13.8: Química Verde y Ecología Industrial

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La química verde tiene un papel esencial que desempeñar en el desarrollo de ecosistemas industriales exitosos, especialmente en hacer que el metabolismo industrial sea lo más eficiente, no contaminante y seguro posible. Una ventaja importante de la práctica de la química verde para reducir el impacto ambiental es que, idealmente, es inherentemente segura y limpia. Mediante el uso de productos químicos no tóxicos y procesos que no amenazan el medio ambiente, la química verde evita plantear amenazas a las personas que la practican y al medio ambiente circundante. Por supuesto, estos son ideales que nunca se pueden realizar completamente en la práctica, pero al tener estos ideales como metas y hacer constantes mejoras incrementales, la práctica de la química verde puede volverse cada vez más segura, respetuosa con el medio ambiente y sustentable. Esto reduce la dependencia de las medidas de mando y control que requieren una vigilancia constante para mantener. En lugar de depender de las regulaciones impuestas desde el exterior para mantener su funcionamiento seguro, la química verde es mucho más autorreguladora.

Como se discutió en el Capítulo 2 y se ilustra en la Figura 2.3, la química verde puede definirse como la práctica de la ciencia química y la fabricación de una manera que sea sustentable, segura y no contaminante y que consuma cantidades mínimas de materiales y energía mientras produce poco o nada material de desecho. En la Sección 2.10 se presentaron doce principios de química verde. Después de la discusión sobre ecología industrial y sustentabilidad al inicio de este capítulo, la química verde ahora se aborda con mayor detalle aquí. La mayoría de los aspectos modernos de la química verde se discuten en un artículo de revisión sobre el tema. ¹ Los principales aspectos de la química verde discutidos aquí incluyen los siguientes:

1. Uso eficiente de la materia con mínima producción de desechos

2. Catálisis

3. Utilización de procesos biológicos

4. Maximización de materias primas renovables

5. Diseño de producto verde

6. Minimización o eliminación de solventes, uso de agua cuando sea posible

7. Intensificación de procesos

La química verde da una consideración primordial a las reacciones químicas y los procesos mediante los cuales se fabrican los productos químicos. Un enfoque para hacer que la síntesis química sea más ecológica es usar los procesos de síntesis química existentes, pero hacer que el proceso en sí sea más seguro y menos contaminante, al tiempo que se hacen los reactivos requeridos para ello por procesos más ecológicos. Un ejemplo del primero podría ser sustituir un disolvente menos volátil y menos tóxico como medio de reacción por una reacción de síntesis química. En algunos casos, un reactivo puede hacerse de manera más segura mediante el uso de procesos biológicos para su preparación en lugar de procesos químicos. Un segundo enfoque general para hacer que las preparaciones químicas sean más ecológicas es usar diferentes reactivos para la síntesis que sean más seguros y menos propensos a contaminar.

La práctica de la química verde se aplica en gran medida a la síntesis de químicos orgánicos. La historia de la síntesis orgánica abunda en ejemplos de procesos que enfáticamente no son “verdes”. Un ejemplo que a veces se cita es la síntesis que comienza con trinitrotolueno explosivo (¡TNT!) de floroglucinol, un químico utilizado en cantidades relativamente pequeñas en la industria química fina. La síntesis comenzó con la oxidación por dicromato (una sustancia cancerígena) en ácido sulfúrico fumante (un material altamente corrosivo que causa lesiones horrendas en la piel) seguido de reducción con hierro en ácido clorhídrico y calentamiento para aislar el producto. Si bien la cantidad de producto elaborado fue de sólo unas 100 toneladas anuales, el proceso generó alrededor de 4,000 toneladas anuales de residuos sólidos que contenían Cr ₂ (SO ₄) ₃, NH ₄ Cl, FeCl ₂ y KHSO ₄. Claramente, este no fue un proceso respetuoso con el medio ambiente y un objetivo importante de la química verde ha sido encontrar vías sustitutas para la síntesis como esta.

Se calculan varios parámetros clave en la cuantificación de la química verde. Como se discute en la Sección 2.6, una de ellas es la economía atómica definida como la fracción de material reactivo que realmente termina en el producto final. Cuanto mayor sea la economía atómica —idealmente el 100%—, más verde será el proceso. La oxidación, en síntesis orgánica la introducción de oxígeno en moléculas orgánicas, que utiliza diversos oxidantes es un proceso importante en la síntesis. Los oxidantes se clasifican de acuerdo a la disponibilidad de oxígeno, el porcentaje de la masa de la molécula oxidante que es oxígeno disponible, aquí representado como {O}. Teóricamente, la molécula con mayor disponibilidad de oxígeno es O ₂ molecular con una calificación del 100% (en la práctica uno de los dos átomos de O suele terminar como agua, H ₂ O). El peróxido de hidrógeno, H ₂ _{O 2}, añade oxígeno a una molécula orgánica, representada como “R”, según la reacción,

\[\ce{H2O2 + R \rightarrow R (O) + H2O}\]

Dado que el átomo de O es 47% de la masa de H ₂ O, la disponibilidad de oxígeno del peróxido de hidrógeno es de 47%. Cuando el ozono actúa como oxidante donando uno de sus tres átomos de O,

\[\ce{O3 + R \rightarrow R (O) + O2}\]

su disponibilidad de oxígeno es 33.3%, el porcentaje de la molécula de O ₃ que es un átomo de O.

Para la reducción, generalmente la adición de átomos de H a una molécula, se puede utilizar el concepto de disponibilidad de hidrógeno. Cuando se usa hidruro de litio, masa molecular 7.94, como agente reductor como en la síntesis de silano,

\[\ce{SiCl4 + LiH \rightarrow SiH4 + 4LiCl}\]

se usa todo su hidrógeno y su disponibilidad de hidrógeno es 12.6% que (debido a la baja masa atómica de Li, de ahí la baja masa de fórmula de LiH) es la disponibilidad de hidrógeno más alta de todos los hidruros metálicos.

Premios Presidenciales del Desafío de Química Verde

Los premios Presidenciales del Desafío de Química Verde de Estados Unidos, administrados por la Agencia de Protección Ambiental con patrocinio parcial de la American Chemical Society, se realizan anualmente para reconocer los esfuerzos para reducir los peligros y desechos de los procesos químicos y ayudar a cumplir con los objetivos de prevención de la contaminación. Se estima que los 77 ganadores de estos premios desde 1995 eliminaron 97 millones de kg de productos químicos peligrosos del uso, impidieron la liberación a la atmósfera de 26 millones de kg de dióxido de carbono que calienta el invernadero y ahorran 80 millones de litros de agua. Los premios 2010 incluyeron los siguientes

• El desarrollo de microorganismos genéticamente modificados que pueden convertir el CO ₂ en alcoholes superiores con más de 2 átomos de C que tienen un menor porcentaje de oxígeno y son más hidrocarbonados que el etanol, por lo tanto más útiles como combustibles y materias primas químicas.

• El diseño de una refinería de biomateriales como sustituto de una refinería de petróleo que utiliza microorganismos transgénicos para convertir azúcares en alcanos y alquenos de hidrocarburos, ácidos grasos de cadena larga y ésteres grasos

• El desarrollo de un proceso para usar peróxido de hidrógeno para oxidar propileno a óxido de propileno, una de las materias primas químicas orgánicas más utilizadas, utilizando un enfoque que reduce los costos de capital, el uso de energía y la generación de aguas residuales.

• Alteraciones en la síntesis de sitagliptina, el ingrediente activo del medicamento para la diabetes Januviatype 2 de Merck. La sitagliptina es un β-aminoácido quiral y el enfoque mejorado de su síntesis utiliza una enzima transaminasa genéticamente modificada para convertir una cetona precursora en el producto deseado con mayor rendimiento, menos etapas de producción y menos desperdicio general.

• Desarrollo de una forma de tableta de liberación lenta de espinosad insecticida que la hace útil para el control de mosquitos en ambientes acuáticos donde la biodegradación de espinosad había sido un problema con formas anteriores del insecticida