Categor?a: Econom?a circular en la industria del pl?stico

El uso de CO2 como materia prima para obtenci?n de diferentes productos de alto valor a?adido, como es el caso de los pol?meros, sigue siendo actualmente un reto para toda la comunidad cient?fica y para los tecn?logos en empresas dedicadas al desarrollo de innovaciones tanto para la sociedad como para la industria qu?mica. Este desaf?o cient?fico genera, al mismo tiempo, una interesante oportunidad para el sector industrial, estimulando la b?squeda de nuevas soluciones y negocios. Esto est? de acuerdo con los desaf?os de la descarbonizaci?n y la disminuci?n de la dependencia de los combustibles f?siles para un futuro no tan lejano, marcado por los objetivos establecidos por la Comisi?n Europea que fijan para el a?o 2050 el l?mite para la completa descarbonizaci?n de la actividad industrial.

La amenaza del cambio clim?tico ha cambiado el paradigma mundial de la industria qu?mica y los negocios asociados a ella. Cada vez son m?s las empresas que se suman a la valorizaci?n del CO2, bien para la ampliaci?n de su cartera de productos -incluyendo pl?sticos que incorporan la mol?cula de CO2 capturado- o bien utilizando estos pl?sticos m?s sostenibles en sus negocios para venta de sus productos catalogados m?s preciados.

?Qu? es el polietileno?

El polietileno es uno de los pl?sticos m?s utilizados en el mundo, cuya producci?n mundial anual ronda los 80 millones de toneladas. El polietileno convencional se obtiene a partir del mon?mero etileno.

Para su fabricaci?n, en primer lugar, el etano se extrae del petr?leo o del gas natural. Mediante un proceso termoqu?mico el etano se convierte en etileno tras su polimerizaci?n asistida por catalizadores se convierte en polietileno. Sin embargo, si queremos obtener el etileno de fuentes no procedentes del petr?leo, existen varias alternativas que se describir?n en este art?culo.

Usos del polietileno

Como sabemos, los usos del polietileno van desde la fabricaci?n de botellas, bolsas hasta incluso films, haciendo necesario la b?squeda de una alternativa m?s sostenible en el mercado dado su uso tan generalizado y extendido. De hecho, empresas como L?Oreal ya utilizan como envases de sus productos una versi?n m?s disruptiva y sostenible del polietileno, que incorpora CO2 capturado para su fabricaci?n.

Ahora bien, ?c?mo es posible llegar a la fabricaci?n de esta versi?n de polietileno que incorpora CO2 capturado en su fabricaci?n?

CO2 como materia prima del biopolietileno

El biopolietileno es la alternativa de origen natural que ya se ha empezado a utilizar en sectores como la industria cosm?tica. Este biopl?stico sostenible se puede obtener a partir de procesos biol?gicos de fermentaci?n que emplean CO2 o bien a partir de CO2 capturado que se transforma en diversas mol?culas plataforma (bioetanol o bioetileno) como alternativa a las materias primas procedentes del petr?leo. Estas alternativas son mucho m?s sostenibles y permiten obtener un pl?stico con id?nticas propiedades que los obtenidos a partir de combustibles f?siles.

Entonces, ?por qu? raz?n el biopolietileno no ha reemplazado totalmente al polietileno convencional?

Tecnolog?as para la obtenci?n de polietileno sostenible

En la actualidad se est?n desarrollando diferentes metodolog?as que permiten la obtenci?n de polietileno en versiones m?s sostenibles. Adem?s, el uso de nuevas tecnolog?as para la utilizaci?n del CO2 (CU) genera nuevas oportunidades de crecimiento econ?mico mediante el aumento de la innovaci?n y al mismo tiempo, permite la transici?n hacia una econom?a circular y de descarbonizaci?n que conducir? a una menor dependencia de los combustibles f?siles. Algunas de estas metodolog?as ya est?n totalmente desarrolladas y otras son m?s disruptivas y requieren de una tecnolog?a m?s madura para poder ser aplicadas en nuestras empresas.

Las tecnolog?as en estudio que contribuyen a la descarbonizaci?n de la econom?a aplicadas a la obtenci?n de polietileno que se describen en este art?culo son las siguientes:

• Obtenci?n de etileno a partir de bioetanol (fermentaci?n).
  • Bioetanol a partir de cultivos sostenibles o de residuos urbanos.
  • Bioetanol a partir de procesos biol?gicos.
• Obtenci?n de etileno a partir de CO2.
  • Procesos electroqu?micos catalizados (electrocat?lisis).
  • Procesos termoqu?micos catalizados.

Biopolietileno a partir de bioetanol

• Bioetanol obtenido a partir de fermentaci?n:

La producci?n de biopolietileno a partir de ca?a de az?car, implica la transformaci?n de la materia org?nica (ca?a de az?car) en bioetanol mediante fermentaci?n de biomasa.[1],[2] Posteriormente, la deshidrataci?n de bioetanol genera etileno que tras la posterior polimerizaci?n permite la obtenci?n de polietileno sostenible.

En este proceso, el biopolietileno obtenido es de origen vegetal y contribuye a la disminuci?n de gases de efecto invernadero gracias a la captura de CO2 que se genera en el proceso de cultivo. En concreto, el an?lisis del Ciclo de Vida de este polietileno cifra esta contribuci?n en 2,78 toneladas de CO2 capturadas por cada tonelada de resina bio fabricada. Sin embargo, la producci?n de biopolietileno siguiendo este proceso tiene cierto impacto ambiental debido al uso del suelo, ya que para la producci?n de ca?a de az?car se requiere de fertilizantes, pesticidas y otros que permiten reducir globalmente la huella de carbono, aunque no consiguen llegar a emisiones netas cero.

Otra alternativa a la producci?n de bioetanol por fermentaci?n es a partir de residuos urbanos mediante procesos de gasificaci?n. De la misma forma, el bioetanol obtenido, se transforma en etileno por deshidrataci?n en un proceso catalizado, que finalmente ser? transformado mediante procesos de polimerizaci?n en polietileno sostenible.

• Bioetanol a partir de procesos biol?gicos de transformaci?n del CO2

Para obtenci?n de bioetanol mediante este proceso, se requiere de la fermentaci?n mediante la conversi?n biol?gica de las emisiones de carbono de desecho, entre ellos los gases de descarga industriales o gas de s?ntesis generado a partir de cualquier recurso de biomasa (por ejemplo, residuos s?lidos urbanos, desecho industrial org?nico, desecho agr?cola).

En estas reacciones, se realiza la transformaci?n biol?gica de biomasa en bioetanol gracias al consumo de CO2 por parte de microorganismos que generan esta transformaci?n. De esta forma, hay un consumo de CO2 para la obtenci?n del bioetanol renovable por v?a fermentativa, que en procesos posteriores se transformar? en etileno y finalmente en polietileno.

• • Procesos electroqu?micos catalizados (electrocat?lisis).

El reto para la obtenci?n de polietileno mediante electr?lisis consiste en encontrar un electrocatalizador que permita transformar el CO2 capturado en etileno, de forma selectiva y limpia, que posteriormente se transformar? en polietileno.

Mediante esta reacci?n electrocatal?tica el CO2 se reduce para obtenci?n de otros productos qu?micos mediante el uso de una corriente el?ctrica y con la ayuda de un catalizador. El sistema de electrocat?lisis emplea un voltaje para la reducci?n de CO2 a etileno. Para este proceso se requieren catalizadores especialmente dise?ados que permitan esta transformaci?n, centr?ndose en la optimizaci?n del sistema catal?tico.

Los estudios recientes se basan en el dise?o de nuevos electrocatalizadores que permitir?n superar el gran reto de transformaci?n de CO2 renovable. Investigaciones muy recientes han desarrollado un electrocatalizador de Cu que permite superar el reto de llevar a cabo esta conversi?n en condiciones de reacci?n b?sicas, reduciendo las emisiones de gas de efecto invernadero (CO2) mientras se genera etileno[3]. La mayor?a de los metales pueden ser utilizados como catalizadores para esta reacci?n, sin embargo, el uso de un catalizador adecuado permite poder obtener selectivamente al producto deseado. De este modo, catalizadores de oro, plata o zinc reducen el CO2 a CO, mientras que el esta?o y el paladio permiten la formaci?n de formiatos. El caso particular del cobre es el ?nico que puede producir etileno, componente principal del pl?stico de polietileno.

Por tanto, los retos actuales se centran en la optimizaci?n de las condiciones de funcionamiento de un proceso electroqu?mico para la transformaci?n de CO2 en etileno mediante la s?ntesis, optimizaci?n y caracterizaci?n de los electrodos, as? como el estudio del sistema catal?tico de la celda electroqu?mica. Adem?s, se requiere el estudio de la viabilidad de los procesos desarrollados para obtenci?n de etileno, as? como de otras mol?culas de inter?s industrial como formaldeh?do o etanol.

El dise?o del proceso electroqu?mico y de los componentes implicados en el proceso de reducci?n de CO2 en estos compuestos de inter?s industrial es un campo de investigaci?n de inter?s para conseguir procesos m?s limpios y selectivos, previo a su validaci?n y viabilidad a nivel industrial.

• • Procesos termoqu?micos catalizados.

La mejora de sistemas catal?ticos homog?neos para la valorizaci?n de CO2 en la deshidrogenaci?n oxidativa (ODH) de etano a etileno todav?a tiene mucho trabajo en el campo de la mejora de la selectividad del proceso. Entre los sistemas catal?ticos para ODH de etano con CO2, se han estudiado catalizadores con cromo, con galio, catalizadores soportados Ni-Fe y catalizadores de Co entre otros (Mo, ?xidos o carburos).

Entre las estrategias en la deshidrogenaci?n oxidativa de etano con CO2 que en los ?ltimos a?os han tenido un inter?s creciente en investigaci?n, intensificando sus estudios, encontramos el ?Chemical looping?, la integraci?n de sistemas de captura de CO2 y ODH de alcanos y la deshidrogenaci?n oxidativa ODH y reformado de etano con CO2 mediante reacciones en t?ndem. Sin embargo, su aplicaci?n a nivel industrial requiere de m?s estudios y desarrollos en la actualidad.

 

El uso de CO2 como materia prima para obtenci?n de diversos tipos de pl?stico convencionales, entre ellos el polietileno, es hoy en d?a un reto y una oportunidad al mismo tiempo. La aplicaci?n de nuevas tecnolog?as que permitan obtener a partir de CO2 pl?sticos convencionales de forma m?s sostenible, estimula la b?squeda de nuevas soluciones ?y desarrollo de nuevas aplicaciones de estas tecnolog?as en la industria qu?mica, permitiendo la descarbonizaci?n y la disminuci?n de la dependencia de los combustibles f?siles a trav?s de nuevos retos.

AIMPLAS desarrolla estas investigaciones en l?nea con su compromiso con la sostenibilidad medioambiental. Gracias a ello, las empresas del sector pueden introducir los criterios de la Econom?a Circular en su modelo de negocio y convertir los cambios legislativos que les afectan en oportunidades para mejorar su eficiencia, reducir su impacto ambiental y aumentar su rentabilidad econ?mica. En este sentido, AIMPLAS tambi?n investiga en ?mbitos como el reciclado, los materiales y productos biodegradables o el uso de biomasa.

 

[1] K?pke M, Simpson SD. Pollution to products: recycling of ‘above ground’ carbon by gas fermentation. Curr Opin Biotechnol. 2020 Oct; 65:180-189. doi: 10.1016/j.copbio.2020.02.017. Epub 2020 Apr 18. PMID: 32315931.

[2] Yang CH, Liu EJ, Chen YL, Ou-Yang FY, Li SY. The comprehensive profile of fermentation products during in situ CO2 recycling by Rubisco-based engineered Escherichia coli. Microb Cell Fact. 2016 Aug 2;15(1):133. doi: 10.1186/s12934-016-0530-7. PMID: 27485110; PMCID: PMC4971712.

[3] Dinh, C.-T. et al. CO2 electroreduction to ethylene via hydroxide-mediated copper catalysis at an abrupt interface. Science (80-. ). 360, 783?787 (2018).

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» Publication Date: 02/08/2022

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