13.2: Procesos Metabólicos en Ecosistemas Industriales

El metabolismo industrial se refiere a los procesos a los que se someten los materiales y componentes en los ecosistemas industriales. Es análogo a los procesos metabólicos que ocurren con los alimentos y nutrientes en los sistemas biológicos. Al igual que el metabolismo biológico, el metabolismo industrial puede abordarse en varios niveles. Un nivel de metabolismo industrial en el que entra en juego la química verde, especialmente, es en el nivel molecular donde las sustancias se cambian químicamente para dar los materiales deseados o para generar energía. El metabolismo industrial se puede abordar dentro de los procesos unitarios individuales en una fábrica, a nivel de fábrica, a nivel de ecosistema industrial e incluso a nivel global.

Una diferencia significativa entre el metabolismo industrial como se practica actualmente y los procesos metabólicos naturales se relaciona con los desechos que generan estos sistemas. Los ecosistemas naturales se han desarrollado de tal manera que los verdaderos desechos son prácticamente inexistentes. Por ejemplo, incluso aquellas partes de las plantas que permanecen después de la biodegradación de los materiales vegetales forman humus del suelo (ver “Materia Orgánica del Suelo” en el Capítulo 11, Sección 11.8) que mejora las condiciones del suelo en el que crecen las plantas. Sin embargo, los sistemas industriales antropogénicos se han desarrollado de formas que generan grandes cantidades de desechos, donde un residuo puede definirse como uso disipativo de recursos naturales. Además, el uso humano de los materiales tiende a diluir y disipar materiales y dispersarlos al ambiente. Los materiales pueden terminar en una forma física o química de la cual la recuperación se vuelve poco práctica debido a la energía y el esfuerzo requeridos. Un ecosistema industrial exitoso supera tales tendencias.

Los organismos que realizan sus procesos metabólicos degradan los materiales para extraer energía (catabolismo) y sintetizar nuevas sustancias (anabolismo). Los ecosistemas industriales realizan funciones análogas. El objetivo del metabolismo industrial en un ecosistema industrial exitoso es hacer los bienes deseados con la menor cantidad de subproducto y desechos. Esto puede suponer un reto significativo. Por ejemplo, para producir plomo a partir del mineral de plomo para la fabricación de baterías de almacenamiento de plomo/ácido requiere extraer grandes cantidades de mineral, extraer la fracción relativamente pequeña del mineral que consiste en mineral de sulfuro de plomo, y asar y reducir el mineral para obtener plomo metálico. Todo el proceso genera grandes cantidades de relaves contaminados con plomo sobrantes de la extracción mineral y cantidades significativas de dióxido de azufre subproducto, que deben ser recuperados para producir ácido sulfúrico y no ser liberados al ambiente. La vía de reciclaje, a modo de contraste, toma esencialmente plomo puro de las baterías recicladas y simplemente lo derrite para producir plomo para baterías nuevas; las ventajas del reciclaje en este caso son obvias.

Existen algunas comparaciones interesantes entre los ecosistemas naturales y los sistemas industriales tal como ahora operan. La unidad básica de un ecosistema natural es el organismo, mientras que la de un sistema industrial es la empresa o, en el caso de las grandes corporaciones, la rama de una empresa. Los ecosistemas naturales manejan materiales en bucles cerrados; con la práctica actual, los materiales atraviesan un camino esencialmente unidireccional a través de sistemas industriales. De ello se deduce que los sistemas naturales reciclan completamente los materiales, mientras que en los sistemas industriales el nivel de reciclaje suele ser muy bajo. Los organismos tienen tendencia a concentrar materiales. Por ejemplo, el carbono en dióxido de carbono que es solo aproximadamente 0.04% del aire atmosférico se concentra en carbono orgánico a través de la fotosíntesis. Por el contrario, los sistemas industriales tienden a diluir los materiales a un nivel en el que no pueden reciclarse económicamente, pero aún tienen el potencial de contaminar. Además de mantenerse durante su vida limitada, la función principal de los organismos es la reproducción. Las empresas industriales no tienen reproducción de sí mismas como objetivo primordial; su función principal es generar bienes y servicios de manera que maximice los ingresos monetarios.

A diferencia de los ecosistemas naturales en los que los reservorios de materiales necesarios son esencialmente constantes (oxígeno, dióxido de carbono y nitrógeno del aire como ejemplos), los sistemas industriales se enfrentan a depósitos de materiales que agotan en gran medida. Por ejemplo, el mineral de plomo citado anteriormente es un recurso agotador; se puede encontrar más, pero en última instancia solo se dispone de una cantidad finita. Los recursos energéticos fósiles también son finitos. Por ejemplo, puede haber mucha más energía fósil del carbón disponible, pero su utilización como principal fuente de energía del mundo a largo plazo vendría a un costo inaceptable del calentamiento global a partir de las emisiones de dióxido de carbono. Nuevamente, los procesos metabólicos industriales que enfatizan el reciclaje son deseables porque el reciclaje proporciona depósitos esencialmente constantes de materiales en el ciclo de reciclaje. Idealmente, incluso en el caso de la energía, los recursos energéticos renovables como la eólica y la solar proporcionan una fuente de energía esencialmente constante y no agotadora.

Como se discute en “Control en Organismos” bajo la Sección 12.4 del Capítulo 12, los ystems biológicos tienen elaborados sistemas de control. Considerando el metabolismo que ocurre en todo un ecosistema natural, es autorregulador. Si los herbívoros que consumen biomasa vegetal se vuelven demasiado abundantes y disminuyen el stock de la biomasa, su número no puede sostenerse, la población muere y su fuente de alimento rebota. Los ecosistemas más exitosos son aquellos en los que este mecanismo autorregulador opera continuamente sin grandes variaciones en las poblaciones. Los sistemas industriales no operan inherentemente de una manera autorreguladora que sea ventajosa para su entorno, o incluso para ellos mismos a largo plazo. Abundan los ejemplos del fracaso de la autorregulación de los sistemas industriales en los que las empresas han producido derrochadamente grandes cantidades de bienes de valor marginal, corriendo a través de recursos limitados en poco tiempo, y disipando materiales a su entorno, contaminando el medio ambiente en el proceso. A pesar de estas malas experiencias, dentro de un marco adecuado de leyes y regulaciones diseñadas para evitar desechos y excesos, los ecosistemas industriales pueden diseñarse para operar de manera autorreguladora. Dicha autorregulación opera mejor en condiciones de máximo reciclaje en las que el sistema no depende de un recurso agotador de materias primas o energía.

Obviamente, el reciclaje es la clave para la función exitosa del metabolismo industrial. La Figura 13.2 ilustra la importancia del nivel de reciclaje. En el reciclaje de bajo nivel, un material o componente se devuelve a cerca del comienzo de los pasos a través de los cuales se hace. Por ejemplo, un bloque de motor de automóvil podría fundirse para producir metal fundido a partir del cual luego se funden nuevos bloques. Con un reciclaje de alto nivel, el artículo o material se recicla lo más cerca posible del producto final. En el caso del bloque del motor del automóvil, se puede limpiar, reafinar las paredes de los cilindros, replanarse las superficies planas y usar el bloque como plataforma para ensamblar un motor reconstruido. En este ejemplo y en muchos otros que se pueden citar, el reciclaje de alto nivel utiliza mucha menos energía y materiales y es inherentemente más eficiente. El término dado al valor atribuido a un artículo o material reciclado cerca de la parte superior de la pirámide energía/materiales que se muestra en la Figura 13.2 se denomina utilidad incrustada.