere davon. Neben den Hauptprodukten entstehen auch Nebenprodukte. Diese wiederum können zu Substraten in anderen technologischen Verfahren werden.

Bei chemischen Prozessen hängt viel von den Substraten und Produkten ab, sowohl im Labor- als auch im Industriemaßstab. Es gibt eine Reihe von Gesetzen, Regeln und Grundsätzen, nach denen diese Verfahren durchgeführt werden. Hier sind einige von ihnen:

• Chemisches Gleichgewicht

Es ist ein dynamischer Zustand bei einer reversiblen chemischen Reaktion, bei der die Umwandlungsrate von Substraten in Produkte die gleiche ist wie beim umgekehrten Prozess, d.h. bei der Umwandlung von Produkten in Substrate. Dies geschieht unter bestimmten Bedingungen, d.h. Konzentration, Temperatur und Druck. Wenn ein Gleichgewichtszustand eintritt, sind die Konzentrationen von Substraten und Produkten gleich hoch. Zu beachten ist, dass es sich hierbei nicht um einen dauerhaften Zustand handelt. Ein hergestelltes chemisches Gleichgewicht ist dynamisch. Schon ein kleiner Eingriff in die Reaktionsbedingungen führt zu einer Veränderung.

• Das Prinzip vom kleinsten Zwang

Das Prinzip vom kleinsten Zwang besagt, dass, wenn ein System im chemischen Gleichgewicht durch einen bestimmten Stimulus (z.B. eine Temperaturänderung) beeinflusst wird, die Bedingungen der Reaktion so verändert werden, dass der Einfluss dieses Faktors verringert wird.  Auch die Konzentration von Substraten und Produkten beeinflusst den Zustand des chemischen Gleichgewichts. Eine Änderung der Menge eines der Bestandteile bewirkt eine Änderung des festgestellten Gleichgewichts. Wenn eines der Produkte aus dem System entfernt wird, reagiert das System so, dass eine bestimmte Menge des Substrats umgewandelt wird, um die entfernte Substanz wieder herzustellen. Dasselbe geschieht, wenn das Substrat aus dem System entfernt wird. Durch die Anwendung des Prinzips vom kleinsten Zwang ist es möglich (insbesondere bei technologischen Prozessen), den Verlauf eines chemischen Prozesses zu steuern. Auf diese Weise ist es möglich, die Effizienz einer laufenden Reaktion zu erhöhen oder unerwünschten Reaktionen entgegenzuwirken.

• Reaktionsrate

Die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion oder ein Prozess abläuft, ist definiert als die Abnahme der molaren Konzentration der Substrate oder die Zunahme der molaren Konzentration der Produkte in einer bestimmten Zeiteinheit. Der Wert der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird experimentell bestimmt, indem die Veränderung der Konzentration der Reaktanten über die Zeit gemessen wird. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird durch die Konzentration der Substrate beeinflusst. Die Geschwindigkeit einer Reaktion ist direkt proportional zur Konzentration der Reaktanten.

Substrate und Produkte in Verfahren der chemischen Technologie

Es ist sehr schwierig, ein Konzept für einen chemischen Prozess vom Labormaßstab in den industriellen Maßstab zu übertragen.  Dazu gehört u.a. die richtige Auswahl der Substrate (Rohmaterialien).  Ihre Beschaffung sollte kostensparend sein, wobei die Grundsätze des Umweltschutzes zu beachten sind und alle erforderlichen Verfahren für ihre vorherige Verarbeitung (z.B. Reinigung der abgebauten Metallerze) berücksichtigt werden müssen.  Der Prozess in der chemischen Technologie muss auch hinsichtlich der erhaltenen Produkte analysiert werden.  Neben dem/den Hauptprodukt(en) werden häufig auch so genannte Nebenprodukte erzeugt.  Eine gängige Lösung ist die räumliche Nähe von Anlagen, die verschiedene Komponenten herstellen.  Ein unerwünschtes Nebenprodukt in einem Prozess kann ein Schlüsselrohmaterial in einer anderen Technologie sein.  Es wird auch empfohlen, nicht umgewandelte Substrate im Kreislauf zurückzuführen.  Diese und weitere Prinzipien ermöglichen es, den technologischen Prozess wesentlich effizienter und mit weniger Energieaufwand zu führen.

Bei den Verfahren der chemischen Technologie wird für jede Anlage eine Materialbilanz erstellt. Sie zeigt die Menge der verbrauchten oder hergestellten Materialien, d.h. Substrate und Produkte. Die Materialbilanz bildet die Grundlage bei der Planung und Erstellung einer Wirtschaftlichkeitsberechnung eines entstehenden oder bestehenden chemischen Prozesses.  Die Grundlage dafür ist das Massenerhaltungssatz. Eine gut erstellte Materialbilanz definiert übersichtlich die Menge der benötigten Substrate, die Menge der gewonnenen Produkte und berücksichtigt die Entstehung von Abfallstoffen. Grafisch kann es mit einem Sankey-Diagramm dargestellt werden.

Die Bedeutung von Substraten und Produkten im Zusammenhang mit den Grundsätzen der grünen Chemie

Derzeit ist der Grundrohstoff in der Chemie das Erdöl. Biomasse und andere Substrate, die aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden können und somit den Grundsätzen der grünen Chemie entsprechen, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Es wird erwartet, dass sich dieser Trend in den kommenden Jahren fortsetzen wird. Biomasse ist ein wichtiger Rohstoff für energetische Zwecke, kann aber auch erfolgreich zur Gewinnung chemischer Stoffe, z.B. als Zusatzstoffe für Arzneimittel, Kosmetika oder Lebensmittel, genutzt werden. Die Entwicklungen der Technologie zur Verarbeitung von Biomasse ermöglicht die Gewinnung daraus von Materialien und Chemikalien mit hohem Mehrwert.  Ebenso dynamisch entwickeln sich die Verfahren zur Gewinnung von Substraten insbesondere aus Pflanzenteilen wie Stängeln, Blättern oder Wurzeln. So ist es beispielsweise möglich, Silber-Nanopartikel mit Hilfe von Extrakten aus Kohlblättern zu synthetisieren.

Insbesondere bei großvolumigen Prozessen ist das Management von Nebenprodukten, die bei chemischen Prozessen anfallen, ein wichtiges Thema. Von Vorteil ist die Möglichkeit, Materialien zu erhalten, die leicht biologisch abbaubar sind. So gewinnen zum Beispiel abbaubare Polymere immer mehr an Bedeutung. Dies sind Polymere, die sich in der Umwelt viel schneller abbauen als herkömmliche Polymere. Sie können durch Strahlung, Mikroorganismen, Enzyme oder bestimmte Chemikalien abgebaut werden.