Química: No es fácil ser verde

Química: No es fácil ser verde

En los últimos 20 años, el movimiento de la química verde ha permitido que la industria sea mucho más limpia. Aun así, cambiar la forma de ver las cosas lleva tiempo y a la revolución le queda un largo camino por delante.
Katharine Sanderson
Nature 469, 18-20 (2011)

En la segunda mitad de la década de los ochenta, la industria química mundial ya sabía que tenía que ponerse las pilas, puesto que su reputación medioambiental era pésima. En la opinión pública todavía coleaba el desastre de Bhopal (India), en el que al menos tres mil personas murieron y cientos de miles resultaron heridas como consecuencia de un escape de gas tóxico en una planta de la empresa Union Carbide. También seguía muy presente en la memoria el recuerdo de otros dos incidentes: primero, el de Love Canal en las cataratas del Niágara (Nueva York, EE. UU), en el que el descubrimiento de residuos tóxicos enterrados obligó a desalojar un barrio entero; unos años más tarde, el de Times Beach (Missouri, EE. UU.), donde se tuvo que evacuar todo el pueblo tras detectarse la presencia de contaminación por dioxina.

Incluso en los casos en los que las empresas trataban de gestionar de forma responsable los residuos generados (habitualmente, disolventes orgánicos volátiles y otros agentes dífíciles de eliminar), los niveles de contaminación eran desalentadores. Las estadísticas a nivel mundial eran incompletas y, de hecho, aún lo son. Sin embargo, se sabe que en Estados Unidos, según los primeros datos sistemáticos recogidos por la Agencia de Protección Medioambiental (EPA), se generaron alrededor de 278 millones de toneladas de residuos peligrosos en 1991, en más de 24.000 emplazamientos. No todos procedían de las empresas químicas, pero la mayoría sí. Más del 10% del total, es decir, unos 30 millones de toneladas, procedían de una única empresa, Dow Chemical, con sede en Midland (Michigan). Otras empresas, como el gigante petroquímico Amoco, con sede en Chicago (Illinois) y DuPont, situada en Wilmington (Delaware), no le iban a la zaga.

Como consecuencia de ello, y mientras las empresas químicas sufrían para cumplir con unas normativas medioambientales cada vez más restrictivas, se creó un movimiento generalizado en el sector hacia lo que a menudo se denomina “química verde”, término acuñado en 1991 por Paul Anastas, químico que entonces tenía 28 años y trabajaba en la EPA.

Según Anastas, que actualmente disfruta de una excedencia de la Universidad de Yale para dirigir el departamento de investigación de la EPA, el objetivo de la química verde no era únicamente limpiar. Desde su concepción, la química verde trata de rediseñar los procesos químicos desde la base. La meta es que el sector químico sea más seguro, limpio y eficiente en términos energéticos a lo largo del ciclo de vida de los productos, desde su síntesis hasta su limpieza y eliminación. Asimismo, se pretende que se utilicen materias primas renovables siempre que sea posible, llevando a cabo las reacciones a temperatura y presión ambiente y, sobre todo, se busca minimizar o eliminar los residuos tóxicos desde el principio, en lugar de pagar a posteriori para limpiar los desechos generados. En palabras de Anastas, “es una química más efectiva, eficiente y elegante. Dicho sencillamente, es una química mejor”.

A pesar de que los objetivos de la química verde son fáciles de enunciar, llevarlos a cabo ha sido de todo menos sencillo. Según Eric Beckman, ingeniero químico de la Universidad de Pittsburgh (Pensilvania), “hoy en día las empresas prestan mucha atención a que sus procesos sean más sostenibles”. Por ejemplo, en 2009 la producción total de residuos tóxicos en Estados Unidos fue de 35 millones de toneladas, un orden de magnitud menor que en 1991. La empresa que más residuos generó, DSM Chemicals, con sede en Augusta (Georgia), sólo produjo 3,4 millones de toneladas.

Sin embargo, conseguir que un proceso sea más sostenible —afirmó Beckam— siempre implica poner en una balanza los beneficios, la viabilidad y el coste, y la sostenibilidad no siempre sale ganando. Además —añadió—, la adopción de la química verde en el sector se ha centrado principalmente en introducir mejoras graduales en procesos ya existentes.

En su opinión, “nos encontramos, como mucho, en fase embrionaria”. Él y muchos otros creen que la verdadera “revolución verde”, que implica el diseño de nuevos procesos desde el principio y la reconstrucción completa de las plantas, sólo está empezando.

Hasta ahora, el progreso de la química verde ha sido, sobre todo, una cuestión de viabilidad técnica, y los investigadores se han dedicado a desarrollar alternativas menos tóxicas que los métodos convencionales. Un ejemplo claro es el dióxido de carbono supercrítico: carbono normal no tóxico que se calienta a una temperatura superior a su “punto crítico”, 31,1 °C y 7,39 megapascales, por encima del cual se comporta como gas y líquido, y sirve de disolvente para muchas reacciones tanto orgánicas como inorgánicas. Otros disolventes no tóxicos se han encontrado también entre los líquidos iónicos, primos exóticos de la sal normal, que están en estado líquido a temperatura ambiente o cerca de ella.

El facor E
El progreso de la química verde se ha visto beneficiado también por una campaña de concienciación llevada a cabo por Anastas y sus colaboradores. El primer paso clave fue la propia acuñación del término, explicó Jon Warner, presidente del instituto Warner-Babcock de química verde en Wilminton (Massachusetts), en aquel entonces, director de investigación en la empresa Polaroid Corporation, en Minnetonka (Minnesota). Según Warner, “la identificación de la química verde como un campo científico sirvió para distinguirla de los movimientos políticos y sociales”.

Otro de los pasos clave fue la redacción de unos principios destinados a ayudar a los científicos a definir y poner en práctica la química verde, llevada a cabo por Anastas y Warner (véase el apartado “Los doce principios de la química verde”). Asimismo, otro avance importante se produjo en 1995, cuando Anastas ayudó a convencer al presidente Bill Clinton para que pusiera en marcha el Desafío presidencial por una química verde, que aún hoy premia anualmente a cinco empresas o expertos con una destacada labor en defensa del cumplimiento de dichos principios.

Sin embargo, el progreso de la química verde ha sido en su mayoría una apuesta de las propias empresas, tal y como lo demuestra la promoción que el sector químico ha realizado de su propia iniciativa voluntaria, Responsible Care (http://www.responsiblecare.org), que trabaja junto con las asociaciones del sector a nivel nacional para mejorar la salud, seguridad y responsabilidad medioambiental de las empresas. Desde que se fundó en Canadá en 1985, el número de socios ha pasado de 6 asociaciones nacionales a 53.

El sector farmacéutico ha sido el que ha acogido la química verde con mayor entusiasmo, quizá porque es el que tiene más que ganar. Las plantas farmacéuticas generan habitualmente entre 25 y 100 kilogramos de residuos por kilogramo de producto, una relación que se denomina factor medioambiental o “factor E”. Por tanto, hay mucho margen para mejorar la eficiencia y reducir costes.

En el laboratorio farmacéutico Pfizer, por ejemplo, la primera vez que se sintetizó Viagra (citrato de sildenafilo), medicamento contra la impotencia, su factor E era de 105. Sin embargo, mucho antes de que dicho medicamento se comercializara en 1998, un equipo de Pfizer en la planta de Sandwich (Reino Unido) se dedicó a volver a estudiar cada paso de la síntesis. Los investigadores sustituyeron todos los disolventes de cloro por otras alternativas menos tóxicas y, además, introdujeron medidas para recuperar y volver a utilizar los disolventes utilizados. Se eliminó la necesidad de utilizar peróxido de hidrógeno, que puede causar quemaduras. Asimismo, se dejó de utilizar cloruro de oxalilo, un reactivo que produce monóxido de carbono en las reacciones y, por tanto, supone un problema para la seguridad. Como consecuencia de ello, los investigadores de Pfizer redujeron el factor E del la Viagra a 8.

Después de este logro, Peter Dunn, jefe del equipo que sintetizaba la Viagra, se convirtió en el responsable principal del giro hacia una química verde más sistemática emprendido por Pfizer en 2001. A Dunn no le está permitido hablar sobre cifras concretas de ahorro en los costes, pero puede apuntar algunos cambios radicales realizados en la empresa. Según él, Pfizer ha reducido el factor E del fármaco anticonvulsivo Lyrica (pregabalina) de 86 a 9 y ha conseguido mejoras similares en el caso del antidepresivo sertralina y el antiinflamatorio no esteroideo celecoxib. “Sólo gracias a estos tres productos se han eliminado más de medio millón de toneladas de residuos químicos”, afirmó Dunn.

Química creativa
Pfizer no está sola. El sector farmacéutico es tan competitivo que ninguna empresa se puede permitir pasar por alto el ahorro potencial que supone la química verde. La Mesa Redonda Farmacéutica, convocada por primera vez en 2005 por el Instituto de Química Verde (GCI) de la Sociedad Química Americana (ACS), cuenta ahora con 14 empresas miembros, que financian conjuntamente la investigación académica en el campo y comparten información de carácter no comercial.

En 2002, el gigante químico BASF, con sede en Ludwigshafen (Alemania) presentó un proceso a escala industrial que utilizaba los iones líquidos a temperatura ambiente para eliminar los derivados ácidos producidos en las reacciones de mezcla, una fase muy habitual en el proceso de fabricación de sustancias químicas que hasta entonces había sido mucho más pesada. Pero, tal como apuntó Pete Licence, experto en química verde de la Universidad de Nottingham, la adopción por parte de BASF de la química verde (o, como la empresa prefiere llamarla, química sostenible) no se queda ahí. Según él, “la forma en la que se crean plantas químicas es producto de una reflexión sensata y coordinada. Disponen un sistema de reacción integrado en el cual los productos y derivados de las reacciones son los materiales que se utilizan como reactivos en la planta de al lado”. Tal y como explicó Licence, las plantas también estás diseñadas para maximizar la eficiencia energética: “El calor residual de un proceso se utiliza para calentar la materia prima para la siguiente”.

Sin embargo, la reestructuración integral necesaria sirve para ilustrar por qué el giro hacia una química verde ha sido relativamente lento entre los fabricantes de productos químicos a granel. Estas empresas trabajan con un volumen de productos mucho mayor que las farmacéuticas y sus procesos industriales ya están optimizados, con factores E de entre 1 y 5, habitualmente. Aunque es posible alcanzar valores mucho más bajos —el factor E de las petroquímicas ronda el 0,1—, hacerlo no siempre es rentable. Como explica Walter Leitner, del Instituto de Química Técnica y Macromolecular de la Universidad de Aachen (Alemania), una vez que se tiene una planta, se mantiene en funcionamiento entre 30 y 40 años, porque se ha realizado una inversión enorme.

Después de sufrirlo en sus propias carnes, la empresa Thomas Swan & Co., con sede en Consett (Reino Unido), aprendió que tampoco es siempre rentable apostar por una química verde en el sector de los productos químicos especializados. En 2001, a partir del trabajo realizado por Martyn Poliakoff en la Universidad de Nottingham, dicha empresa abrió el primer reactor de flujo continuo que usaba dióxido de carbono supercrítico como disolvente. “Parecía que podía marcar un antes y un después en el sector”, explicó el director ejecutivo Harry Swan. Sin embargo, sin subvenciones públicas, la planta no podía fabricar los productos químicos a un precio inferior al que costaba hacerlo mediante métodos no sostenibles, según el empresario. Así, la planta quedó aparcada y es posible que en poco tiempo sea desmantelada.

Otros impedimentos para la adopción de la química verde son de tipo técnico. Por ejemplo, incluso después de décadas de investigación, los disolventes verdes no siempre son más eficientes que los de cloro, ampliamente utilizados. Los químicos tampoco han conseguido eliminar por completo la necesidad de que los catalizadores contengan metales preciosos o tóxicos, si bien Dunn es optimista a este respecto, y piensa que esto se podrá conseguir gracias a los avances en la tecnología de encimas. Por otro lado, todavía queda el desafío de cómo fabricar productos químicos a granel a partir de la biomasa o de otras materias primas renovables, en lugar de utilizar petróleo. “Se trata de una perspectiva diferente de la síntesis química”, afirmó Leitner, para quien ésta supone poner patas arriba el problema convencional. En lugar de comenzar con un hidrocarburo relativamente simple extraído del petróleo y añadir después cadenas laterales a la molécula para obtener las proteínas deseadas, los químicos deben comenzar con una mezcla extraordinariamente compleja de biomoléculas habituales en la mayoría de materias primas renovables y obtener lo que desean extrayendo pequeños trozos de forma controlada.

Aun así, la mayoría de los defensores de la química verde considera que la barrera fundamental que impide que ésta se adopte de forma más extendida es la forma de pensar, que es un reflejo de la educación recibida por los químicos. Como explicó Beckman, “en Estados Unidos, los químicos reciben una formación exhaustiva en química, pero no ven nada de ingeniería, diseño de productos o análisis del ciclo de vida”. O, como apuntó Anastas: “Normalmente, recibes un curso de seguridad en el que te enseñan a ponerte las gafas protectoras y la bata, y a no hacer explotar nada y te dicen dónde llamar si lo haces. Pero no creo que con eso estemos consiguiendo tratar las consecuencias de lo que hacemos como parte intrínseca de nuestro trabajo”.

Este estancamiento curricular puede ser un fiel reflejo de las reacciones negativas que causa la química verde en el ámbito académico. En especial durante los primeros años se consideraba que este campo era difuso y poco riguroso, tal y como recordó Neil Winterton, de la Universidad de Liverpool (Reino Unido), que ha pasado de criticar el movimiento a adoptar una postura de aceptación. La palabra “verde” producía la impresión de que se favorecían algunas técnicas por razones de corrección política, explicó. “Para saber si las aportaciones propuestas eran importantes o no en la mejora de la eficiencia de los procesos químicos, era necesaria una base más sólida.”

Los escépticos también se preguntaban si la química verde no era más que una palabra de moda que servía para conseguir financiación en proyectos de dudoso valor medioambiental. “Es algo que puede engañar a la opinión pública, a otros científicos que trabajan en este ámbito y, lo más importante, a quienes se encargan de decidir”, apuntó Licence.

El escepticismo no ha desaparecido por completo; según Warner, si se menciona la química verde en una reunión de químicos todavía se pueden producir suspiros o enarcamientos de cejas. Sin embargo, el escepticismo se ha reducido y la investigación ha mejorado. La EPA, por ejemplo, ha progresado mucho para acabar con una barrera en contra de una química verde efectiva, a saber, el hecho de que los investigadores que intentan crear un nuevo proceso de fabricación no tóxico, a menudo, no sepan si un cierto compuesto es sostenible o no. Nadie ha tenido el tiempo o el dinero para recopilar datos sobre toxicidad, para lo cual se requiere experimentar con animales, que cuesta mucho dinero.

La respuesta de la EPA a este problema es un proyecto de exploración de alto rendimiento llamado ToxCast, que ha estado funcionando en las instalaciones de Research Triangle Park en Carolina del Norte desde 2007. El equipo de ToxCast ha aplicado un conjunto de ensayos bioquímicos de alto rendimiento, que miden cuestiones como la unión a los receptores celulares, a mil productos químicos para los que ya se dispone de datos toxicológicos en animales. Posteriormente, estos datos se han utilizado para elaborar modelos estadísticos y computaciones que tratan de predecir la toxicidad del compuesto sólo a través de los ensayos.

Cada predicción de ToxCast cuesta alrededor de 15 mil euros por producto químico, una cantidad mucho menor a los 5-10 millones que cuestan habitualmente las pruebas de toxicología en animales, según Robert Kavlock, supervisor del proyecto en calidad de máximo responsable del Centro Nacional de Toxicología Computacional en Research Triangle Park. Por eso, si estos modelos se pueden hacer lo suficientemente fiables, “contamos —afirmó— con una forma de ocuparnos de los productos químicos que no podemos permitirnos probar en animales” y, de paso, de ayudar a las empresas a elegir los compuestos que harán que sus procesos químicos sean realmente sostenibles.

Desde que Anastas encabeza el departamento de investigación de la EPA, ha intentado promover el enfoque de la química verde en sus reuniones con trabajadores en los laboratorios de la agencia por todo el país. Su objetivo es que la EPA pase de una cultura de regulación y prohibición a otra en la que el diseño de los procesos sea tal que la síntesis de productos reduzca o elimine el uso de sustancias tóxicas desde el principio. Tal y como afirmó Lisa Jackson, directora de la EPA: “Es la diferencia entre tratar una enfermedad y buscar el bienestar”.

En opinión de Anastas, si se acaba produciendo el cambio de actitud buscado, supondrá un auténtico “seísmo” en la agencia, “la culminación del trabajo de toda mi carrera profesional”. Pero, al mismo tiempo —añadió—, también será sólo el comienzo: “Creo que la meta final de la química verde debería ser que el término desapareciera, simplemente por ser la forma en la que se realizara la química siempre. La química verde debería ser como una segunda naturaleza, la opción por defecto”.

Los doce principios de la química verde
Paul Anastas y John Warner formularon estas pautas en la década de los noventa con el fin de proporcionar una hoja de ruta para los químicos que trataban de poner en práctica la química verde.

1. Reducción de la generación de residuos. Se debe evitar generar residuos desde el principio, en lugar de tratarlos o limpiarlos a posteriori.
2. Eficiencia atómica. Se deben diseñar métodos sintéticos que maximicen la incorporación de los materiales intermedios en el producto final.
3. Síntesis más segura. Se deben diseñar métodos sintéticos que minimicen el uso y la generación de sustancia tóxicas.
4. Productos más seguros. Se deben diseñar productos químicos que lleven a cabo su función al tiempo que se minimiza su toxicidad.
5. Sustancias auxiliares más seguras. Se debe minimizar el uso de disolventes y otras sustancias auxiliares y hacer que éstas sean lo más inocuas posible.
6. Eficiencia energética. Se debe minimizar la energía utilizada en los procesos químicos y, si es posible, llevarlos a cabo a temperatura y presión ambiente.
7. Materias primas renovables. Se debe usar la biomasa y otras materias primas renovables siempre que sea posible.
8. Reducción de los productos derivados. Se debe minimizar el uso de grupos de bloqueo y otras modificaciones temporales de los agentes intermedios.
9. Catálisis. Se deben usar preferentemente reactivos catalíticos, lo más selectivos posible, en lugar de reactivos estequiométricos.
10. Degradabilidad. Se deben diseñar productos químicos desechables, de forma que finalmente se transformen en compuestos inocuos que no perduren en el entorno.
11. Prevención de la contaminación. Se deben desarrollar métodos de supervisión y control en tiempo real de los procesos químicos en los que se puedan formar sustancias peligrosas.
12. Prevención de accidentes. Se deben elegir procesos y prácticas que minimicen el potencial de accidentes químicos, incluidos los escapes, las explosiones y los incendios.