La química verde , similar a la química sustentable o química circular , [1] es un área de la química y la ingeniería química enfocada en el diseño de productos y procesos que minimicen o eliminen el uso y generación de sustancias peligrosas. [2] Mientras que la química ambiental se centra en los efectos de los productos químicos contaminantes en la naturaleza, la química verde se centra en el impacto ambiental de la química, incluida la reducción del consumo de recursos no renovables y enfoques tecnológicos para prevenir la contaminación . [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Los objetivos generales de la química verde (es decir, un diseño de moléculas, materiales, productos y procesos más eficientes en el uso de recursos y más seguros) pueden perseguirse en una amplia gama de contextos.
Química verde (química sostenible) : Diseño de productos y procesos químicos que minimicen o eliminen el uso o generación de sustancias peligrosas para los humanos, los animales, las plantas y el medio ambiente. Nota 1: Modificado de ref. [9] para ser más general.
Nota 2: La química verde analiza el concepto de ingeniería de prevención de la contaminación y cero residuos tanto a escala de laboratorio como industrial. Fomenta el uso de técnicas económicas y ecocompatibles que no sólo mejoran el rendimiento sino que también reducen el coste de eliminación de residuos al final de un proceso químico. [10]
La química verde surgió de una variedad de ideas y esfuerzos de investigación existentes (como 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 estuvo vinculado a un cambio en las estrategias de resolución de problemas ambientales: un movimiento desde la regulación de comando y control y la reducción obligatoria de las emisiones industriales al "final del proceso", hacia la prevención activa de la contaminación mediante el diseño innovador de las propias tecnologías de producción. El conjunto de conceptos ahora reconocidos como química verde se fusionaron entre mediados y finales de la década de 1990, junto con una adopción más amplia del término (que prevaleció sobre términos competitivos como química "limpia" y "sostenible"). [11] [12]
En los Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental desempeñó un papel importante en el fomento de la química verde a través de sus programas de prevención de la contaminación, financiación y coordinación profesional. Al mismo tiempo, en el Reino Unido, investigadores de la Universidad de York contribuyeron al establecimiento de la Red de Química Verde dentro de la Royal Society of Chemistry y al lanzamiento de la revista Green Chemistry . [12]
En 1998, Paul Anastas (que 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. [13] Los doce principios abordan una variedad de formas de reducir los impactos ambientales y de salud de la producción química, y también indican prioridades de investigación para el desarrollo de tecnologías de química verde.
Los principios cubren conceptos tales como:
Los doce principios de la química verde son: [14]
Se están haciendo intentos no sólo para cuantificar el carácter ecológico de un proceso químico, sino también para tener en cuenta otras variables como el rendimiento químico , el precio de los componentes de la reacción, la seguridad en el manejo de productos químicos, las demandas de hardware, el perfil energético y la facilidad de procesamiento y purificación del producto. En un estudio cuantitativo, [15] la reducción de nitrobenceno a anilina recibe 64 puntos sobre 100, lo que la califica como una síntesis aceptable en general, mientras que una síntesis de una amida usando HMDS solo se describe como adecuada con 32 puntos combinados.
La química verde se considera cada vez más una poderosa herramienta que los investigadores deben utilizar para evaluar el impacto ambiental de la nanotecnología . [16] A medida que se desarrollan nanomateriales , se deben considerar los impactos ambientales y de salud humana tanto de los productos mismos como de los procesos para fabricarlos para garantizar su viabilidad económica a largo plazo. Existe una tendencia hacia la tecnología de nanomateriales en la práctica, sin embargo, la gente ignoraba la potencial nanotoxicidad. Por lo tanto, las personas deben abordar más consideraciones sobre cuestiones legales, éticas, de seguridad y regulatorias asociadas con los nanomateriales, [17]
La principal aplicación de disolventes en las actividades humanas es en pinturas y revestimientos (46% del uso). Las aplicaciones de menor volumen incluyen limpieza, desengrasado, adhesivos y síntesis química. [18] Los disolventes tradicionales suelen ser tóxicos o estar clorados. Los disolventes ecológicos, por el contrario, suelen ser menos perjudiciales para la salud y el medio ambiente y, preferentemente, más sostenibles. Lo ideal sería que los disolventes se derivaran de recursos renovables y se biodegradaran hasta formar un producto inocuo, a menudo de origen natural. [19] [20] Sin embargo, la fabricación de disolventes a partir de biomasa puede ser más perjudicial para el medio ambiente que la fabricación de los mismos disolventes a partir de combustibles fósiles. [21] Por lo tanto, se debe considerar el impacto ambiental de la fabricación de solventes cuando se selecciona un solvente para un producto o proceso. [22] Otro factor a considerar es el destino del disolvente después de su uso. Si el solvente se utiliza en un lugar cerrado donde sea factible su recolección y reciclaje, entonces se deben 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 tras su uso y, por lo tanto, el impacto ambiental del disolvente en sí es más importante que el costo de energía y el impacto del reciclaje del disolvente; en tal caso, es muy probable que el agua sea una opción ecológica. En resumen, se debe considerar el impacto de toda la vida útil del disolvente, desde la cuna hasta la tumba (o desde la cuna hasta la cuna si se recicla). Así, la definición más completa de disolvente verde es la siguiente: " un disolvente verde es el disolvente que hace que un producto o proceso tenga el menor impacto medioambiental durante todo su ciclo de vida " . [23]
Entonces, por definición, un solvente podría ser ecológico para una aplicación (porque produce menos daño ambiental que cualquier otro solvente que podría usarse para esa aplicación) y, sin embargo, no ser un solvente ecológico para una aplicación diferente. Un ejemplo clásico es el agua , que es un disolvente muy ecológico para productos de consumo como los limpiadores de inodoros, pero no es un disolvente ecológico para la fabricación de politetrafluoroetileno . Para la producción de este polímero, el uso de agua como disolvente requiere la adición de tensioactivos perfluorados que son muy persistentes. En cambio, el dióxido de carbono supercrítico parece ser el disolvente más ecológico para esa aplicación porque funciona bien sin ningún tensioactivo. [23] En resumen, ningún disolvente puede ser declarado "disolvente verde" a menos que la declaración se limite a una aplicación específica.
Las técnicas de síntesis novedosas o mejoradas a menudo pueden proporcionar un mejor desempeño ambiental o permitir una mejor adherencia a los principios de la química verde. Por ejemplo, el Premio Nobel de Química de 2005 fue concedido 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". " [24] Una revisión de 2005 identificó tres avances clave en la química verde en el campo de la síntesis orgánica : el uso de dióxido de carbono supercrítico como solvente verde, peróxido de hidrógeno acuoso para oxidaciones limpias y el uso de hidrógeno en síntesis asimétrica . [25] Algunos ejemplos adicionales de química verde aplicada son la oxidación en agua supercrítica , las reacciones en agua y las reacciones en medios secos . [ cita necesaria ]
La bioingeniería también se considera una técnica prometedora para lograr los objetivos de la química verde. Una serie de sustancias químicas de proceso importantes se pueden sintetizar en organismos modificados, como el shikimato , un precursor de Tamiflu que Roche fermenta en bacterias. La química de clics a menudo se cita [ cita necesaria ] como un estilo de síntesis química que es consistente con los objetivos de la química verde. El concepto de "farmacia verde" se ha articulado recientemente sobre la base de principios similares. [26]
En 1996, Dow Chemical ganó el premio Condiciones de reacción más ecológicas de 1996 por su agente espumante 100% dióxido de carbono para la producción de espuma de poliestireno . La espuma de poliestireno es un material común utilizado en el embalaje y transporte de alimentos. Sólo en Estados Unidos se producen setecientos millones de libras cada año. Tradicionalmente, en el proceso de producción de láminas de espuma se utilizaban CFC y otras sustancias químicas que agotan la capa de ozono , lo que presentaba un grave peligro para el medio ambiente . También se han utilizado hidrocarburos inflamables, explosivos y, en algunos casos, tóxicos como sustitutos de los CFC, pero 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 que el poliestireno se recicle más fácilmente. El CO 2 utilizado en el proceso se reutiliza en otras industrias, por lo que el carbono neto liberado del proceso es cero.
El principio número 2 que se aborda es el proceso de peróxido para producir hidracina sin cogenerar sal. La hidracina se produce tradicionalmente mediante el proceso Olin Raschig a partir de hipoclorito de sodio (el ingrediente activo de muchos blanqueadores ) y amoníaco . La reacción neta produce un equivalente de cloruro de sodio por cada equivalente del producto objetivo, hidracina: [27]
En el proceso de peróxido más ecológico se emplea peróxido de hidrógeno como oxidante y el producto secundario es agua. La conversión neta es la siguiente:
Atendiendo al principio n.º 4, este proceso no requiere disolventes de extracción auxiliares. Se utiliza metiletilcetona como vehículo para la hidrazina, la fase intermedia de ketazina se separa de la mezcla de reacción, lo que facilita el procesamiento sin la necesidad de un disolvente de extracción.
Abordar el principio n.º 7 es una ruta verde hacia el 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 . [28] Este diol se utiliza para fabricar nuevos poliésteres para la fabricación de alfombras.
En 2002, Cargill Dow (ahora NatureWorks ) ganó el premio Greener Reaction Conditions Award por su método mejorado para la polimerización del ácido poliláctico . Desafortunadamente, los polímeros a base de lactida no funcionan bien y Dow suspendió el proyecto poco después de la adjudicación. El ácido láctico se produce fermentando maíz y se convierte en lactida , el éster dímero cíclico del ácido láctico mediante una ciclación eficiente catalizada por estaño. El enantiómero L,L-lactida se aísla por destilación y se polimeriza en la masa fundida para producir un polímero cristalizable , que tiene algunas aplicaciones que incluyen textiles y prendas de vestir, cubiertos y envases de alimentos . Wal-Mart ha anunciado que está utilizando/utilizará PLA para el embalaje de sus productos agrícolas. El proceso PLA de NatureWorks sustituye materias primas de petróleo por materiales renovables, no requiere el uso de solventes orgánicos peligrosos típicos de otros procesos PLA y da como resultado un polímero de alta calidad que es reciclable y compostable.
En 2003, Shaw Industries seleccionó una combinación de resinas de poliolefina como polímero base elegido para EcoWorx debido a la baja toxicidad de sus materias primas, propiedades de adhesión superiores, estabilidad dimensional y su capacidad de ser reciclado. El compuesto EcoWorx también tuvo que diseñarse para que fuera compatible con la fibra de nailon de la alfombra. Aunque EcoWorx se puede recuperar de cualquier tipo de fibra, el nailon 6 proporciona una ventaja significativa. Las poliolefinas son compatibles con los métodos conocidos de despolimerización del nailon-6. El PVC interfiere con esos procesos. La química del nailon-6 es bien conocida y no se aborda en la producción de primera generación. Desde sus inicios, 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 respaldo mediante elutriación , trituración y separación de aire resultó ser la mejor manera de recuperar la cara y los componentes del respaldo, pero era necesaria una infraestructura para devolver el EcoWorx posconsumo al proceso de elutriación. La investigación también indicó que la moqueta en losetas posconsumo tenía un valor económico positivo al final de su vida útil. EcoWorx está reconocido por MBDC como un diseño certificado de cuna a cuna .
En 2005, Archer Daniels Midland (ADM) y Novozymes ganaron el premio Greener Synthetic Pathways por su proceso de interesterificación enzimática . En respuesta al etiquetado obligatorio de las grasas trans en la información nutricional de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los EE. UU. (FDA) el 1 de enero de 2006, Novozymes y ADM trabajaron juntos para desarrollar un proceso enzimático limpio para la interesterificación de aceites y grasas mediante el intercambio de grasas saturadas y saturadas. ácidos grasos insaturados. El resultado son productos comercialmente viables sin grasas trans . Además de los beneficios para la salud humana de eliminar las grasas trans , el proceso ha reducido el uso de químicos tóxicos y agua, previene grandes cantidades de subproductos y reduce la cantidad de grasas y aceites desperdiciados.
En 2011, el premio a los Logros Sobresalientes en Química Verde otorgado por una Pequeña Empresa fue para BioAmber Inc. por la producción integrada y aplicaciones posteriores de ácido succínico de base biológica . El ácido succínico es una plataforma química que es un material de partida importante en las formulaciones 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 produce ácido succínico a partir de la fermentación de materias primas renovables a un costo menor y un menor gasto de energía que el equivalente del petróleo, al mismo tiempo que secuestra CO 2 en lugar de emitirlo. [29] Sin embargo, los precios más bajos del petróleo precipitaron a la empresa a la quiebra [30] y ahora apenas se produce ácido succínico de origen biológico. [31]
Varios productos químicos de laboratorio son controvertidos desde la perspectiva de la química verde. El Instituto de Tecnología de Massachusetts creó un Asistente de alternativas "verdes" [1] para ayudar a identificar alternativas. El bromuro de etidio , el xileno , el mercurio y el formaldehído han sido identificados como los "peores infractores" que tienen alternativas. [32] Los disolventes en particular contribuyen en gran medida al impacto medioambiental de la fabricación de productos químicos y existe un creciente interés en introducir disolventes más ecológicos en las primeras etapas de desarrollo de estos procesos: métodos de reacción y purificación a escala de laboratorio. [33] En la industria farmacéutica, tanto GSK [34] como Pfizer [35] han publicado guías de selección de disolventes para sus químicos de descubrimiento de fármacos.
En 2007, la UE puso en marcha el programa de Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Productos Químicos (REACH), que exige que las empresas proporcionen datos que demuestren que sus productos son seguros. Este reglamento (1907/2006) garantiza no sólo la evaluación de los peligros y riesgos de los productos químicos durante su uso, sino que también incluye medidas para prohibir o restringir/autorizar el uso de sustancias específicas. La ECHA, la Agencia de Productos Químicos de la UE en Helsinki, está implementando el reglamento, mientras que la ejecución corresponde a los estados miembros de la UE.
Estados Unidos formó 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 los químicos e ingenieros a diseñar químicos, procesos y productos que eviten la creación de toxinas y desechos. [36]
La ley estadounidense que rige la mayoría de los productos químicos industriales (excluyendo pesticidas, alimentos y productos farmacéuticos) es la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA) de 1976. Al examinar el papel de los programas regulatorios en la configuración del desarrollo de la química verde en los Estados Unidos, los analistas han revelado fallas estructurales y debilidades de larga data en TSCA; por ejemplo, un informe de 2006 a la Legislatura de California concluye que la TSCA ha creado un mercado nacional de productos químicos que descuenta las propiedades peligrosas de los productos químicos en relación con su función, precio y rendimiento. [37] 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 los EE. UU., y que se necesitan cambios políticos fundamentales para corregir estas debilidades. [38]
Aprobada en 1990, la Ley de Prevención de la Contaminación ayudó a fomentar nuevos enfoques para abordar la contaminación al prevenir los problemas ambientales antes de que ocurran.
La química verde ganó popularidad en los Estados Unidos después de que se aprobó la Ley de Prevención de la Contaminación de 1990 . Esta Ley declaró que la contaminación debería reducirse mejorando los diseños y productos en lugar del tratamiento y eliminación. Estas regulaciones alentaron a los químicos a reimaginar la contaminación e investigar formas de limitar las toxinas en la atmósfera. En 1991, la Oficina de Prevención de la Contaminación y Tóxicos de la EPA creó un programa de subvenciones para investigación que fomenta la investigación y recreación de productos y procesos químicos para limitar el impacto en el medio ambiente y la salud humana. [39] La EPA organiza el Desafío de la Química Verde cada año para incentivar los beneficios económicos y ambientales del desarrollo y utilización de la química verde. [40]
En 2008, el Estado de California aprobó dos leyes destinadas a fomentar la química verde, lanzando la Iniciativa de Química Verde de California . Uno de estos estatutos requería que el Departamento de Control de Sustancias Tóxicas de California (DTSC) desarrollara 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, iniciando el Programa de Productos de Consumo más Seguros del DTSC . [41]
Existen ambigüedades en la definición de química verde y en cómo se entiende entre 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). [12] Si bien no todos los usos del término son legítimos (ver lavado verde ), muchos lo son, y el estatus autorizado de cualquier definición es incierto. En términos más generales, la idea de química verde puede vincularse (o confundirse) fácilmente con conceptos relacionados como ingeniería verde , diseño ambiental o sostenibilidad en general. La complejidad y la naturaleza multifacética de la química verde hacen difícil idear métricas claras y simples . Como resultado, "qué es verde" a menudo está abierto a debate. [42]
Varias sociedades científicas han creado premios para fomentar la investigación en química verde.
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