Otras áreas de investigación que ahora se comercializan son la nanotecnología, la biotecnología y el desarrollo de biocombustibles para complementar el suministro de petróleo. La investigación para desarrollar procesos que permitan mejorar el octanaje de la gasolina, las pinturas al agua, los sustitutos de los clorofluorocarbonos (CFC) y el desarrollo de la Química Verde como área de investigación activa han aportado importantes beneficios al medio ambiente.

De la investigación a la producción

La investigación realizada en los laboratorios de la industria y las universidades es sólo el primer paso. Estos descubrimientos tienen que convertirse en procesos industriales realistas. Este es el trabajo del ingeniero químico, que se encarga de trasladar la química de laboratorio a una escala mayor. Aumentar la producción de gramos en condiciones de laboratorio a miles de toneladas en una planta industrial a gran escala es un trabajo muy laborioso para los químicos e ingenieros químicos. Las etapas intermedias entre el laboratorio y la producción a gran escala implican equipos capaces de imitar el proceso a gran escala y permiten encontrar las condiciones más favorables para obtener un alto rendimiento del producto a un ritmo adecuado (Figura 7).

Figura 7 Un ejemplo que muestra algunos reactores piloto por lotes que están separados y
operan en paralelo. Un ordenador controla cada uno y los usuarios pueden realizar series
de experimentos, cambiando la temperatura, la presión y la composición del catalizador.
Con la amable autorización de Cambridge Reactor Design Ltd.

La fotografía de abajo (Figura 8) muestra una etapa intermedia en la que se ha realizado una planta piloto, para encontrar las condiciones más adecuadas para el nuevo proceso OMEGA para producir etano-1,2-diol. Este es un paso muy importante, ya que a menudo las condiciones que son adecuadas para el proceso en el laboratorio no son necesariamente adecuadas cuando el proceso se transfiere a un equipo a mayor escala. Por ello, se realizan muchos experimentos en condiciones muy controladas para obtener el máximo rendimiento. Los químicos e ingenieros químicos que realizan este trabajo también deben tener en cuenta que el rendimiento máximo puede implicar costes adicionales que hagan que el proceso no sea rentable.

Figura 8 La planta piloto del nuevo proceso OMEGA para hacer etano-1,2-diol.
Con la amable autorización de Shell International Ltd.

Si este trabajo tiene éxito, la siguiente etapa es fabricar el material a escala comercial que, como en el caso del etano-1,2-diol, es de muchos cientos de miles de toneladas al año (Figura 9). La rentabilidad del producto reside en el diseño del reactor a escala industrial necesario para la fabricación segura de los productos deseados. El coste de capital de una planta de este tipo será probablemente de millones de dólares.

Figura 9 La planta real del nuevo proceso OMEGA para fabricar etano-1,2-diol, construida tras el éxito de las pruebas en la planta piloto. Esta planta produce 750 000 toneladas de diol al año. Con la amable autorización de Shell International Ltd.

El diseño de una planta es un proyecto de equipo y los químicos, diseñadores de plantas e ingenieros químicos seleccionan los materiales adecuados para la construcción de la planta. Aunque la imagen común es la de las plantas químicas hechas de acero brillante, se utilizan muchos otros materiales en su construcción, incluyendo una amplia variedad de metales, plásticos, vidrio y caucho. Como los materiales de construcción son en sí mismos productos químicos, la elección de materiales que no reaccionen con los productos químicos que intervienen en el proceso es esencial para evitar interacciones peligrosas, la ruptura de la planta o la contaminación del producto.

Los materiales de construcción deben ser

• inertes a los reactivos, productos intermedios y productos
• capaces de soportar presiones y temperaturas muy elevadas cuando sea necesario
• durables.

La industria química: ¿hasta qué punto es segura y está regulada desde el punto de vista medioambiental?

La seguridad debe ocupar un lugar prioritario en la agenda de la industria química y con razón. Muchos de sus productos son potencialmente peligrosos en alguna fase de su fabricación y transporte. Estos productos químicos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos, inflamables, explosivos, corrosivos y/o tóxicos. Los procesos de fabricación suelen implicar altas temperaturas, altas presiones y reacciones que pueden ser peligrosas si no se controlan cuidadosamente. Por ello, la industria opera dentro de los límites de seguridad exigidos por la legislación nacional e internacional.

Figura 10 El ácido fluorhídrico es un líquido muy corrosivo. Aquí se está
cargando automáticamente en un camión cisterna.
Con la amable autorización de Mexichem Fluor.

Riesgos y lesiones

A pesar de tratarse de operaciones peligrosas, la industria química tiene en realidad un menor número de accidentes que el conjunto de la industria. Entre 1995 y 2005, en el conjunto de la fabricación europea de todo tipo, se produjeron más de 4 lesiones por cada 1.000 empleados, el doble que en la industria química. Los datos de EE.UU., registrados como días perdidos por accidentes, muestran una diferencia aún más marcada; el número de días perdidos en las principales empresas de la industria química por accidentes es 4 veces menor que en la industria manufacturera en general.

Figura 11 El personal recibe una amplia formación sobre el uso de ropa y equipos de seguridad. En esta fotografía, se realiza el mantenimiento de un reactor utilizado para producir hidrofluoroalcanos. Con la amable autorización de Arkema.

Reglamentación medioambiental

Existen serias preocupaciones sobre el impacto potencial de ciertos productos químicos manufacturados en los organismos vivos, incluidos nosotros mismos, y en el entorno natural. Estas preocupaciones incluyen la contaminación del aire, la tierra y el mar, el calentamiento global y el cambio climático, el agotamiento de la capa de ozono de la atmósfera superior y la lluvia ácida.

La industria química cuenta con una iniciativa mundial denominada Responsible Care. Comenzó en Canadá en 1984 y ahora se practica en más de 60 países. Compromete a las asociaciones nacionales de la industria química y a las empresas a:

• Mejorar continuamente los conocimientos y el rendimiento de nuestras tecnologías, procesos y productos en materia de medio ambiente, salud y seguridad a lo largo de su ciclo de vida, con el fin de evitar daños a las personas y al medio ambiente.
• Utilizar los recursos de forma eficiente y minimizar los residuos.
• Informar abiertamente sobre el rendimiento, los logros y las deficiencias.
• Escuchar, comprometerse y trabajar con las personas para comprender y abordar sus preocupaciones y expectativas.
• Cooperar con los gobiernos y las organizaciones en el desarrollo y la aplicación de reglamentos y normas eficaces, y cumplirlos o superarlos.
• Proporcionar ayuda y asesoramiento para fomentar la gestión responsable de los productos químicos por parte de todos los que los gestionan y utilizan a lo largo de la cadena del producto.

En EE.UU., las empresas químicas gastan más de 12.000 millones de dólares al año en programas de medio ambiente, salud y seguridad. Esto, por ejemplo, ha permitido reducir las emisiones peligrosas al aire, la tierra y el agua en un 80% en los últimos 25 años. Otra medida medioambiental se refiere al uso de la energía. En los 20 años transcurridos desde 1994, la industria química de EE.UU. ahorró un 20% de energía por unidad de producción, y en el mismo periodo la energía ahorrada por unidad de producción en la UE descendió un 55%. La emisión de gases de efecto invernadero por unidad de producción (la intensidad de los gases de efecto invernadero) disminuyó un 58% y un 75% en EE.UU. y en la UE, respectivamente, entre 1990 y 2014.

En todos los países importantes están en vigor normas. En Europa, se aplican a través de REACH (registro, evaluación, autorización y restricción de sustancias químicas). Están cambiando fundamentalmente la forma en que se fabrican, venden y utilizan las sustancias químicas, al proporcionar un marco único normalizado para la gestión segura de las sustancias químicas. REACH responsabiliza tanto a los fabricantes como a los importadores de garantizar que todas las sustancias químicas producidas en cantidades superiores a una tonelada al año no afecten negativamente a la salud humana o al medio ambiente. La industria proporciona información exhaustiva y documentada sobre todas las sustancias químicas que reúnen los requisitos, lo que permite a los usuarios de las sustancias químicas asegurarse de que se realizan los controles adecuados. Las sustancias químicas que se producen en cantidades iguales o superiores a 1.000 toneladas al año deben estar registradas antes de diciembre de 2010 y las de más de 1 tonelada deben estarlo antes de junio de 2018.

Sólo una pequeña proporción de los residuos químicos son tóxicos o peligrosos. La mayoría de ellos, junto con los materiales que resisten la descomposición natural, se incineran a alta temperatura. Siempre que es posible, los propios residuos proporcionan el combustible para este proceso. Los gases producidos se limpian a fondo y se «friegan» antes de lanzarlos a la atmósfera, dejando sólo las cenizas para su eliminación. A lo largo de las unidades de este sitio web se pueden ver ejemplos de cómo se tratan los subproductos.

¿Cuáles son los retos de la industria química en la actualidad?

La industria química está experimentando grandes cambios en todo el mundo. Como hemos visto anteriormente, uno de ellos tiene que ver con la aparición de los países de Oriente Medio y de China, India y Brasil como fabricantes de productos químicos a escala masiva, para su propio consumo y también para la exportación en todo el mundo. Las empresas de estos países también están invirtiendo en plantas en Estados Unidos y Europa, mientras que las empresas estadounidenses y europeas están invirtiendo en plantas en estos grandes países emergentes, lo que hace que la industria en su conjunto sea totalmente internacional en su forma de hacer negocios. El reto para las empresas de EE.UU. y Europa es reducir sus costes y, al mismo tiempo, garantizar que se ajustan a las mejores prácticas de protección del medio ambiente. Esta preocupación por el medio ambiente se trata en las unidades separadas sobre los productos químicos individuales.

Una nueva revolución se avecina. Como el petróleo y el gas natural son cada vez más escasos y caros, los químicos están buscando nuevas materias primas para complementar o incluso sustituir al petróleo y al gas natural. Y están redescubriendo las virtudes del carbón (que todavía se encuentra en gran cantidad, aunque es un combustible fósil que no puede ser sustituido) y de la biomasa.

Así estamos cerrando el círculo. A finales del siglo XIX y la primera parte del XX, la industria química orgánica se basaba en gran medida en el carbón y la biomasa. El carbón se calentaba fuertemente en ausencia de aire para formar gas de hulla (una mezcla de hidrógeno, metano y monóxido de carbono). Como subproducto se formaba un líquido (alquitrán de hulla) que contenía muchas sustancias químicas orgánicas útiles, incluido el benceno, y el residuo sólido era el coque, una forma impura de carbono. El coque era la fuente de lo que hoy llamamos gas de síntesis. El vapor se hacía pasar por él a altas temperaturas para obtener monóxido de carbono e hidrógeno. Otra fuente de productos químicos orgánicos era la biomasa. Por ejemplo, la fuente de muchos productos químicos C2 era el etanol, producido por la fermentación de la biomasa. Los productos químicos C3 y C4, como la propanona y el butanol, también se producían a gran escala mediante la fermentación de la biomasa.

Desde entonces, a partir de la década de 1940, la industria ha encontrado formas cada vez mejores de utilizar los productos del refinado del petróleo para producir no sólo todos los productos químicos mencionados anteriormente, sino muchos más. Un ejemplo es el crecimiento de la industria petroquímica, con el conjunto de nuevos polímeros, detergentes y una miríada de productos químicos sofisticados producidos a bajo coste.

Por lo tanto, quizá el mayor reto consista en encontrar formas de reducir nuestra dependencia de los recursos no renovables. Así, a medida que los suministros de petróleo y gas natural disminuyen, debemos encontrar formas de utilizar las tecnologías más antiguas basadas en la biomasa para producir productos químicos de la forma más aceptable posible para el medio ambiente, en términos de energía gastada y efluentes producidos. Por ejemplo, ahora se producen a partir de la biomasa algunos etenos y una serie de polímeros, así como grandes cantidades de etanol.

Otro reto es reducir nuestra dependencia de los recursos no renovables para producir energía. La manera más fácil de hacerlo es encontrar formas de hacer funcionar nuestras plantas químicas a temperaturas más bajas con la ayuda de catalizadores o utilizando rutas alternativas. Esto ya ha comenzado en serio, como se señaló en la última sección. El consumo de energía por unidad de producción se ha reducido en un 55% en la UE desde 1994 y en un 22% en Estados Unidos desde 1990. En consecuencia, la emisión de dióxido de carbono ha disminuido aproximadamente lo mismo en las mismas escalas de tiempo.

Las nuevas tecnologías basadas en los nanomateriales también estarán a la vanguardia en los futuros avances de la industria química y será importante garantizar que la producción de estos materiales revolucionarios sea segura y de beneficio económico.

La industria química tiene muchos retos en el siglo XXI que deben superarse para seguir siendo el corazón de todos los países importantes. Sólo así la industria podrá ayudar a la sociedad a mantener y mejorar su nivel de vida y hacerlo de forma sostenible.

Muchos de los datos utilizados en esta unidad proceden de trabajos publicados por el CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, Consejo Europeo de la Industria Química) y el American Chemical Council.