eISBN: 978-1-78262-594-0
De la serie de libros: Green Chemistry Series
James H.Clarka
a Green Chemistry Centre of Excellence, Department of Chemistry, University of York, York, YO10 5DD, UK. Correo electrónico: [email protected]
Se discutirán los fundamentos de la Química Verde, incluyendo su relación con la sostenibilidad. También se estudiará por qué necesitamos la química verde y qué es lo que la hace posible. Por último, veremos lo que está ocurriendo en el mundo de la Química Verde en términos de iniciativas, actividades principales y casos de éxito y cómo está influyendo en la educación.
1.1 ¿Qué es la Química Verde?
“Química Verde”, “Ingeniería Verde” y “sostenibilidad” se utilizan a menudo indistintamente para describir el concepto de fabricación de procesos y productos que tienen un menor impacto ambiental y se basan (idealmente) en recursos renovables. Sin embargo, si se examinan estos conceptos con mayor profundidad, queda claro que existen diferencias significativas en su filosofía, lo que repercute en la aplicabilidad de las metodologías y técnicas en el desarrollo de una sociedad ambientalmente apropiada.
La Química Verde está bastante bien definida por los doce principios de Anastas y Warner.1 Estos principios se centran sobre todo en cómo se deben llevar a cabo las reacciones químicas y fabricar productos químicos, y describen la síntesis de sustancias químicas de una manera ambientalmente preferible. Así, ideas concretas como el uso de auxiliares benignos, incluidos los disolventes para las reacciones y las separaciones, la reducción del número de pasos y el concepto de economía atómica, o la incorporación de todas las materias primas en el producto, son puntos centrales de la Química Verde. Los 12 principios se redactaron hace 20 años y no reflejan totalmente la forma de pensar moderna. Otras cuestiones, como la toxicología y la biodegradabilidad, desempeñan ahora un papel importante en la Química Verde como parte de un mayor énfasis en la seguridad de los productos, así como en los recursos renovables. En muchos aspectos, la Química Verde puede considerarse como la base científica de la fabricación preferible desde el punto de vista medioambiental.
La Ingeniería Verde, por su parte, es el diseño, la comercialización y el uso de procesos y productos que son viables y económicos al tiempo que se minimiza la generación de contaminación en origen, así como el riesgo para la salud humana y el medio ambiente.2 El ingeniero verde utiliza las herramientas del reciclaje, la intensificación del proceso y la optimización del diseño para maximizar la eficiencia de un proceso y reducir su carga sobre el medio ambiente. La ingeniería verde evalúa el proceso de fabricación como un sistema y trata de optimizar su diseño y, en el sentido más estricto, incorpora los conceptos de análisis del ciclo de vida y de economía medioambiental en una evaluación adecuada del impacto medioambiental global. La ingeniería ecológica requiere el desarrollo de un conjunto de métricas que evalúen adecuadamente los parámetros medioambientales que pretendemos controlar.
El diseño sostenible mira aún más ampliamente para intentar comprender las relaciones entre el sistema de fabricación y el ecosistema. La sostenibilidad se centra en el triple resultado: la integración de la integridad ecológica, la responsabilidad social y la viabilidad económica. La sostenibilidad adopta el enfoque de sistemas de nivel más amplio, considerando el planeta como el sistema de interés, pero para optimizar el diseño a esta escala serán necesarias nuevas formas de medir el impacto humano en el medio ambiente.
Las industrias químicas y afines se enfrentan ahora a un reto tan duro como nunca antes. En el siglo XX se produjo un enorme crecimiento en la fabricación de productos químicos, pero este crecimiento ha tenido un coste. Los procesos ineficientes que conducen a niveles inaceptables de contaminación, las operaciones peligrosas que dan lugar a una serie de catástrofes, y la falta de conocimiento de la toxicidad humana y ambiental de la mayoría de los productos químicos de uso generalizado, todo ello conduce a un crecimiento exponencial de la legislación sobre productos químicos. La industria necesita ahora lograr la aceptabilidad medioambiental y social, así como una fabricación económicamente viable en el marco legislativo más estricto de la historia. La reciente legislación sobre sustancias químicas, como REACH, está provocando cambios importantes en la cadena de suministro de productos químicos3 . La producción sostenible de productos químicos sólo puede llevarse a cabo mediante una reevaluación de todo el ciclo de vida de los productos químicos, desde los recursos, pasando por la fabricación y la producción, hasta el uso del producto y su destino final (figura 1.1).
1.2 Impulsores del cambio
1.2.1 Legislación
La presión sobre la fabricación de productos químicos, especialmente la legislativa y también la de los clientes, sigue aplicándose y, en general, conduce a una fabricación más limpia y segura. Las posibilidades de que se produzca otra catástrofe como la de Bhopal son menores, al menos en la mayoría de las regiones del mundo (por ejemplo, como resultado de las sanciones y restricciones sobre el almacenamiento de sustancias peligrosas), aunque sigue habiendo una fabricación considerable en regiones con menos control y, por lo tanto, mayor riesgo.4 El control sobre la contaminación y las severas sanciones que pueden imponerse han desalentado las emisiones significativas de las plantas en la mayoría de los lugares.
REACH es la legislación más comentada que afecta a los productos químicos.3 Esta y otras legislaciones químicas afectan directamente a la fabricación de productos químicos y afines mediante la restricción de la disponibilidad de un número cada vez mayor de sustancias químicas comunes. Mientras que sustancias muy peligrosas, como el organomercurio y los compuestos de plomo, han sido objeto de un riguroso escrutinio durante muchos años, las nuevas restricciones en el uso de otras, como los cromatos y los compuestos de cobalto, pueden tener un impacto considerable en algunas químicas industriales, incluidas las oxidaciones. Aunque REACH avanza con lentitud (hasta la próxima década no se habrán probado todas las sustancias químicas sujetas a REACH), han aparecido listas no oficiales de sustancias a sustituir. Probablemente, la más destacada es la llamada lista SIN (“sustitúyalo ahora”).5 En esta lista aparecen varios centenares de sustancias químicas y está influyendo en algunos usuarios finales que no quieren que sus productos contengan ninguna de las sustancias químicas de estas “listas rojas” disponibles públicamente.
Quizás el mayor impacto se producirá en el uso de disolventes, ya que muchos de los disolventes orgánicos más comunes están amenazados por REACH: entre ellos se encuentran la N-metil-2-pirrolidona (NMP), la dimetilformamida (DMF) y la dimetilacetamida (DMAc).6 (Para más información sobre las guías de sustitución de disolventes, véase el capítulo 2, “Herramientas para facilitar una química medicinal más sostenible”, de Helen Sneddon y el capítulo 3 de James Sherwood sobre la selección de disolventes renovables). La industria electrónica también ha sido objeto de una legislación química que pretende sustituir las sustancias especialmente peligrosas. La RoHS (restricción de sustancias peligrosas) se centra en determinadas sustancias químicas, como el plomo, el mercurio, los cromatos de cadmio y los retardantes de llama polibromados.7
1.2.2 Sostenibilidad de los elementos
Además de que las sustancias se restrinjan o dejen de estar disponibles debido a cambios en la legislación, también pueden estar en peligro debido a problemas de suministro. Los elementos utilizados por la industria química, tanto en las etapas de fabricación (por ejemplo, como catalizadores) como en los propios productos, incluyen compuestos organohalogenados y numerosos compuestos orgánicos que contienen heteroátomos, como el fósforo, el azufre y el boro. Estos se extraen de minerales vírgenes y otras fuentes naturales que, al igual que el petróleo, son finitas y requieren una gran cantidad de energía para su extracción. Aunque el carbono renovable ha sido un tema candente durante la última década (véase la siguiente sección), sólo en los últimos dos años se ha ampliado la atención para incluir otros elementos críticos, como el fósforo y muchos metales (véase el capítulo 5 sobre sostenibilidad elemental, de Andrew Hunt). En la tabla 1.1 se enumeran algunos de los elementos preocupantes. En la actualidad se considera que muchos elementos están amenazados en cuanto a las tasas de uso previstas y las reservas conocidas.8
| Elemento | Algunas áreas de uso |
|---|---|
| Fósforo | Detergentes, productos agroquímicos |
| Germanio | Fibra óptica, semiconductores |
| Indium | Células solares, LCD |
| Antimonio | Baterías, catálisis |
| Neodimio | Automóviles híbridos, turbinas eólicas |
Algunos pueden agotarse en 10 años (por ejemplopor ejemplo, el indio y el germanio). Aunque se están descubriendo nuevas reservas, al igual que ocurre con el petróleo, a menudo son de baja calidad y tienen un alto coste económico y medioambiental. Resulta irónico que algunas escaseces (por ejemplo, el litio y algunas de las tierras raras) sean el resultado del aumento de las tasas de uso de las tecnologías bajas en carbono. Aunque no cabe duda de que necesitamos tecnologías con bajas emisiones de carbono fósil, debemos introducirlas con los ojos bien abiertos ante las consecuencias, como el elevado uso de otros elementos críticos.9
Una de las formas en que los investigadores están respondiendo a la criticidad de algunos elementos es mediante un uso mucho más inteligente de estos elementos, es decir, un mejor diseño y reciclaje de los catalizadores (que se trata en el capítulo 11), y mediante el desarrollo de catalizadores que eviten el uso de elementos críticos centrándose en el uso de metales base más abundantes (capítulo 16).
1.2.3 Recursos renovables
La fabricación de productos químicos depende de los recursos. El petróleo ha dominado la industria como materia prima del carbono, con algunas excepciones, como un pequeño porcentaje de compuestos derivados naturalmente (por ejemplo, para su uso en productos de cuidado personal y farmacéuticos) y productos químicos derivados del carbón en Sudáfrica (desarrollados para superar las barreras comerciales introducidas en la época del apartheid).
Cada vez hay más presión, especialmente por parte de los consumidores, para que los fabricantes produzcan productos químicos de origen biológico como sustitutos de los recursos fósiles y de las sustancias que ahora se consideran peligrosas para nosotros o para el medio ambiente. Se considera que el paso a los productos de base biológica tiene una serie de ventajas:10 Utilización de recursos renovables y prescindibles Menor dependencia de los limitados y cada vez más caros recursos fósiles Potencial de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (neutralidad del carbono/bajo impacto del carbono) Potencial de producción industrial sostenible Mejora potencial de la salud de las comunidades Apoyo al desarrollo rural Aumento de la competitividad industrial a través de productos innovadores ecoeficientes Potencial de transferencia a otras regiones del mundo, incluida la transferencia de tecnologías apropiadas descubiertas y probadas en la UE
Vijayendran estimó recientemente que para 2025 más del 15% del mercado mundial de productos químicos, que asciende a 3 billones de dólares, procederá de fuentes biológicas.11 Los ingredientes farmacéuticos activos (API), los polímeros, los cosméticos, los lubricantes y los disolventes también han sido estimados como los subsegmentos más importantes del sector químico por el grupo consultivo ad hoc para los productos de base biológica.10 Se espera que los API en particular, con un 33,7% de las ventas mundiales de productos químicos, sean el segmento químico con el mayor porcentaje de ventas de productos producidos mediante procesos biotecnológicos. A medida que empecemos a alejarnos de los productos petroquímicos, el uso de la biomasa como materia prima química será cada vez más importante.12
1.3 La biomasa como materia prima química
En general, se entiende por biomasa los biorrecursos de gran volumen y bajo valor que pueden utilizarse como materia prima para fabricar productos químicos, combustibles y materiales. Para distinguir la biomasa de los recursos fósiles, como el carbón y el petróleo (en sí mismos biomasa antigua), es prudente limitarse a los recursos que tienen menos de 100-200 años (recursos que tienen un ciclo de vida similar al del hombre). De este modo, podemos considerar que la biomasa incluye Residuos forestales Árboles de corta rotación Residuos agrícolas, incluidas las pajas Residuos del procesado de alimentos, incluidas las cáscaras, las piedras, las cáscaras Céspedes y otra biomasa cultivada en tierra no utilizada para la alimentación Residuos marinos Macroalgas (algas), microalgas y otra biomasa cultivada en el agua no utilizada para la alimentación Otros residuos alimentarios
La cantidad total de esta biomasa disponible no se conoce con precisión, pero se ha estimado anteriormente en 50.000 millones de toneladas al año, incluidos 1.300 millones de toneladas al año de residuos alimentarios.13,14
Podemos clasificar la biomasa en 3 categorías principales:12 Carbohidratos (almidón, celulosa y hemicelulosa) incluida la lignina de la biomasa lignocelulósica Triglicéridos (aceite de soja, palma, colza, girasol) Residuos orgánicos mixtos
La biomasa lignocelulósica consiste en materia vegetal seca que contiene celulosa, hemicelulosa y lignina. Puede provenir de una variedad de cultivos dedicados, como el miscanthus, el sauce o el álamo. También se pueden obtener materias primas a partir de residuos como la paja de arroz o de trigo, los residuos forestales y la pasta de papel de la industria papelera. Los residuos alimentarios son otra materia prima rica en moléculas funcionalizadas. Aunque son biodegradables, deberían valorizarse como materia prima para productos químicos renovables, materiales y biocombustibles, lo que nos llevaría a minimizar los residuos y a reducir la dependencia de los recursos fósiles. La utilización de los materiales de desecho tiene la ventaja clave de que evita la competencia por las tierras agrícolas que podrían utilizarse para la producción de alimentos, al tiempo que genera valor a partir de residuos que, de otro modo, podrían desperdiciarse.15 Por estas razones, la valorización de los residuos se considera una fuente cada vez más importante tanto de productos químicos como de energía.
Además de las moléculas funcionales extraíbles que se encuentran en la biomasa, también podemos fabricar otras moléculas funcionales útiles o “moléculas de plataforma”, como el ácido succínico, el ácido láctico y la levoglucosenona, mediante el procesamiento bioquímico o termoquímico de los componentes celulósicos a granel de muchos tipos de biomasa. Una biorrefinería es un análogo de la actual petro-refinería en el sentido de que produce energía y productos químicos. Las principales diferencias radican en la materia prima que utilizará, que va desde la biomasa hasta los residuos (Figura 1.2).
Las biorrefinerías pueden considerarse de tres tipos. Las biorrefinerías de tipo 1 se centran en la conversión de una materia prima, mediante un proceso y con un único producto. Una planta de producción de biodiésel sería un buen ejemplo: se utiliza colza o girasol para la extracción de aceite, que posteriormente se transesterifica para producir ésteres metílicos de ácidos grasos o biodiésel utilizando metanol y un catalizador.
Las biorrefinerías de tipo 2 se diferencian del primer tipo por el número de productos. Un ejemplo típico es la producción de almidón, etanol y ácido láctico junto con jarabe de alta fructosa, jarabe de maíz, aceite de maíz y harina de maíz a partir de operaciones de molienda húmeda de maíz. Un ejemplo más reciente que se ha sugerido es el uso de residuos de cítricos, como la piel de naranja (Figura 1.3).16
Las biorrefinerías de tipo 3 permiten combinar un mayor número de tecnologías. También permiten un mayor número de productos que generan dos o más productos de base biológica y el residuo se utiliza para producir energía (ya sea combustible, electricidad y/o calor). Algunos ejemplos son las biorrefinerías de cultivos enteros, que utilizan varios subproductos agrícolas procedentes del mismo cultivo. Las biorrefinerías de tipo 3 suelen ser las que se dirigen a la producción de productos químicos y combustibles.
A medida que se desarrolla el concepto de biorrefinería, es imperativo que se aplique una tecnología limpia que garantice que su(s) producción(es) sea(n) verdaderamente sostenible(s). El Grupo de Trabajo 42 sobre Bioenergía de la AIE define la biorrefinería como “la transformación sostenible de la biomasa en un espectro de productos de base biológica (alimentos, piensos, productos químicos y/o materiales) y bioenergía (biocombustibles, energía y/o calor).17 En el futuro, surgirán comercialmente diversas biorrefinerías que aprovecharán la tecnología flexible, ayudando al concepto de biorrefinería a procesar la biomasa disponible localmente en un ciclo integrado de combustible-producto químico-material-energía, mejorando la calidad de vida de la población local y disminuyendo el impacto ambiental regido por las tres dimensiones de la sostenibilidad: protección ambiental, progreso social y desarrollo económico.12
La Química Verde está ayudando a impulsar la revolución de las energías renovables, señalando el camino hacia la sustitución de las materias primas fósiles y hacia un enfoque de economía más circular en la utilización de los recursos. Las tres etapas fundamentales del ciclo de vida del producto ya no son suficientes: ahora hay que añadir una etapa que devuelva los recursos del artículo gastado a la producción útil. En principio, esto podría formar parte del ciclo natural del carbono para los materiales orgánicos, de modo que sólo tenemos que asegurarnos de que los artículos se recogen (mejor infraestructura) y de que son (rápidamente) biodegradables. La limitación es que la naturaleza tiende a transferir la mayor parte de su carbono en forma de dióxido de carbono y otras moléculas simples, que luego requieren un esfuerzo para su acumulación (realizando reacciones químicas, etc. que consumen recursos y generan sus propios residuos). En el caso de los recursos inorgánicos, no podemos confiar en ningún tipo de ciclo natural para la mayoría de los elementos. Nuestro enfoque lineal actual, consistente en extraer minerales, procesarlos para fabricar metales, utilizar esos metales en la fabricación de artículos complejos y luego eliminarlos en vertederos, no puede devolvernos los recursos de ninguna manera útil. Más bien tenemos que construir nuestros propios sistemas de bucle cerrado de recursos inorgánicos en los que los recursos, normalmente metales, se recuperen de los artículos originales en los que se utilizan, y en una forma que pueda utilizarse fácilmente para la misma o diferente aplicación. Esto requerirá cambios fundamentales en el diseño de los artículos que permitan un fácil desmontaje a nivel de recursos, lo que a veces se denomina “benigno por diseño”.
1.4 Principales iniciativas en todo el mundo
Como ya se ha comentado, el aumento de la legislación, la limitación de los recursos y los cambios en la opinión científica y pública hacen que sea cada vez más necesario que las industrias y el mundo académico trabajen juntos hacia prácticas más ecológicas y sostenibles. Es vital que dotemos a la próxima generación de científicos de los conocimientos y habilidades necesarios para ello.
Desde los humildes comienzos de unos pocos grupos de investigación que trabajaban en áreas como la sustitución de reactivos peligrosos de uso común, como el AlCl3, en la década de 1980, pasando por el movimiento de la Química Verde iniciado por la EPA de Estados Unidos en la década de 1990, existen ahora muchas iniciativas de química verde y sostenible en todo el mundo. Éstas van desde grandes centros que trabajan en diversas áreas hasta programas y redes educativas. La Química Verde se está abriendo camino en varias etapas de la educación y en varios países: probablemente los programas educativos más reconocibles son los cursos de máster que se imparten actualmente en países como el Reino Unido, Francia, España, Canadá, Grecia, India y Bulgaria.18 La Química Verde está probablemente menos desarrollada en los niveles de grado, pero en Estados Unidos se calcula que 13 universidades ofrecen cursos de Química Verde, siendo Berkeley especialmente activa, incluyendo el desarrollo de actividades en línea.11 Varios libros y otros recursos ofrecen prácticas de Química Verde, sobre todo para cursos de grado.19
Los centros de Química Verde (en su mayoría con base en la universidad, con más de un académico de alto nivel en el centro, y con una gama de actividades que van más allá de la investigación para incluir, por ejemplo, la educación y la creación de redes) se están extendiendo con varios en los EE.UU. (incluyendo la UC Berkeley y UMass Boston) y otros en Australia (Centro de Química Verde en Monash), Corea (incluyendo el Instituto Coreano de Investigación de Tecnología Química), México (UANL, Monterrey), India (Universidad de Delhi), Canadá (Centro Verde Canadá) y Reino Unido (Universidad de York).20
La Red de Química Verde (GCN) ha iniciado recientemente una red de centros de química verde y sostenible (G2C2) en un intento de mejorar la comunicación entre los centros existentes y proporcionar una guía para los centros emergentes, como en Brasil y Sudáfrica.21 La primera reunión de centros internacionales tuvo lugar en Delhi en diciembre de 2013.22 Además, el Instituto de Química Verde es muy activo en la promoción de varias iniciativas importantes de Química Verde, como la ecologización de los procesos farmacéuticos.23,24 Las colaboraciones entre el mundo académico y la industria también son clave en el desarrollo de tecnologías y proyectos de vanguardia, como el proyecto del IMI “CHEM21 (Métodos de fabricación química para las industrias farmacéuticas del siglo XXI)”.25 El objetivo de este proyecto es trabajar en el desarrollo de metodologías más ecológicas mediante el desarrollo de alternativas biológicas y químicas sostenibles a materiales finitos, como los metales preciosos. Muchos de los temas del proyecto se tratan en los capítulos de este libro.
1.5 Resumen
La química verde, la ingeniería verde y el diseño sostenible deben tenerse en cuenta a la hora de avanzar hacia procesos más apropiados para el medio ambiente. Los cambios en la opinión pública, la legislación y la disponibilidad de recursos están impulsando el cambio. La aplicación de REACH y el desarrollo de las “listas SIN” de productos químicos, cuyo objetivo es restringir el uso de muchas sustancias químicas, tiene una amplia repercusión en las industrias manufactureras. La disponibilidad limitada de muchos recursos significa que debemos desarrollar sistemas de circuito cerrado y avanzar hacia una economía circular. El concepto de biorrefinería permite convertir la biomasa en productos químicos y energía útiles, reduciendo nuestra dependencia de los recursos fósiles. Hay muchas iniciativas en todo el mundo que buscan ayudar a la innovación en el área de la química verde y sostenible y educar a la próxima generación de científicos.
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