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Química verde

La química verde , similar a la química sostenible o la química circular , [ 1 ] es un área de la química y la ingeniería química centrada en el diseño de productos y procesos q...

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La química verde , similar a la química sostenible o la química circular , [ 1 ] es un área de la química y la ingeniería química centrada en el diseño de productos y procesos que minimizan o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas. [ 2 ] Mientras que la química ambiental se centra en los efectos de los contaminantes químicos en la naturaleza, la química verde se centra en el impacto ambiental de la química, incluyendo la reducción del consumo de recursos no renovables y los enfoques tecnológicos para prevenir la contaminación . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

Los objetivos generales de la química verde —a saber, un diseño más eficiente en el uso de recursos y más seguro de moléculas, materiales, productos y procesos— pueden perseguirse en una amplia gama de contextos. [ 9 ]

Definición

La química verde (también llamada química sostenible) es el diseño de productos y procesos químicos que reducen o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas. [ 10 ] [ 11 ] El concepto integra enfoques de prevención de la contaminación e intensificación de procesos a escala de laboratorio e industrial para mejorar la eficiencia de los recursos y minimizar los residuos y los riesgos a lo largo del ciclo de vida de los productos químicos y los materiales. [ 12 ]

Historia

La química verde evolucionó y surgió a partir de diversas ideas y esfuerzos de investigación existentes (como la prevención de la contaminación, la economía atómica y la catálisis ) en el período previo a la década de 1990, en el contexto de una creciente atención a los problemas de la contaminación química y el agotamiento de los recursos . El desarrollo de la química verde en Europa y Estados Unidos fue precedido por un cambio en las estrategias de resolución de problemas ambientales: un movimiento desde la regulación de mando y control y la reducción obligatoria de las emisiones industriales al final del proceso, hacia el concepto interdisciplinario más amplio de prevención de la contaminación mediante el diseño innovador de las propias tecnologías de producción. El conjunto más restringido de conceptos, posteriormente reconocido y renombrado como química verde, se consolidó entre mediados y finales de la década de 1990, junto con una mayor adopción del nuevo término en la literatura académica (que prevaleció sobre términos anteriores en competencia, como química "limpia" y "sostenible"). [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] : 17–20

En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental desempeñó un papel de apoyo significativo en el desarrollo de la química verde a partir de sus programas previos de prevención de la contaminación, financiación y coordinación cooperativa con la industria. Al mismo tiempo, en el Reino Unido, investigadores de la Universidad de York , que utilizaron el término "tecnología limpia" a principios de la década de 1990, contribuyeron al establecimiento de la Red de Química Verde dentro de la Real Sociedad de Química y al lanzamiento de la revista Green Chemistry . [ 14 ] En 1991, en los Países Bajos, se publicó un número especial llamado "química verde" [groene chemie] en Chemisch Magazine . En el contexto neerlandés, el término general química verde se asociaba con la explotación de la biomasa como materia prima renovable. [ 16 ]

Principios

En 1998, Paul Anastas (quien entonces dirigía el Programa de Química Verde de la EPA de EE. UU. ) y John C. Warner (entonces de Polaroid Corporation ) publicaron un conjunto de principios para guiar la práctica de la química verde. [ 17 ] Los doce principios abordan diversas maneras de reducir los impactos ambientales y en la salud de la producción química, e indican también las prioridades de investigación para el desarrollo de tecnologías de química verde. [ 18 ]

Los principios abarcan conceptos como:

Los doce principios de la química verde son: [ 19 ]

  1. Prevención: Es mejor prevenir la generación de residuos que tratarlos o limpiarlos una vez que se han producido.
  2. Economía atómica : Los métodos sintéticos deben procurar maximizar la incorporación de todos los materiales utilizados en el proceso al producto final. Esto significa que se generarán menos residuos.
  3. Síntesis químicas menos peligrosas: Los métodos sintéticos deben evitar el uso o la generación de sustancias tóxicas para los seres humanos y/o el medio ambiente.
  4. Diseño de productos químicos más seguros: Los productos químicos deben diseñarse para lograr la función deseada siendo lo menos tóxicos posible.
  5. Disolventes y auxiliares más seguros: Deben evitarse las sustancias auxiliares siempre que sea posible, y cuando sea imprescindible utilizarlas, deben ser lo menos peligrosas posible.
  6. Diseño para la eficiencia energética: Los requisitos energéticos deben minimizarse y los procesos deben llevarse a cabo a temperatura y presión ambiente siempre que sea posible.
  7. Uso de materias primas renovables: Siempre que sea posible, se deben preferir las materias primas renovables a las no renovables.
  8. Reducir la generación de derivados: La generación innecesaria de derivados, como el uso de grupos protectores , debe minimizarse o evitarse en la medida de lo posible; estos pasos requieren reactivos adicionales y pueden generar residuos adicionales.
  9. Catálisis: Los reactivos catalíticos que pueden utilizarse en pequeñas cantidades para repetir una reacción son superiores a los reactivos estequiométricos (aquellos que se consumen en una reacción).
  10. Diseño para la degradación: Los productos químicos deben diseñarse de manera que no contaminen el medio ambiente; una vez que hayan cumplido su función, deben descomponerse en productos no dañinos.
  11. Análisis en tiempo real para la prevención de la contaminación: Es necesario seguir desarrollando las metodologías analíticas para permitir la monitorización y el control en tiempo real durante el proceso, antes de que se formen sustancias peligrosas.
  12. Química intrínsecamente más segura para la prevención de accidentes: Siempre que sea posible, las sustancias utilizadas en un proceso, y las formas en que se presentan, deben elegirse para minimizar riesgos como explosiones, incendios y fugas accidentales.

Se están realizando esfuerzos no solo para cuantificar la sostenibilidad de un proceso químico, sino también para considerar otras variables, como el rendimiento químico , el precio de los componentes de la reacción, la seguridad en el manejo de los productos químicos, los requisitos de hardware, el perfil energético y la facilidad de procesamiento y purificación del producto. En un estudio cuantitativo, [ 20 ] la reducción de nitrobenceno a anilina recibe 64 puntos de 100, lo que la califica como una síntesis aceptable en general, mientras que una síntesis de una amida utilizando HMDS solo se describe como adecuada con un total de 32 puntos.

Se aplican métodos de química verde al desarrollo y fabricación de nanomateriales , prestando atención a los impactos del ciclo de vida y la posible nanotoxicidad . [ 21 ] [ 22 ]

Ejemplos

disolventes ecológicos

La principal aplicación de los solventes en las actividades humanas es en pinturas y recubrimientos (46% del uso). Las aplicaciones de menor volumen incluyen limpieza, desengrasado, adhesivos y en síntesis química. [ 23 ] Los solventes tradicionales suelen ser tóxicos o estar clorados. Los solventes verdes, por otro lado, son generalmente menos dañinos para la salud y el medio ambiente y preferiblemente más sostenibles. Idealmente, los solventes se derivarían de recursos renovables y se biodegradarían en productos inocuos que se encuentran a menudo en la naturaleza. [ 24 ] [ 25 ] Sin embargo, la fabricación de solventes a partir de biomasa puede ser más dañina para el medio ambiente que la fabricación de los mismos solventes a partir de combustibles fósiles . [ 26 ] Por lo tanto, el impacto ambiental de la fabricación de solventes debe considerarse cuando se selecciona un solvente para un producto o proceso. [ 27 ] Otro factor a considerar es el destino del solvente después de su uso. Si el solvente se utiliza en una situación cerrada donde la recolección y el reciclaje del solvente son factibles, entonces se debe considerar el costo de energía y el daño ambiental asociado con el reciclaje; En tal situación, el agua, cuya purificación requiere mucha energía, puede no ser la opción más ecológica. Por otro lado, es probable que un disolvente contenido en un producto de consumo se libere al medio ambiente al utilizarse, por lo que el impacto ambiental del propio disolvente es más importante que el coste energético y el impacto del reciclaje del disolvente; en tal caso, es muy probable que el agua sea una opción ecológica. En resumen, debe considerarse el impacto de todo el ciclo de vida del disolvente, desde su origen hasta su eliminación (o de la cuna a la cuna si se recicla). Por lo tanto, la definición más completa de un disolvente ecológico es la siguiente: « un disolvente ecológico es aquel que hace que un producto o proceso tenga el menor impacto ambiental a lo largo de todo su ciclo de vida » . [ 28 ]

Por definición, un disolvente puede ser ecológico para una aplicación (porque produce menos daño ambiental que cualquier otro disolvente que podría usarse para esa aplicación) y, sin embargo, no serlo para otra aplicación. Un ejemplo clásico es el agua , que es un disolvente muy ecológico para productos de consumo, como el limpiador de inodoros , pero no lo es para la fabricación de politetrafluoroetileno . Para la producción de ese polímero, el uso de agua como disolvente requiere la adición de tensioactivos perfluorados, que son altamente persistentes. En cambio, el dióxido de carbono supercrítico parece ser el disolvente más ecológico para esa aplicación porque funciona bien sin ningún tensioactivo. [ 28 ] En resumen, ningún disolvente puede declararse "disolvente ecológico" a menos que la declaración se limite a una aplicación específica.

Técnicas sintéticas

Las técnicas sintéticas novedosas o mejoradas a menudo pueden proporcionar un mejor desempeño ambiental o permitir una mejor adhesión a los principios de la química verde. Por ejemplo, el Premio Nobel de Química de 2005 fue otorgado a Yves Chauvin, Robert H. Grubbs y Richard R. Schrock, por el desarrollo del método de metátesis en síntesis orgánica, con referencia explícita a su contribución a la química verde y a la "producción más inteligente". [ 29 ] Una revisión de 2005 identificó tres desarrollos clave en química verde en el campo de la síntesis orgánica : el uso de dióxido de carbono supercrítico como disolvente verde, peróxido de hidrógeno acuoso para oxidaciones limpias y el uso de hidrógeno en síntesis asimétrica . [ 30 ] Algunos ejemplos adicionales de química verde aplicada son la oxidación de agua supercrítica , [ 31 ] las reacciones en agua , [ 32 ] y las reacciones en medios secos . [ 33 ]

La bioingeniería también se considera una técnica prometedora para alcanzar los objetivos de la química verde. En organismos modificados genéticamente se pueden sintetizar varios productos químicos importantes para procesos industriales, como el shikimato , un precursor del Tamiflu que Roche fermenta en bacterias. La química click se cita a menudo como un método de síntesis química compatible con los objetivos de la química verde. [ 34 ] Recientemente se ha formulado el concepto de «farmacia verde» basándose en principios similares. [ 35 ]

Dióxido de carbono como agente espumante

En 1996, Dow Chemical ganó el premio Greener Reaction Conditions de 1996 por su agente espumante de dióxido de carbono al 100 % para la producción de espuma de poliestireno . La espuma de poliestireno es un material común utilizado en el embalaje y el transporte de alimentos. Solo en Estados Unidos se producen setecientos millones de libras al año. Tradicionalmente, en el proceso de producción de las láminas de espuma se utilizaban CFC y otros productos químicos que agotan la capa de ozono, lo que representa un grave peligro ambiental . También se han utilizado hidrocarburos inflamables, explosivos y, en algunos casos, tóxicos como sustitutos de los CFC, pero estos presentan sus propios problemas. Dow Chemical descubrió que el dióxido de carbono supercrítico funciona igual de bien como agente espumante, sin necesidad de sustancias peligrosas, lo que permite reciclar el poliestireno con mayor facilidad. El CO₂ utilizado en el proceso se reutiliza de otras industrias, por lo que la huella de carbono neta liberada por el proceso es cero. [ 36 ]

Hidracina

El segundo principio se aborda mediante el proceso de peróxido para producir hidracina sin cogeneración de sal. Tradicionalmente, la hidracina se produce mediante el proceso Olin-Raschig a partir de hipoclorito de sodio (el ingrediente activo en muchos blanqueadores ) y amoníaco . La reacción neta produce un equivalente de cloruro de sodio por cada equivalente del producto deseado, la hidracina: [ 37 ]

NaOCl + 2 NH 3 → H 2 N-NH 2 + NaCl + H 2 O

En el proceso de peróxido más ecológico , se emplea peróxido de hidrógeno como oxidante y el subproducto es agua. La conversión neta es la siguiente:

2 NH 3 + H 2 O 2 → H 2 N-NH 2 + 2 H 2 O

En cuanto al cuarto principio, este proceso no requiere disolventes de extracción auxiliares. Se utiliza metil etil cetona como portador de la hidrazina; la fase intermedia de ketazina se separa de la mezcla de reacción, lo que facilita el procesamiento sin necesidad de un disolvente de extracción.

1,3-Propanodiol

El séptimo principio plantea una vía ecológica para la obtención de 1,3-propanodiol , que tradicionalmente se genera a partir de precursores petroquímicos. Puede producirse a partir de precursores renovables mediante la bioseparación de 1,3-propanodiol utilizando una cepa de E. coli modificada genéticamente . [ 38 ] Este diol se utiliza para fabricar nuevos poliésteres para la confección de alfombras.

lactida

lactida

En 2002, Cargill Dow (ahora NatureWorks ) ganó el premio Greener Reaction Conditions Award por su método mejorado para la polimerización del ácido poliláctico . [ 39 ] Sin embargo, los polímeros a base de lactida no funcionan bien y el proyecto fue descontinuado por Dow en 2005. [ 40 ] El ácido láctico se produce fermentando maíz, y luego la lactida , el éster dimérico cíclico del ácido láctico, se produce utilizando una ciclación eficiente catalizada por estaño. El enantiómero L,L -lactida se aísla por destilación y se polimeriza en estado fundido para hacer un polímero cristalizable , que tiene algunas aplicaciones incluyendo textiles y prendas de vestir, cubiertos y envases de alimentos . El proceso de PLA de NatureWorks sustituye materiales renovables por materias primas derivadas del petróleo, no requiere el uso de disolventes orgánicos peligrosos típicos en otros procesos de PLA, y da como resultado un polímero de alta calidad que es reciclable y compostable.

Bases para baldosas de moqueta

En 2003, Shaw Industries seleccionó una combinación de resinas de poliolefina como polímero base para EcoWorx debido a la baja toxicidad de sus materias primas, sus propiedades adhesivas superiores, su estabilidad dimensional y su capacidad de reciclaje. El compuesto EcoWorx también debía diseñarse para ser compatible con la fibra de alfombra de nailon. Si bien EcoWorx puede recuperarse de cualquier tipo de fibra, el nailon-6 ofrece una ventaja significativa. Las poliolefinas son compatibles con los métodos conocidos de despolimerización del nailon-6. El PVC interfiere con estos procesos. La química del nailon-6 es bien conocida y no se aborda en la producción de primera generación. Desde su concepción, EcoWorx cumplió con todos los criterios de diseño necesarios para satisfacer las necesidades del mercado desde el punto de vista del rendimiento, la salud y el medio ambiente. La investigación indicó que la separación de la fibra y el soporte mediante elutriación , molienda y separación por aire demostró ser la mejor manera de recuperar los componentes de la cara y el soporte, pero era necesaria una infraestructura para devolver el EcoWorx posconsumo al proceso de elutriación. La investigación también indicó que la loseta de moqueta posconsumo tenía un valor económico positivo al final de su vida útil. EcoWorx está reconocida por MBDC como un diseño certificado de ciclo cerrado . [ 41 ] [ 42 ]

Transesterificación de grasas

Ácidos grasos trans y cis

En 2005, Archer Daniels Midland (ADM) y Novozymes ganaron el premio Greener Synthetic Pathways Award por su proceso de interesterificación enzimática . En respuesta a la exigencia de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) de incluir el etiquetado de grasas trans en la información nutricional a partir del 1 de enero de 2006, Novozymes y ADM colaboraron para desarrollar un proceso enzimático limpio para la interesterificación de aceites y grasas mediante el intercambio de ácidos grasos saturados e insaturados. El resultado son productos comercialmente viables sin grasas trans . Además de los beneficios para la salud humana derivados de la eliminación de las grasas trans , el proceso ha reducido el uso de productos químicos tóxicos y agua, evita la generación de grandes cantidades de subproductos y disminuye el desperdicio de grasas y aceites.

ácido biosuccínico

En 2011, el premio a los logros más destacados en química verde por parte de una pequeña empresa fue otorgado a BioAmber Inc. por la producción integrada y las aplicaciones posteriores del ácido succínico de origen biológico . El ácido succínico es un producto químico básico que constituye una materia prima importante en la formulación de productos cotidianos. Tradicionalmente, el ácido succínico se produce a partir de materias primas derivadas del petróleo. BioAmber ha desarrollado un proceso y una tecnología que producen ácido succínico mediante la fermentación de materias primas renovables a un menor costo y con menor consumo de energía que el equivalente derivado del petróleo, capturando CO₂ en lugar de emitirlo. [ 43 ] Sin embargo, la caída de los precios del petróleo llevó a la empresa a la quiebra, [ 44 ] y actualmente el ácido succínico de origen biológico se produce con poca frecuencia. [ 45 ]

Productos químicos de laboratorio

Varios productos químicos de laboratorio son controvertidos desde la perspectiva de la química verde. El Instituto Tecnológico de Massachusetts creó un Asistente de Alternativas "Verdes".para ayudar a identificar alternativas. El bromuro de etidio , el xileno , el mercurio y el formaldehído se han identificado como los "peores infractores" que tienen alternativas. [ 46 ] Los solventes en particular hacen una gran contribución al impacto ambiental de la fabricación de productos químicos y hay un enfoque creciente en introducir solventes más verdes en la etapa más temprana del desarrollo de estos procesos: métodos de reacción y purificación a escala de laboratorio. [ 47 ] En la industria farmacéutica, tanto GSK [ 48 ] como Pfizer [ 49 ] han publicado Guías de selección de solventes para sus químicos de descubrimiento de fármacos.

Legislación

La UE

En 2007, la UE implementó el programa de Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas (REACH), que exige a las empresas proporcionar datos que demuestren la seguridad de sus productos. Este reglamento (1907/2006) garantiza no solo la evaluación de los peligros y riesgos de las sustancias químicas durante su uso, sino que también incluye medidas para prohibir, restringir o autorizar el uso de sustancias específicas. La ECHA , la Agencia Europea de Sustancias Químicas con sede en Helsinki , es la encargada de la implementación del reglamento, mientras que la aplicación recae en los Estados miembros de la UE.

Estados Unidos

Estados Unidos creó la Agencia de Protección Ambiental (EPA) en 1970 para proteger la salud humana y ambiental mediante la creación y aplicación de regulaciones ambientales. La química verde se basa en los objetivos de la EPA al alentar a químicos e ingenieros a diseñar productos químicos, procesos y productos que eviten la generación de toxinas y residuos. [ 50 ]

La ley estadounidense que rige la mayoría de los productos químicos industriales (excluidos los plaguicidas, los alimentos y los productos farmacéuticos) es la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA, por sus siglas en inglés) de 1976. Al examinar el papel de los programas regulatorios en la configuración del desarrollo de la química verde en Estados Unidos, los analistas han revelado fallas estructurales y debilidades de larga data en la TSCA; por ejemplo, un informe de 2006 a la Legislatura de California concluye que la TSCA ha creado un mercado químico nacional que infravalora las propiedades peligrosas de los productos químicos en relación con su función, precio y rendimiento. [ 51 ] Los académicos han argumentado que tales condiciones de mercado representan una barrera clave para el éxito científico, técnico y comercial de la química verde en Estados Unidos, y se necesitan cambios políticos fundamentales para corregir estas debilidades. [ 52 ]

Aprobada en 1990, la Ley de Prevención de la Contaminación contribuyó a fomentar nuevos enfoques para abordar la contaminación, previniendo los problemas ambientales antes de que ocurran.

La química verde ganó popularidad en Estados Unidos tras la aprobación de la Ley de Prevención de la Contaminación de 1990. Esta ley establecía que la contaminación debía reducirse mejorando los diseños y productos, en lugar de mediante el tratamiento y la eliminación. Estas regulaciones impulsaron a los químicos a replantearse la contaminación e investigar formas de limitar las toxinas en la atmósfera. En 1991, la Oficina de Prevención de la Contaminación y Sustancias Tóxicas de la EPA creó un programa de subvenciones para la investigación que fomentaba la investigación y la recreación de productos y procesos químicos para limitar el impacto en el medio ambiente y la salud humana. [ 53 ] La EPA organiza anualmente el Desafío de la Química Verde para incentivar los beneficios económicos y ambientales del desarrollo y la utilización de la química verde. [ 54 ]

En 2008, el estado de California aprobó dos leyes destinadas a fomentar la química verde, dando inicio a la Iniciativa de Química Verde de California . Una de estas leyes exigía al Departamento de Control de Sustancias Tóxicas de California (DTSC) desarrollar nuevas regulaciones para priorizar las "sustancias químicas preocupantes" y promover la sustitución de sustancias químicas peligrosas por alternativas más seguras. Las regulaciones resultantes entraron en vigor en 2013, dando comienzo al Programa de Productos de Consumo Más Seguros del DTSC . [ 55 ]

Revistas científicas especializadas en química verde

Definición controvertida

Existen ambigüedades en la definición de química verde y en cómo se entiende en las comunidades científicas, políticas y empresariales en general. Incluso dentro de la química, los investigadores han utilizado el término "química verde" para describir una variedad de trabajos independientemente del marco propuesto por Anastas y Warner (es decir, los 12 principios). [ 14 ] Si bien no todos los usos del término son legítimos (véase ecoblanqueo ), muchos sí lo son, y el estatus de autoridad de cualquier definición individual es incierto. En términos más generales, la idea de química verde puede vincularse fácilmente (o confundirse) con conceptos relacionados como ingeniería verde , diseño ambiental o sostenibilidad en general. La complejidad y la naturaleza multifacética de la química verde dificultan la elaboración de métricas claras y sencillas . Como resultado, "qué es verde" suele ser objeto de debate. [ 56 ]

Premios

Varias sociedades científicas han creado premios para fomentar la investigación en química verde.

Véase también

Referencias

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