4.3: Pensamiento Molecular

Objetivos de aprendizaje

1. Explora el pensamiento sistémico a nivel molecular.
2. Enfoque en la innovación de materiales.
3. Proporcionar ejemplos de aplicaciones de química verde.

En esta discusión, te animamos a pensar en el nivel micro, como si fueras una molécula. Tendemos a enfocarnos en lo que es visible para el ojo humano, olvidando que el importante trabajo de diseño de productos humanos se lleva a cabo a escalas invisibles para los seres humanos. El pensamiento molecular, como subconjunto metafórico del pensamiento sistémico, proporciona una perspectiva útil al centrar la atención en componentes materiales invisibles y contaminantes. En la primera década del siglo XXI ha habido un fuerte énfasis en la energía limpia en los medios de comunicación. Sin embargo, nuestro mundo está compuesto de energía y materiales. Cuando examinamos materiales tendemos a enfocarnos en corrientes de desechos visibles, como los problemas de los residuos municipales, olvidando que algunos de los problemas de salud ambiental más urgentes son causados por compuestos microscópicos, y quizás a nanoescala. Estos compuestos contienen contaminantes persistentes que permanecen invisibles en el aire, el suelo y el agua y posteriormente se acumulan dentro de nuestro cuerpo a través de la ingestión de alimentos y agua. Pensar como una molécula puede revelar oportunidades de eficiencia e innovación que abordan problemas de exposición a materiales peligrosos; los principios de la química verde le brindan las herramientas para actuar sobre tales oportunidades. Las empresas discutidas en esta sección ofrecen ejemplos de esfuerzos exitosos de innovación en sustentabilidad a nivel molecular.

La química verde, un área emergente en la ciencia, se basa en un conjunto de doce principios de diseño.Paul T. Anastas y John C. Warner, Green Chemistry: Theory and Practice (Oxford: Oxford University Press, 1998). La aplicación de los principios puede reducir significativamente o incluso eliminar la generación de sustancias peligrosas en el diseño, fabricación y aplicación de productos químicos. La química verde ofrece muchos beneficios para el negocio. Sus principios rectores impulsan el diseño de nuevos productos y procesos en torno a criterios de salud y ambientales y pueden ayudar a las empresas a capturar las ganancias principales (ingresos) y finales (rentabilidad) dentro de la compañía y en todas las cadenas de valor. A medida que crece la demanda pública y los impulsores regulatorios de productos y procesos “limpios”, el pensamiento molecular permite a los empresarios dentro de las grandes y pequeñas empresas diferenciar sus negocios y obtener una ventaja competitiva sobre otros que están menos en sintonía con las cambiantes demandas del mercado.

En el ambiente ideal, los productos químicos verdes se derivan de materias primas renovables, y la toxicidad se previene deliberadamente a nivel molecular. La química verde también proporciona los medios para pasar de una economía basada en la petroquímica basada en materias primas de petróleo (de la que se derivan prácticamente todos los plásticos) a una economía de base biológica. Esto tiene profundas consecuencias para una amplia gama de temas, incluyendo la salud ambiental, la seguridad de los trabajadores, la seguridad nacional y el sector agrícola. Si bien ningún enfoque científico puede proporcionar todas las respuestas, la química verde juega un papel fundamental para permitir que las empresas obtengan beneficios concretos de un diseño más ecológico.

¿Qué significa perseguir la innovación en sustentabilidad a nivel molecular? Cuando se seleccionan y diseñan productos químicos y procesos químicos para eliminar los desechos, minimizar el uso de energía y degradarse de manera segura al desecharlos, el resultado es un conjunto de procesos optimizados para lograr la máxima eficiencia. Además, los peligros para quienes manejan los productos químicos, junto con los costos inherentes a los químicos, están diseñados tanto de productos como de procesos. Con la creciente presión sobre las empresas para que asuman la responsabilidad de los impactos adversos de las operaciones comerciales a lo largo de su cadena de suministro y la demanda de mayor transparencia por parte de las corporaciones, las organizaciones con visión de futuro, ya sean empresas emergentes o establecidas, deben evaluar cada vez más los productos y los pasos por peligro y toxicidad inherentes.

12 Principios de Química Verde

1. Prevenir el desperdicio, en lugar de tratarlo después de que se forme.
2. Maximizar la incorporación de todos los materiales de proceso en el producto final.
3. Utilizar y generar sustancias de poca o ninguna toxicidad.
4. Preservar la eficacia de la función mientras se reduce la toxicidad.
5. Eliminar o minimizar el uso o la toxicidad de sustancias auxiliares (por ejemplo, disolventes).
6. Reconocer y minimizar los requerimientos de energía; disparar a temperatura ambiente.
7. Utilizar materia prima renovable, si es económica y técnicamente posible.
8. Evitar derivatizaciones innecesarias (p. ej., grupo bloqueante, protección/desprotección).
9. Considere reactivos catalíticos superiores a los reactivos estequiométricos.
10. Diseñar el producto final para degradarse inocuamente, no persistir.
11. Desarrollar metodologías analíticas que faciliten el monitoreo y control en tiempo real.
12. Elija sustancias/formularios que minimicen el potencial de accidentes, liberaciones e incendios. Paul T. Anastas y John C. Warner, Química verde: teoría y práctica (Oxford: Oxford University Press, 1998), 30.

El pensamiento molecular, aplicado a través del uso de los principios de la química verde, le guía para examinar la naturaleza de los insumos materiales a sus productos. Una vez más, se requiere un enfoque del ciclo de vida para considerar, desde el principio, el destino final de sus salidas y productos de desecho. Este análisis puede ocurrir simultáneamente con la entrega de un producto de alta calidad al comprador. Así, pensar como una molécula, pide a los gerentes y ejecutivos de negocios que examinen no solo la funcionalidad inmediata de un producto sino todo su ciclo molecular, desde la materia prima, pasando por la fabricación y procesamiento, hasta el final de su vida útil y su eliminación. Los tomadores de decisiones inteligentes preguntarán, ¿De dónde sacamos nuestras materias primas? ¿Son renovables o limitados? ¿Son vulnerables a las fluctuaciones de precios y oferta? ¿Son vulnerables a las regulaciones emergentes de salud ambiental? ¿Son inherentemente benignos o el manejo del riesgo incurre en costos de manejo, procesamiento y eliminación? Los gerentes y empresarios de sustentabilidad también deben preguntarse si los químicos en sus productos se acumulan en el tejido humano o se biodegradan de manera inofensiva. ¿A dónde van los materiales moleculares cuando se tiran a la basura? ¿Permanecen estables en los rellenos sanitarios o se descomponen para contaminar los suministros locales de agua? ¿Su combinación crea toxinas nuevas y más potentes cuando se incineran? Si es así, ¿las emisiones atmosféricas pueden ser transportadas por las corrientes de viento e influir en el funcionamiento saludable de las personas y sistemas naturales lejos de la fuente?

Hasta hace muy poco estas preguntas no eran preocupaciones de negocios. Sin embargo, cada vez más las circunstancias exigen que pensemos pequeños (a nivel molecular e incluso nano) para pensar en grande (proporcionando productos seguros para dos a cuatro mil millones de aspirantes a ciudadanos de clase media en todo el mundo). A medida que diseñamos dispositivos de monitoreo más efectivos que son más capaces de detectar y analizar los impactos negativos en la salud de ciertos compuestos químicos persistentes, el seguimiento corporativo de los ingredientes del producto a nivel molecular se vuelve imperativo. El monitoreo de materiales químicos hasta la fecha ha sido impulsado principalmente por una mayor regulación, boicots de productos y campañas de mercado por parte de organizaciones sin fines de lucro orientadas a la salud. Pero en lugar de una defensa reactiva contra estas fuerzas crecientes, las empresas y los individuos emprendedores con visión de futuro ven nuevas áreas de oportunidad de negocio y crecimiento representadas por la ciencia actualizada y las cambiantes condiciones del mercado.

Los principios de diseño de química ecológica están siendo aplicados por una gama de compañías líderes en todos los sectores, incluidos los gigantes químicos Dow, DuPont y Rohm y Haas y productores de productos de consumo como SC Johnson, Shaw Industries y Merck & Co. Las pequeñas y medianas empresas como Ecover, Seventh Generation, Method, AgraQuest y Metabolix también juegan un papel innovador de liderazgo. (Consulte los ganadores del Premio Presidencial Green Chemistry Challenge para obtener una lista detallada de estos negocios.) Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, “Presidential Green Chemistry Challenge: Award Winners”, última actualización el 28 de julio de 2010, consultado el 3 de diciembre de 2010, www.epa.gov/greenchemistry/pubs/pgcc/past.html. Actualmente, el diseño y la innovación inspirados en la química ecológica han hecho incursiones en una amplia gama de aplicaciones, entre las que se incluyen las siguientes:

Adhesivos	Pesticidas
Productos de limpieza	Farmacéuticos
Productos químicos finos	Plásticos
Combustibles y tecnologías de energías renovables	Pulpa y papel
Nanotecnologías	Fabricación textil
Pinturas y recubrimientos	Purificación de agua

Incluida en la química verde está la idea de la economía atómica, que haría que los fabricantes usaran lo más completamente posible cada molécula de entrada en el producto de salida final. La industria farmacéutica, uno de los primeros en adoptar los principios de eficiencia química verde en los procesos de fabricación, utiliza una métrica llamada factor E para medir la relación de entradas a salidas en cualquier producto dado.La definición de factor E está evolucionando en este escrito. Actualmente las compañías farmacéuticas dedicadas a la química verde están debatiendo si incluir factores de entrada como energía, agua y otros insumos no tradicionales. En esencia, una medición de factor E le dice cuántas unidades de peso de salida se obtiene por unidad de peso de entrada. Esta cifra da a los gerentes una sensación de eficiencia de proceso y los costos inherentes asociados con las tasas de uso de desechos, energía y otros recursos. Al aplicar principios de química verde a los procesos de producción farmacéutica, las empresas han podido reducir drásticamente su factor E y aumentar significativamente las ganancias.

Merck & Co., por ejemplo, descubrió una síntesis catalítica altamente innovadora y eficiente para la sitagliptina, el ingrediente activo en Januvia, el nuevo tratamiento de la compañía para la diabetes tipo 2. Esta síntesis revolucionaria generó 220 libras menos de desechos por cada libra de sitagliptina fabricada y aumentó el rendimiento general en casi un 50 por ciento. A lo largo de la vida de Januvia, Merck espera eliminar la formación de al menos 330 millones de libras de desechos, incluyendo cerca de 110 millones de libras de residuos acuosos.US Agencia de Protección Ambiental, “Desafío Presidencial GC: Premios Pasados: 2006 Premio a Caminos Sintéticos Más Verdes”, última actualización el 21 de junio de 2010, accessed diciembre 2, 2010, www.epa.gov/greenchemistry/pubs/pgcc/winners/gspa06.html.

Pfizer

En 2002, la firma farmacéutica Pfizer ganó el premio Presidencial Green Chemistry Challenge de Estados Unidos por vías sintéticas alternativas por su innovación del proceso de fabricación del clorhidrato de sertralina (HCl). Sertralina HCl es el ingrediente activo de Zoloft, que es el agente más recetado de su tipo utilizado para tratar la depresión. En 2004, las ventas globales de Zoloft fueron de 3.400 millones de dólares. La sabiduría farmacéutica sostiene que las empresas compiten por la naturaleza del medicamento principalmente y en el proceso secundario, con el “rendimiento máximo” como objetivo principal. La química verde agrega una nueva dimensión a este cálculo: Pfizer y otras compañías farmacéuticas están descubriendo que al pensar como una molécula y aplicando innovaciones en procesos de química verde, ven que su economía atómica mejora exponencialmente.

En el caso de Pfizer, la compañía vio que podría reducir significativamente los costos de insumos. El nuevo proceso comercial ofreció dramáticos beneficios de prevención de la contaminación, redujo el uso de energía y agua, y mejoró la seguridad y el manejo de materiales. Como consecuencia, Pfizer mejoró significativamente la seguridad ambiental y de los trabajadores al tiempo que duplicó el rendimiento del producto. Esto se logró analizando cada paso químico. La mejora clave en la síntesis de sertralina fue reducir una secuencia de tres pasos en el proceso original a un solo paso.Stephen K. Ritter, “Green Challenge”, Chemical & Engineering News, 80, núm. 26 (2009): 30. En general, los cambios en el proceso redujeron el requerimiento de disolvente de 60,000 galones a 6,000 galones por tonelada de sertralina. Anualmente, los cambios eliminaron 440 toneladas métricas de desechos de sal de dióxido de titanio-clorhidrato de metilamina, 150 toneladas métricas de 35 por ciento de desechos de ácido clorhídrico y 100 toneladas métricas de 50 por ciento de desechos de hidróxido de sodio. Dado que la eliminación de desechos peligrosos es cada vez más costosa, esto representó ahorros reales ahora y evitó posibles costos futuros.

Al rediseñar el proceso químico para que fuera más eficiente y producir menos desechos dañinos y costosos, el proceso de producción de sertralina generó beneficios tanto económicos como ambientales y de salud para Pfizer. Por lo general, el 20 por ciento del precio al por mayor son los costos de fabricación, de los cuales aproximadamente el 20 por ciento es el costo de la tableta o cápsula y el porcentaje restante representa todos los demás materiales, energía, agua y costos de procesamiento. El uso de la química verde puede reducir significativamente ambos costos de insumos. A medida que las patentes caducan y los productos farmacéuticos son desafiados por genéricos más baratos, mantener el proceso de fabricación más eficiente y rentable será la clave para mantener la competitividad.

Como se mencionó anteriormente, el análisis de factor electrónico ofrece los medios para agilizar el procesamiento de materiales y capturar ahorros de costos. Una herramienta de evaluación de eficiencia para la industria farmacéutica, el factor E se define como la relación de kilogramos totales de todos los insumos (materias primas, solventes y productos químicos de procesamiento) utilizados por kilogramo de ingrediente activo (API) producido. Un estudio fundamental de 1994 indicó que como práctica estándar en la industria farmacéutica, por cada kilogramo de API producido, se generaron entre veinticinco y cien kilogramos o más de desechos, una proporción que aún se encuentra en la industria. Al final de la década, los factores E se estaban utilizando con mayor frecuencia para evaluar productos. Las empresas fueron identificando impulsores de valores altos de factor E y tomando medidas para mejorar la eficiencia. Multiplicar el factor E por los kilogramos estimados de API producidos por la industria en general sugiere que, para el año 2003, tanto como 500 millones a 2.5 mil millones de kilogramos de desechos podrían ser el subproducto de la fabricación de API de la industria farmacéutica. Este residuo representó una doble penalización: los costos asociados a la compra de productos químicos que finalmente se desvían del rendimiento de API y los costos asociados con la eliminación de estos desechos (que van de uno a cinco dólares por kilogramo dependiendo del peligro). Muy poca información es divulgada por los competidores en esta industria, pero una evaluación del ciclo de vida publicada en 2004 de GlaxoSmithKline de sus procesos de fabricación API reveló que aproximadamente 75 a 80 por ciento de los desechos producidos eran solventes (líquidos) y 20 a 25 por ciento sólidos, de los cuales una proporción considerable de ambos probablemente eran peligrosos según las leyes estatales y federales.

Durante años, la industria farmacéutica declaró que no produjo los volúmenes significativos de productos necesarios para preocuparse por la toxicidad y los desechos, particularmente en relación con los productores de productos químicos básicos. Sin embargo, la preocupación gubernamental y ciudadana por la seguridad de los productos y los altos niveles de medicamentos en las aguas residuales combinada con el creciente costo de la eliminación de desechos peligrosos está cambiando ese panorama con relativa rapidez. Con condiciones competitivas favorables erosionadas, las empresas han estado ansiosas por encontrar formas de reducir costos, eliminar riesgos, innovar y mejorar su imagen.

Después de implementar el proceso galardonado con la química verde como estándar en la fabricación de sertralina HCl, la experiencia de Pfizer indicó que los cambios en el proceso guiados por la química verde redujeron las relaciones de factor E a diez a veinte kilogramos. El potencial de reducir drásticamente los factores E a través de la química verde podría ser significativo. Otras compañías farmacéuticas que ganaron los premios Presidenciales Green Chemistry Challenge entre 1999 y 2010 —Lilly, Roche, Bristol-Meyers Squibb y Merck— reportaron mejoras de esta magnitud tras la aplicación de los principios de la química verde. Adicionalmente, Pfizer fue galardonado con el prestigioso premio Crystal Faraday ambiental del Reino Unido por la innovación en el rediseño del proceso de fabricación del citrato de sildenafilo (el ingrediente activo en el producto Viagra).

No es sorprendente que pensar como una molécula aplicada mediante el uso de los doce principios de la química verde se ajuste fácilmente a los programas de calidad corporativos existentes de Six Sigma cuyos principios consideran el desperdicio como un defecto del proceso. “Justo la primera vez” fue una iniciativa de calidad de la industria respaldada fuertemente por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos. El Dr. Berkeley (“Buzz”) Cue de Pfizer (retirado pero que sigue avanzando activamente en la química verde en la industria), al que se le atribuye la introducción de ideas de química verde a la industria farmacéutica, ve estas iniciativas como una lente que permite a las empresas mirar procesos y producir objetivos de una manera más integral way (una vista de sistemas), con programas de calidad que se adaptan fácilmente al enfoque e incluso lo mejoran.

El Dr. Cue, mirando hacia atrás en su historia con la química verde y Pfizer, dijo: “La pregunta es ¿qué ha aprendido Pfizer al comprender los principios de Química Verde que no solo los beneficia a corto plazo, sino que los posiciona para la innovación y las tendencias futuras?” Entrevista telefónica con Berkeley Cue, ejecutivo retirado de Pfizer, 16 de julio de 2003. Esta es una pregunta importante para los empresarios tanto de pequeñas empresas como de grandes empresas. Si piensas como una molécula, se presentan oportunidades pasadas por alto y posibilidades de diferenciación. ¿Estás calculando la relación entre entradas y salidas? ¿Su compañía ha capturado ahorros obvios en costos de eficiencia, mayor rendimiento del producto y rediseñado más moléculas efectivas para el cliente y el ciclo de vida? ¿Está perdiendo oportunidades para reducir o eliminar la supervisión regulatoria reemplazando insumos intrínsecamente peligrosos y tóxicos por materiales benignos? El cumplimiento normativo para los desechos químicos peligrosos representa una partida presupuestaria significativa y una carga de costos. Esos dólares serían más provechosos gastados en otros lugares.

La química verde también ha generado innovaciones revolucionarias en el sector agrícola. Los productores se enfrentan a un conjunto de desafíos crecientes relacionados con el uso de pesticidas químicos tradicionales. Una preocupación principal es que las plagas se están volviendo cada vez más resistentes a los pesticidas químicos convencionales. En algunos casos, los pesticidas deben aplicarse de dos a cinco veces para lograr lo que hizo una sola aplicación en la década de 1970. Además, las plagas pueden reproducirse y mutar lo suficientemente rápido como para desarrollar resistencia a un pesticida dentro de una temporada de crecimiento. El aumento de las tasas de uso de pesticidas agota el suelo y contamina los suministros de agua, y estos efectos secundarios negativos y costos (los llamados externalidades) se trasladan a los individuos mientras que la sociedad asume el costo.

AgraQuest

AgraQuest es una pequeña empresa innovadora con sede en Davis, California. La compañía fue fundada por la empresaria Pam Marrone, una bioquímica doctoral con la visión de aprovechar comercialmente el poder de los sistemas de defensa de plantas naturales. Marrone había dejado Monsanto, donde originalmente se había comprometido a realizar este trabajo, cuando esa compañía cambió su enfoque estratégico a las plantas genéticamente modificadas. Marrone buscó capital de riesgo y finalmente lanzó AgraQuest, una compañía privada, que en 2005 empleó a setenta y dos personas y esperaba ventas de aproximadamente 10 millones de dólares.

AgraQuest se diferenció estratégicamente al ofrecer productos que brindaban el servicio de manejo efectivo de plagas mientras resolvían problemas de resistencia a plagas, impacto ambiental y salud y seguridad de los trabajadores. AgraQuest proporciona un estudio de caso ejemplar de tecnología de química verde desarrollada y traída al mercado a un costo competitivo. La compañía también es un excelente ejemplo de cómo un negocio comercializa una tecnología disruptiva y lidia con los problemas que enfrentan un desafío al status quo.

Acerca de AgraQuest

Impulsando la revolución agrícola actual para obtener alimentos más limpios y seguros a través de biopesticidas efectivos y tecnologías innovadoras para una agricultura sustentable y altamente productiva y un mejor medio ambiente.

Como líder en soluciones innovadoras de manejo de plagas biológicas y de bajo contenido químico, AgraQuest está a la vanguardia de la nueva revolución agrícola y un cambio en la forma en que se cultivan los alimentos. AgraQuest se enfoca en descubrir, desarrollar, fabricar y comercializar biopesticidas altamente efectivos y productos de control de plagas y enfermedades de bajo contenido químico y mejorar el rendimiento para la agricultura sustentable, el hogar y el jardín, y los mercados de seguridad alimentaria. A través de sus Divisiones Agroquímicas y BioInnovaciones, AgraQuest proporciona a sus clientes y socios herramientas para crear soluciones que mejoren el valor. Andrea Larson y Karen O'Brien, a partir de entrevistas de campo; manuscrito sin titular/inédito, 2006.

Ganador del Premio Presidencial Green Chemistry Challenge Small Business Award en 2003 por su innovador proceso de biotecnología enzimática utilizado para generar sus productos, AgraQuest empleó una tecnología patentada para seleccionar microorganismos naturales para identificar aquellos que pueden tener plagas novedosas y efectivas características de gestión.Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., “Química Verde: Ganadores del Premio”, consultado el 28 de julio de 2010, www.epa.gov/gcc/pubs/pgcc/past.html. Los científicos de AgraQuest viajaron por todo el mundo buscando microbios prometedores para su análisis. Científicos de AgraQuest recolectaron muestras de microbios de todo el mundo, identificando aquellos que combaten las enfermedades y plagas que destruyen los cultivos. Una vez localizados, estos microorganismos fueron tamizados, cultivados y optimizados en las instalaciones de AgraQuest y luego enviados en forma de polvo o líquido a los cultivadores. En ensayos de campo y en uso comercial, se ha demostrado que los pesticidas microbianos de AgraQuest atacan enfermedades y plagas de cultivos y luego se biodegradan completamente, sin dejar residuos. Irónicamente, el primer producto de AgraQuest se desarrolló a partir de un microbio que se encuentra en el patio trasero de la compañía, un huerto de duraznos cercano. Una vez identificado el microbio, los bioquímicos de la compañía analizaron y caracterizaron las estructuras compuestas producidas por microorganismos seleccionados para asegurar que no hubiera toxinas, confirmar que el producto se biodegró de manera inocua e identificar productos candidatos para su desarrollo y comercialización.

La compañía, liderada por el empresario Marrone, ha examinado más de veintitrés mil microorganismos e identificado a más de veinte productos candidatos que muestran altos niveles de actividad contra insectos, nematodos y patógenos de plantas. Estos productos incluyen los fungicidas biológicos Serenade, Sonata y Rhapsody; el insecticida biológico Virtuoso y el biofumigante arabesco. Las oportunidades de mercado para los plaguicidas a base de microbios son amplias. Además, la floreciente industria de alimentos orgánicos por $4 mil millones genera una creciente demanda de herramientas de manejo de plagas con certificación orgánica. A medida que los productores se esfuerzan por aumentar los rendimientos para satisfacer este mercado en expansión, requieren medios orgánicos más efectivos para combatir las amenazas de los cultivos. El fungicida Serenade de AgraQuest está certificado orgánico para servir a este mercado en expansión, y otros productos están en proceso.

La Agencia de Protección Ambiental (EPA) de Estados Unidos ha simplificado el proceso de registro de pesticidas de base biológica de “riesgo reducido” como los de AgraQuest para ayudarlos a moverlos al mercado más rápido. La División de Biopesticidas y Prevención de la Contaminación supervisa la regulación de todos los biopesticidas y ha acelerado sus procesos de prueba y registro. El tiempo promedio desde la presentación hasta el registro es ahora de doce a catorce meses en lugar de cinco a siete años.

Además, dado que los productos se biodegradan y son inherentemente no tóxicos para los humanos, están exentos de pruebas de “tolerancias”, es decir, el umbral de exposición a una sustancia tóxica a la que los trabajadores pueden estar legalmente expuestos. Esto significa que los trabajadores deben esperar un mínimo de cuatro horas después de su uso antes de ingresar a los campos, mientras que otros pesticidas convencionales requieren una espera de setenta y dos horas. La reducción de los intervalos de entrada restringidos se registra como tiempo y dinero ahorrado a los productores. Por lo tanto, los productos de AgraQuest pueden actuar como “ahorradores de cosechas”, utilizados inmediatamente antes de la cosecha en caso de mal tiempo. Para los productores de ciertos productos, como las uvas de vino, esto puede significar la diferencia entre el éxito y el fracaso por una temporada.

AgraQuest implementó estrategias ejemplares de química verde e innovación de sustentabilidad. La oportunidad que presentaron los problemas asociados a los plaguicidas químicos convencionales fue relativamente fácil de percibir, pero diseñar una alternativa viable requirió un verdadero ingenio y un desvío dramático de las normas de la industria muy desgastadas. Pensar como una molécula en este contexto permitió a la empresa desafiar el patrón existente de la industria de aplicar toxinas y, en su lugar, examinar cómo los sistemas naturales crean pesticidas seguros. Marrone y su equipo han sido capaces de inventar productos biodegradables y benignos completamente nuevos y capitalizar la creciente demanda del mercado para la variedad única de aplicaciones inherentes a este tipo de productos.

A medida que la ciencia que vincula causa y efecto se vuelve más sofisticada, la preocupación pública por los efectos ambientales y de salud humana de los plaguicidas va en aumento.Rick A. Relyeaa, “El impacto de los insecticidas y herbicidas en la biodiversidad y productividad de las comunidades acuáticas”, Aplicaciones ecológicas 15, núm. 2 (2005): 618—27; Xiaomei Ma, Patricia A. Buffler, Robert B. Gunier, Gary Dahl, Martyn T. Smith, Kyndaron Reinier y Peggy Reynolds, “Ventanas críticas de exposición a pesticidas domésticos y riesgo de leucemia infantil” Perspectivas de salud ambiental 110, núm. 9 (2002): 955—60; Anne R. Greenlee, Tammy M. Ellis, y Richard L. Berg, “Low-Dose Agrochemicals and Lawn-Care Pesticidas Inducen Toxicidad del Desarrollo en Embriones Murinos Preimplantacionales”, Perspectivas de Salud Ambiental 112, núm. 6 (2004): 703—9. Relacionado con esto se encuentra un movimiento internacional para eliminar gradualmente pesticidas específicos ampliamente utilizados como el DDT y el bromuro de metilo. Además, un número creciente de países imponen barreras comerciales a las importaciones de alimentos debido a los pesticidas residuales en los productos.

En este conjunto de desafíos que enfrenta la industria de producción de alimentos, AgraQuest encontró oportunidad. La lógica detrás de la línea de productos de AgraQuest es simple: en lugar de depender únicamente de enfoques derivados de la petroquímica para erradicar plagas, los productos de AgraQuest utilizan microbios para combatir los microbios. A lo largo de milenios, los microbios han evolucionado complejos sistemas de defensa que apenas ahora estamos empezando a comprender. AgraQuest diseña productos que replican y enfocan estos sistemas de defensa natural en plagas objetivo. Cuando se usan en combinación con pesticidas convencionales, los productos AgraQuest son parte de un sistema de manejo de plagas altamente efectivo que tiene el beneficio adicional de reducir la carga química general liberada en los sistemas naturales. Debido a que son inherentemente benignos, los productos de AgraQuest se biodegradan de manera inocua, evitando las amenazas a la salud humana y los ecosistemas, sin mencionar los costos asociados, en los que incurren los productores que utilizan pesticidas tradicionales.

NatureWorks

En un último ejemplo, NatureWorks, la empresa biotecnológica empresarial de Cargill, diseñó plásticos hechos de biomasa, un insumo renovable. El genio de la biotecnología de NatureWorks es que utiliza una amplia gama de materias primas de origen vegetal y no se limita al maíz, evitando así la competencia con la producción de alimentos. Los avances innovadores de NatureWorks abordaron el problema ambiental central del plástico convencional. Derivado del petróleo, el plástico convencional, un recurso no renovable asociado con una larga lista de preocupaciones ambientales, de precios y de seguridad nacional, se ha convertido en un importante problema de salud y eliminación de desechos. Al construir un producto alrededor de insumos de base biológica, NatureWorks diseñó un producto alternativo que es competitivo tanto en rendimiento como en precio, uno que evita la contaminación y otras preocupaciones de los plásticos a base de petróleo. Como resultado de su exitosa estrategia, NatureWorks ha desplazado el mercado a su favor.

NatureWorks LLC recibió el premio Presidential Green Chemistry Challenge 2002 por su desarrollo de la primera clase de polímeros sintéticos que se produce a partir de recursos renovables, específicamente a partir de maíz cultivado en el Medio Oeste de Estados Unidos. En la conferencia y entrega de premios Green Chemistry and Engineering en Washington, DC, a la que asistieron el presidente de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, el asesor científico de la Casa Blanca y otros dignatarios de las Academias Nacionales y la Sociedad Americana de Química, el premio reconoció a los principales innovación bioquímica, lograda en gran parte bajo la guía e inspiración del ex vicepresidente de tecnología de NatureWorks Patrick Gruber.

Gruber fue uno de los primeros campeones de la innovación en sustentabilidad. Como empresario dentro de una gran firma, lideró el esfuerzo que resultó en el plástico de base biológica de NatureWorks. Junto con un equipo de ingenieros químicos, expertos en biotecnología y estrategas de marketing, Gruber encabezó el esfuerzo por casar al gigante de productos agrícolas Cargill con la compañía química Dow para crear la empresa spin-off originalmente conocida como Cargill Dow y renombrada NatureWorks en enero de 2005. Gruber fue el visionario que vio el potencial de un plástico de base biológica y las posibilidades de un nuevo proceso de química ecológica enzimática para fabricarlo. Ayudó a impulsar ese proceso hasta que fue lo suficientemente rentable como para producir productos competitivos con productos convencionales en el mercado.

El plástico de NatureWorks, cuyo nombre científico es ácido poliláctico (PLA), tiene el potencial de revolucionar las industrias del plástico y la agricultura al ofrecer biopolímeros a base de biomasa como sustituto de los plásticos convencionales a base de petróleo. Las resinas NatureWorks fueron nombradas y registradas NatureWorks PLA para el ácido poliláctico que comprende los azúcares de la planta base. Además de reemplazar el petróleo como materia prima material, las resinas PLA tienen el beneficio agregado de ser compostables (biodegradadas de manera segura) o incluso infinitamente reciclables, lo que significa que pueden ser reprocesadas una y otra vez. Esto proporciona una clara ventaja ambiental, ya que el reciclaje, o “ciclo descendente”, de plásticos convencionales postconsumo o postindustriales en productos de menor calidad solo ralentiza el flujo de materiales a los vertederos; no evita el desperdicio. Además, la fabricación de plástico a partir de residuos de campo de maíz resulta en 30 a 50 por ciento menos gases de efecto invernadero cuando se mide de “campo a pellet”. Se han identificado beneficios ambientales y de salud adicionales del ciclo de vida mediante un análisis exhaustivo del ciclo de vida. Además, las resinas PLA, vírgenes y postconsumo, se pueden procesar en una variedad de usos finales.

En 2005, la directora general de NatureWorks, Kathleen Bader y Patrick Gruber, estaban luchando con una serie de preguntas. Los desafíos de NatureWorks fueron operativos y estratégicos: cómo llevar el producto exitoso a una producción de alto volumen y cómo comercializar la resina única en un mercado de plásticos maduros. NatureWorks empleó a 230 personas distribuidas casi por igual entre las sedes (laboratorios y oficinas de administración), la planta y ubicaciones internacionales. Como empresa conjunta, la empresa había consumido cerca de 750 millones de dólares en capital y aún no era rentable, pero mantenía la promesa de un tremendo crecimiento que podría transformar una amplia gama de mercados a nivel mundial. En 2005, NatureWorks seguía siendo la única compañía en el mundo capaz de producir resinas a gran escala a base de maíz que exhibían características de rendimiento estándar, como durabilidad, flexibilidad, resistencia a los productos químicos y resistencia, todo a un precio competitivo de mercado.

La industria del plástico es el cuarto segmento manufacturero más grande en Estados Unidos detrás de vehículos de motor, electrónica y refinación de petróleo. Tanto la industria petrolera como la química están maduras y dependen de materias primas vendidas en márgenes delgados. Los esfuerzos combinados de una compañía química a gran escala en Dow y un gigante de procesadores agrícolas en Cargill sugirieron que Cargill Dow—Now Natureworks— podría ser muy adecuado para la gigantesca tarea de desafiar las materias primas petroleras. Sin embargo, una pregunta dentro del negocio en 2005 fue si la compañía podría crecer más allá de la cuota de mercado que generalmente limitaba los productos “ambientales”, considerados en algún lugar entre el 2 y el 5 por ciento del mercado. ¿El PLA era un “producto ambiental”, o fue el resultado de una estrategia que anticipaba profundos cambios en el mercado?

NatureWorks trajo su nuevo producto al mercado a fines de la década de 1990 y principios de la década de 2000 en un momento de dinámica cambiante del mercado y preocupaciones convergentes de salud, medio ambiente, seguridad nacional e independencia energética. Estos impulsores del mercado le dieron a NatureWorks una ventaja profunda. Los suministros de petróleo y las preocupaciones por la inestabilidad surgieron en gran escala en 2005 y no han disminuido. La volatilidad de los precios del petróleo y la inestabilidad política en los países productores de petróleo abogaron por disminuir la dependencia del petróleo extranjero en la medida de lo La volatilidad de los precios del petróleo entre 1995 y 2005 causó estragos en la industria del plástico. De 1998 a 2001, los precios del gas natural (que normalmente rastreaban los precios del petróleo) se duplicaron, luego se quintuplicaron y luego volvieron a los niveles de 1998 El año 2003 volvió a ser una montaña rusa de fluctuaciones impredecibles, lo que provocó que un funcionario de Huntsman Chemical Corp se lamentara, “El problema que enfrenta la industria de polímeros y petroquímicos en Estados Unidos no tiene precedentes. Roma está ardiendo” Referencia para Negocios, “SIC 2821: Materiales Plásticos y Resinas”, consultado el 10 de enero de 2011, http://www.referenceforbusiness.com/industries/Chemicals-Allied/Plastic-Materials-Resins.html. En contraste, el PLA, elaborado a partir de un recurso renovable, ofrecía rendimiento, precio, compatibilidad ambiental, alta visibilidad, y por lo tanto un valor significativo para ciertos compradores para quienes esta configuración de las características del producto es importante.

Los consumidores están cada vez más preocupados por los productos químicos en los productos. Esto proporciona espacio de mercado para las empresas que suministran “materiales limpios”. Los estrategas de NatureWorks sabían, por ejemplo, que ciertos plásticos estaban bajo un creciente escrutinio público. Los problemas de salud, especialmente los de mujeres y niños, han puesto bajo sospecha a los plásticos en Estados Unidos y en el extranjero. La Unión Europea y Japón han instituido prohibiciones y marcos regulatorios sobre algunos plásticos de uso común y productos químicos relacionados. Los suavizantes plásticos como los ftalatos, entre los aditivos más utilizados, han sido etiquetados en estudios como potenciales carcinógenos y disruptores endocrinos. Varios retardantes de llama comunes en el plástico pueden causar trastornos del desarrollo en ratones de laboratorio. Estudios han encontrado plásticos y productos químicos relacionados en la leche materna materna y muestras de sangre del cordón umbilical de los bebés. Sara Goodman, “Las pruebas encuentran más de 200 químicos en la sangre del cordón umbilical recién nacido”, Scientific American, 2 de diciembre de 2009, consultado el 10 de enero de 2011, http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=newborn-babies-chemicals -exposure-bpa; Éric Dewailly Dallaire, Gina Muckle y Pierre Ayotte, “Tendencias horarias de contaminantes orgánicos persistentes y metales pesados en la sangre del cordón umbilical de infantes inuit nacidos en Nunavik (Québec, Canadá) entre 1994 y 2001”, Perspectivas de salud ambiental 36, núm. 13 (2003) :1660—64.

La preocupación del consumidor por los productos químicos y la salud abre nuevos mercados para materiales “limpios” diseñados desde una perspectiva de innovación sustentable. Además, las regulaciones internacionales están acelerando el crecimiento del mercado. En 1999, la Unión Europea prohibió el uso de ftalatos en juguetes infantiles y anillos de dentición y en 2003 prohibió algunos ftalatos para su uso en cosméticos. Estados como California han tomado medidas para advertir a los consumidores del presunto riesgo de algunos ftalatos. La Unión Europea, California y Maine prohibieron la producción o venta de productos que utilizan ciertos éteres de difenilo polibromados (PDBEs) como retardantes de llama. En 2006, la Unión Europea se encontraba en las fases finales de las directivas legislativas para exigir el registro y ensayo de cerca de diez mil productos químicos de preocupación. El acto, denominado Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas (REACH), se convirtió en ley en 2007 y regula la fabricación, importación, comercialización y uso de productos químicos. Todas las importaciones a Europa deben cumplir con los requisitos de información REACH para toxicidad e impactos en la salud. Se requiere que las empresas demuestren que una sustancia no afecta negativamente a la salud humana, y la propiedad química y la información de uso seguro deben comunicarse arriba y abajo de las cadenas de suministro para proteger a los trabajadores, consumidores y el medio ambiente.

Todos estos impulsores contribuyeron al pensamiento molecular que generó los plásticos a base de maíz de NatureWorks. La volatilidad de los precios del petróleo, las crecientes preocupaciones de los consumidores sobre los plásticos y la salud, los problemas de eliminación de desechos y las cambiantes regulaciones internacionales se encuentran entre los problemas sistémicos que crean un nuevo escenario competitivo en el que los productos de base biológica basados en principios de diseño de química verde pueden introducirse con éxito

Dados los mayores niveles de conciencia del consumidor en Europa y Japón, el plástico de NatureWorks inicialmente recibió más atención en el mercado internacional que en Estados Unidos. En 2004, IPER, un mercado de alimentos italiano, vendió “alimentos naturales en envases naturales” (hechos con PLA) y atribuyó un aumento del 4 por ciento en las ventas de delicatessen al empaque verde.Carol Radice, “Packaging Prowess”, Sede de Abarrotes, 2 de agosto de 2010, consultado el 10 de enero de 2011, www.Groceryheadquarters.com/articles/2010-08-02/Packaging-Prowess. NatureWorks estableció una asociación estratégica con Amprica SpA en Castelbelforte, Italia, un importante fabricante europeo de envases termoformados para los mercados de panadería y alimentos de conveniencia. Amprica avanzó con planes para reemplazar los plásticos que utilizó, incluyendo tereftalato de polietileno (PET), cloruro de polivinilo (PVC) y poliestireno con el polímero PLA.

En respuesta a la eliminación nacional y la prohibición definitiva de bolsas de compras a base de petróleo y vajillas desechables en Taiwán, Wei-Mon Industry (WMI) firmó un acuerdo exclusivo con NatureWorks para promover y distribuir artículos de empaque hechos con PLA.NatureWorks LLC, “Primer lanzamiento por empresas locales de Productos de papel y pulpa respetuosos con el medio ambiente con NatureWorks PLA”, 9 de junio de 2006, consultado el 7 de enero de 2011, www.natureworksllc.com/news-and-events/press-releases/2006/6-9-06-wei-mon-extrusion-coated-paper-launch.aspx. En otros mercados, Giorgio Armani lanzó trajes de vestir para hombre hechos completamente de fibra PLA y Sony vendió los productos PLA Discman y Walkman en Japón. Debido a la creciente preocupación por los impactos en la salud de algunos aditivos ignífugos, NEC Corp. de Tokio combinó PLA con una fibra natural llamada kenaf para hacer un bioplástico resistente a las llamas ecológica y biológicamente neutro. “NEC desarrolla bioplástico resistente a las llamas”, GreenBiz, 26 de enero de 2004, consultado el 2 de diciembre de 2010, www/greenbiz.com/news/news_third.cfm? NewsID= 26360.

El mercado estadounidense ha sido más lento para adoptar el PLA, pero las decisiones de compra de Walmart pueden cambiar eso. De hecho, el producto de NatureWorks resuelve varios de los problemas de Walmart. Walmart ha luchado contra problemas de imagen corporativa en varios frentes, en su trato a los empleados, como contribuyente a la expansión de “big box” y en su práctica de outsourcing, entre otros. El plástico de origen biológico de NatureWorks, cultivado en Estados Unidos y a base de maíz, no solo encaja en el esfuerzo de “sostenibilidad” empresarial más grande de Walmart, sino que aborda la dependencia estadounidense del petróleo extranjero y apoya al agricultor estadounidense.

El espectro de actividades emprendedoras en el ámbito de los materiales sustentables es amplio. Mientras que algunos emprendedores son principiantes que están reconfigurando fundamentalmente los sistemas de productos, otros dan pasos más incrementales hacia la adopción de materiales y procesos más limpios e innovadores. Sin embargo, los cambios incrementales pueden ser radicales cuando se toman acumulativamente, siempre y cuando uno mire constantemente hacia el objetivo más grande.

Muchas empresas, dentro y fuera de la industria química, ahora entienden que las reducciones de costos y las mejoras de producto/proceso están disponibles a través de la química verde y otras políticas de eficiencia ambiental. Los ahorros de costos documentados en insumos de materiales, corrientes de desechos y uso de energía están fácilmente disponibles. En reconocimiento a las ganancias de eficiencia a realizar, así como la reducción de riesgos y las ventajas regulatorias, la mayoría de las firmas reconocen los beneficios que resultan de desarrollar una estrategia con estos objetivos en mente. Además, las empresas saben que pueden ayudar a evitar los efectos adversos de ignorar estos temas, como los boicots y las resoluciones de los accionistas que generan publicidad negativa.

Sin embargo, los aspectos de mejora de la eficiencia y reducción de riesgos de las preocupaciones ambientales y la sostenibilidad son solo la vanguardia de las oportunidades posibles. Las estrategias de sustentabilidad y prácticas innovadoras van más allá de la mejora incremental a los productos existentes Esta estrategia de negocios orientada al futuro, orientada a nuevos procesos, productos, tecnologías y mercados, ofrece perspectivas profundas de ventaja competitiva sobre las empresas rivales.

A medida que los vínculos moleculares entre las cosas que hacemos y los temas de macronivel como la salud, la independencia energética y el cambio climático se van entendiendo más ampliamente, las empresas que piensan estratégicamente sobre la naturaleza química de sus productos y procesos surgirán como líderes. Un enfoque de “pensar como una molécula” para diseñar materiales, productos y procesos brinda una ventaja a los emprendedores y diseñadores de productos. Al combinar este modo de operar con el pensamiento sistémico y los otros enfoques de sustentabilidad discutidos en el Capítulo 4 “Análisis de Innovación Emprendedora y Sustentabilidad”, Sección 4.4 “Lazos débiles”, tendrás una estrategia que te permitirá no solo sobrevivir sino liderar en el siglo XXI.

CLAVE PARA TOMAR

• Consideraciones invisibles del diseño, por ejemplo, el diseño de materiales moleculares, deben tenerse en cuenta en el diseño de sustentabilidad.
• La química verde ofrece principios para guiar el diseño y la producción de productos químicos.
• Pensar como una molécula abre nuevas vías para avanzar hacia una innovación de productos más segura.

EJERCIO

1. Contacta a tu gobierno local y pregunta por compuestos químicos de la actividad industrial y comercial que terminan en el agua y el aire. ¿Cuáles son las principales preocupaciones del gobierno? ¿Cuáles son las fuentes de los químicos problemáticos? ¿Qué se está haciendo para reducir su liberación? Vaya a http://blog.epa.gov/blog/2010/12/17/tri o http://www.epa.gov/tri para leer sobre el Inventario de Liberaciones Tóxicas. Busque en el inventario evidencia de químicos peligrosos utilizados en su área.