Teresa de Diego Puente2012

Departamento de Bioquímica y Biología Molecular B e Inmunología

El HOMBRE Y SU ENTORNO CIENTÍFICO−CULTURAL

1.Definir Química Verde y QuímicaSostenible

2.Pasado, presente y futuro de laIndustria Química

3.Principios de la Química Verde4.Catalizadores Biológicos: Enzimas5.Medios de reacción: Solventes“verdes”

¿Qué es la Química Verde?

¿Qué es la Química Sostenible?

- Se centra en el diseño de productos y procesosquímicos que implica la reducción o eliminación desustancias peligrosos para las personas y el medioambiente

- Tecnología necesaria para cubrir las necesidades de lageneración presente sin comprometer la capacidad delas generaciones futuras para conseguir sus propiasnecesidades.

QUÍMICA VERDESOSTENIBLE

OBJETIVOMETODOLOGÍA

Un poco de historia….Enfoque tradicional

Diseño industrial basado en la optimizacióneconómica (contaminar es “gratis”)

Peligros químicos:desconocidos, despreciadosSeguridad:minimizar exposición personal

"Por definición, cualquier subproducto de una operación química para la que no existe unuso es un residuo. La forma más práctica y barata de deshacerse de un residuo es a travésde la chimenea o el río" (W. Haynes, 1954)

Un poco de historia….Enfoque ambientalista

Un poco de historia….

•Producción más limpia – Desarrollado en 1989 por elPNUMA (Programa de las Naciones Unidas para el MedioAmbiente en su Programa de la Producción más Limpia).• Ecoeficiencia – Desarrollado en 1990 por el ConsejoMundial para el Desarrollo Sostenible• Prevención de la contaminación- Introducido en lalegislación de Estados Unidos en 1990 en el “Acta deprevención de la contaminación”: Química VERDE (P.Anastas)• I. Químicas y Petroquímicas . «Programa de cuidadoresponsable del medios ambiente»

A principios de la década del ´90 surgieron en el mundo y casisimultáneamente distintas estrategias:

DESARROLLO SOSTENIBLE

es

Enfoque de la Química verde Procesos más eficientes y más rentables

Un poco de historia….

1. La prevención de formación de residuos en lugar de remediación.2. Economía atómica.3. La reducción de productos químicos tóxicos/peligrosos.4. La generación de productos eficaces pero no tóxicos.5. La reducción del uso de solventes volátiles y tóxicos, y de

sustancias auxiliares.6. La disminución en el consumo energético.7. La utilización de materias primas renovables.8. La reducción del número de etapas de los procesos de síntesis y

en concreto de las reacciones de derivatización.9. La potenciación de la catálisis lo más selectiva posible, en lugar

de reactivos estequiométricos.10. La generación de productos biodegradables.11. El desarrollo de metodologías analíticas para la prevención de la

contaminación.12. La minimización del riesgo de accidentes químicos.

12 Principios de la Química Verde

Paul T. Anastas, John C. Warner,1998, Green Chemistry: Theory and Practice

1. PREVENCIÓNEvitar la generación de residuos es mejor que tratarlos o limpiarlos

después.

2. ECONOMÍA ATÓMICAProporción de la cantidad de reactivos que se incorpora al producto de lareacción

3. REDUCCIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS TÓXICOS/PELIGROSOS.

Riesgo = Peligro × Exposición

Enfoque ambientalista: Reducción de la exposición: Conequipamiento de seguridad (gafas, etc.), pero el peligropermanece.Enfoque de Química Verde: Reducción del peligro: se reducela probabilidad y la gravedad de los accidentes. Compatiblecon equipamiento de seguridad.

4. GENERACIÓN DE PRODUCTOS EFICACES PERO NO TÓXICOS.Diseñar productos manteniendo su función pero reduciendo su toxicidad.

5. LA REDUCCIÓN DEL USO DE SOLVENTES VOLÁTILES Y TÓXICOS, YDE SUSTANCIAS AUXILIARES.

Las sustancias auxiliares (p. ej., disolventes) no se incorporan en el producto final.

Disolventes "tradicionales" (COV)Tóxicos: hexanoCarcinógenos: disolventes clorados, bencenoDestructores de la capa de ozono:

disolventes cloradosDisolventes preferibles (COV)

Menos tóxicos: heptano, toluenoDisolventes oxigenados: metanol, acetonaDisolventes orgánicos renovables: lactato de etilo

Disolventes idealesAguaCO2 supercrítico Líquidos iónicosSin disolvente

6. DISMINUCIÓN EN EL CONSUMO ENERGÉTICOLa energía es cara y provoca la emisión de CO2.

7. LA UTILIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS RENOVABLES

Hay que diseñar los procesos(calentamiento, enfriamiento,separación...) para reducir el consumode energía.Pueden usarse nuevas técnicas paraacelerar las reacciones (microondas,ultrasonidos).

Derivados de combustibles fósiles:• Afloramiento del carbono del subsuelo: aumento del efecto invernadero• Agotamiento del petróleo para generaciones futuras•Encarecimiento progresivo del petróleo.• Dificultades de aprovisionamiento del petróleo: problemas geoestratégicos Materias primas renovables: Procedentes de la agricultura y otros sectoresHidratos de carbono, aceites, fibras...Productos más biodegradables y menos tóxicos

Bioetanol

8. LA REDUCCIÓN DEL NÚMERO DE ETAPAS DE LOS PROCESOS DE SÍNTESIS Y EN CONCRETO DE LAS REACCIONES DE DERIVATIZACIÓNHay que rediseñar los procesos químicos cuestionando la necesidad de:Grupos protectores o bloqueantes Y Derivados para facilitar el procesado (destilación, precipitación, etc.)

9. LA POTENCIACIÓN DE LA CATÁLISIS LO MÁS SELECTIVA POSIBLE,EN LUGAR DE REACTIVOS ESTEQUIOMÉTRICOS.Reactivos estequiométricos:Uso en grandes cantidadesGeneración de muchos residuos

Catalizadores:Uso en pequeñas cantidadesGeneración pocos residuosAumento de la selectividadFuncionan a bajas temperaturasPermiten la recuperación

10. LA GENERACIÓN DE PRODUCTOS BIODEGRADABLES

11. EL DESARROLLO DEMETODOLOGÍAS ANALÍTICASPARA LA PREVENCIÓN DE LACONTAMINACIÓN.

12. LA MINIMIZACIÓN DEL RIESGO DE ACCIDENTESQUÍMICOS.

Planta Química de Bhopal (India). Fabricación de pesticidas

1984. Murieron cerca de4.000 personas.

LA QUÍMICA VERDE ES…• Científicamente consistente,• Económicamente eficiente, y• Conduce hacia una civilización

sostenible.

BIOCATÁLISIS ENSOLVENTES “VERDES”

BIOCOMBUSTIBLES

ENZIMAS: CATALIZADORES VERDES

Biocatálisis Estructura 3D

PROCESOS INDUSTRIALES DE SÍNTESIS QUÍMICA

Medios no acuosos

Condiciones extremas de reacción

• Proteínas diseñadas para trabajar en H2O• Alta actividad catalítica• Máxima Selectividad• Condiciones suaves de reacción (ºC, pH, etc.)• Elevado número de enzimas (naturales y

modificadas química- y genéticamente).• Biodegradables

Lipasa B de C. antarcticaProtein Data Bank

Enzimas en Medios No Acuosos

¡¡¡INTEGRIDAD CATALÍTICA DE LA PROTEÍNA !!!

INTERÉS PARA LA QUÍMICA FINAi.e. Disolventes Orgánicos

Estereoselectividad

A-H + BOH A-B + H20HIDROLASA

“Nuevas” actividades catalíticas

Biotransformaciones sobre “nuevos” sustratos

Alta Actividad

Enzimas en Medios No Acuosos

ENZIMA NATIVA ENZIMA DESACTIVADA

√Sufren fenómenos de desactivación ydesnaturalización.

√Para evitar estos fenómenos se necesita:1)Controlar los parámetros relacionados

con el agua: Log P, Aw, [H2O].2) Estabilizar las enzimas.

Enzimas en Medios No AcuososIngeniería

DelMedio

Inmovilización

Modificación Química

Ingeniería proteica

ENZIMA ESTABILIZADA

L.I.

Sustratos

Productos

ENZIMAINMOVILIZADA

PROTEASAS

Papaína

α-Quimotripsina

LIPASAS

C. antarctica A

C. antarctica B

M. miehei

SÍNTESIS DE PÉPTIDOS Y

ÉSTERES DE AA

Gly-Gly-Phe Tyr-ArgTyr-Glicerol

ÉSTERES Propionil-L-carnitina Alifáticos (i.e. BuBu)Resol. rac-alcoholes

1-feniletanolglycidol2-pentanol

ACUOSOSPoliolesSales

DISOLVENTES ORGÁNICOS

MISCIBLES CON H2O

INMISIBLES CON H2O

SOLVENTES NEOTÉRICOSSistemas anhidros Fluidos supercríticos Líquidos iónicos

MEDIOS

Aw

MEDIOS NO CONVENCIONALESENZIMAS PRODUCTOS

¿Cómo resolver los inconvenientes de utilizar los solventes orgánicos?SOLVENTES NEOTÉRICOS

FLUIDOS SUPERCRÍTICOS (1985 -…

LÍQUIDOS IÓNICOS (2000 - …

⌦Desarrollar procesos industriales limpios.⌦Evitar medios peligrosos de reacción.⌦Fácil recuperación de los productos.⌦REUTILIZACIÓN DE LOS SOLVENTES.⌦Biocatálisis en Solventes Neotéricos.

QUÍMICA FINA QUÍMICA VERDE

FLUIDOS SUPERCRÍTICOS

Temperatura ( ºC )

Pres

ión

( ba

r )

Tc

Pc

SÓLIDO LÍQUIDO

GAS

SUPE

RCRÍ

TICO

AC

D

gas

líquido

A

Fasesupercrítica

DC

B

B

Diagrama de Fases

Punto Crítico

VENTAJAS

Alta velocidad transferencia de masa

Propiedades solventes modulables

Alta capacidad extractiva

Fácil recuperación de productos (Despresurización)

Fácil reutilización (Presurización)

Solventes medioambientalmente “inocuos”

DESVENTAJAS

Coste económico del equipamiento apropiado

Difusividad ≈ GASESDensidad ≈ LÍQUIDOS

P, T y/o cosolventes

i.e. scCO2: Tc =31,3; Pc = 72,9 bar; δc= 0,47 g/mL

FLUIDOS SUPERCRÍTICOS COMO MEDIOS DEREACCIÓN / EXTRACCIÓN

A: PentanoB: HexanoC: HeptanoD: CiclohexanoE: TetraclorometanoF: ToluenoG: BenzenoH: Cloroformo

S =[δ(∆Hv-RT) / Mw]1/2

δ: densidad∆Hv: Entalpía vaporización

Parámetro de Solubilidad de Hildebrand (S)

Solubilidad Hildebrand (cal/mL)

3 4 5 6 7 8 9 10

Den

sida

d sc

CO

2 (g/

mL)

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2 85 bar100 bar150 bar200 bar300 bar

40, 55, 70, 85, 100 ºC

A B DC E FGH

RELACIÓN ENTRE SOLVENTES ORGÁNICOS/scCO2

30.000 L.I. con número CAS

NaCl a 801ºC Líquido IónicoNaCl disuelto en H2O Solución Iónica

Líquidos Iónicos a Temperatura Ambiente (L.I.)

Sales líquidas en un amplio rango de temperatura

Tipo de iones: Catión y AniónMillones de combinaciones!! (1 trillón)

Modulación y/o Selección de laspropiedades físicas y químicas

Líquidos formados exclusivamente por iones

LÍQUIDOS IÓNICOS: Terminología

801ºC22ºC

SAL LÍQUIDO IÓNICO

+ =

Solución iónica

LÍQUIDOS IÓNICOS A TEMPERATURA AMBIENTE (L.I.)

Propiedades

NO VOLATILES

NO INFLAMABLES

ALTA ESTABILIDAD TÉRMICA (>300ºC)

Fase líquida en amplio rango de temperatura

Buenos solventes para muchos compuestos

Alta conductividad iónica (0,1 Sm-1)

Amplia ventana electroquímica (hasta 3V)

Inmiscibles con H2O

Alta polaridad

Inmisicibilidad con H2O

Preservan las moleculas de H2O esenciales para la

actividad de las enzimas !!!

H2O

Escala de Polaridad de Reichardt

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Bmim CF3SO3

MeOH

EtOH

CH2Cl2

AcN

Heptane

Bmim BF4

Omim BF4

Bmim NTf2

Bmim PF6

Omim PF6

Omim NTf2

Odmim NTf2

DMSODMF

Me4Si

Polaridad de los Líquidos Iónicos

Poole, C.F. (2004). J. Chromatogr. A, 1037, 49-82

Reacciones enzimáticas desarrolladas en la UMU

Alta actividad

Alta enantioselectividad

Super-estabilización

Ésteres de aminoácidos

L-Tyr propil éster

Ésteres alifáticosAcetato de butilo C6Propionato de butilo C7Butírato de butilo C8Propionato de hexilo C9Butirato de hexilo C10Propionato de octilo C11

Resoluciones cinéticas de sec-alcoholes

1- Feniletanol Glicidol

Resoluciones Cinéticas Dinámicas

(Quimio-Enzimático) 1-Feniletanol

L.I.

ENZIMASLipasasProteasas

ENZIMAS SUSPENDIDAS EN LIQUIDOS IÓNICOS

El empleo de disolventes orgánicos ROMPE el criterio de proceso

integral verde!!

Fase IL

SE

Ps P

P Ps

P

s

Disolvente

sss

Substratos

PP P Ps

P

ss

REACCION EXTRACCION

P

RECICLADO DEL L.I. Y LA ENZIMA

Sistema bifásico

REACCION

OOC-R1

CH3-CHO

R1-COO-CH=CH2

LIPASA

R2-OH

R1-COO-R2

¿Como realizar procesos continuos de síntesis química VERDE de modo integral

mediante biotransformaciones enzimáticas?

PROCESOS CONTINUOS VERDES

ESTRATEGIA en la UMU

MEDIOEnzima Sustr.

Activid. Estabil. Transp. Masa

LÍQUIDOS IÓNICOS

scCO2

scCO2 soluble en L.I. L.I. insolubles en scCO2

S

P

scCO2

PA

RTÍ

CU

LA S

OP

OR

TE

LíquidoIónico

S

PFl

ujo

USO COMBINADO DE SOLVENTES NEOTÉRICOS

Blanchard et al., 1999, Nature, 399, 28

REACTOR ENZIMÁTICO BIFÁSICOFASE CATALÍTICA: Enzima + Líquido Iónico

FASE EXTRACTIVA: scCO2

BOMBA CO2

BOMBA HPLC

RESTRICTORTERMOSTATIZADO

CO2

ReactorTermostatizado Grupo frío

Sustratos

Hielo

5% Flujo

95% Flujo

Flujo total= 2mL/min

Productos

PROCESO BIOCATALÍTICO CONTINUO VERDE

Enzima-H2O-IL

Adsorbida sobre CELITE

Diseño experimental

BOMBA CO2

BOMBA HPLC

ReactorTermostatizado Grupo frío

Sustratos

5% Flujo

95% Flujo

Flujo total= 2mL/min

Productospuros

CO2

CO255 bar

Tanque dedescompresión

PROCESO BIOCATALÍTICO CONTINUO VERDEDiseño experimental

PROCESO BIOCATALÍTICO CONTINUO VERDE

MEDIO ACUOSO

SustratosEnzim

a

H2O

MEDIOS ANHIDROS

H 2O

SustratosEnzim

a

MEDIOS SUPERCRÍTICOS

Sustratos

H 2O

SEnzim

a

LÍQUIDO IÓNICO

S

BIOCATÁLISIS EN MEDIOS NO CONVENCIONALES

IL Phase

MeOHTriolein

Support

IME(only 1st cycle)

FAMEsGlyOHMeOH*

ENZYMATICMETHANOLYSIS

60 ºC

60 ºC

FAMEs

60 ºC

FAMEs

Hexane

Cooling on ice

FAMEs

4-6 ºC

60 ºC

Hexane

IL PhaseSOLID

GREEN ENZYMATIC

BIODIESEL PROCESS

1st STEP

Liquid-liquidextraction

2nd STEP

H2O

MeOHGlycerol

Liquid-liquidextraction

3rd STEP

Vacuum5th STEP

MeOHGlycerolin H2O

IL Phase

IL Phase

IL Phase

IL Phase60 ºC

Hexane+

FAMEs

Cooling onice bath

4th STEP

Estabilización enzimática

Ciclos catalíticos < 4 horas

Reutilización de solventes

Reutilización de enzimas

Proceso integral verde

VENTAJAS OPERACIONALES

SÍNTESIS ENZIMÁTICA DE BIODIESEL POR VIA ENZIMÁTICA EN ILs

P. Lozano, T. De Diego, J.L. Iborra. 2007. Production of biodiesel by enzyme catalysis in ionic liquids. W.O. Pattent

1. LOS LÍQUIDOS IÓNICOS SON EXCELENTES MEDIOS NO ACUOSOS PARA LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA

Biocatálisis Aplicada Bioprocesosindustriales verdes

ENZIMAS EN SISTEMAS L.I. / scCO2

2. DISEÑO DE BIOPROCESOS QUÍMICOS VERDES

Proporcionan un microambiente idóneo para la actividad catalítica Estabilizan a las enzimas en procesos continuos y condiciones extremas

+

+

Cl-

Cl-

N N

NN

S

P

scCO2

SUPP

OR

T PA

RTI

CLE

IonicLiquid

S

P

Flow

IL Phase

s. XX s. XXI

CONCLUSIONES