Los problemas sociales de la Ciencia y Tecnología Química que inciden en la Transformación de la madera (página 2)
El desarrollo acelerado de las ciencias, ha
provocado cambios dramáticos en el tratamiento de
conceptos, modelos y teorías.Lo que pareció en décadas anteriores
una alta especificidad en el desarrollo de las ciencias
particulares, para garantizar una mayor profundidad, ha
devenido en una compleja integración entre las
diferentes ramas de las Ciencias Química,
Física con otras como las Matemáticas e
Informáticas.El desarrollo de la ciencia y la necesidad de
abordar problemas diferentes condujo a la aparición de
una serie de ramas de la Ciencia como la Biología
molecular; Biotecnología, Ingeniería
Genética, Ciencias Ambientes, Ing. Sanitarias,
Ingenierías Económicas, etc.Los descubrimientos científicos en el campo
de las Ciencias Biológicas a nivel molecular ha
colocado al hombre ante cambios sustanciales, inclusive en la
forma de concebir la vida en nuestro planeta.Descubrimientos tales como la Teoría de los
Sistemas, Teorías del Caos y Paradigmas de la
complejidad, ligados al área de la Biología,
Física y Termodinámica se configura como una
nueva versión de organización de los sistemas o
procesos evolución de un
sistema-autoorganización –
complejidad.Rompimiento con las formas clásicas de
Arquitectura organizacional.La aparición de los conceptos de
reingeniería (Michael Hammer, Jame Champy, 1950).
Supuso cambios y reestructuración de proyectos en los
procesos empresariales con la finalidad y el tener mejoras
increíbles en el costo, calidad, servicio y
velocidad.El Desarrollo de las comunicaciones y la
Informática han marcado la sociedad de finales de
sigloEl desarrollo alcanzado en el estudio de las
proteínas y ácidos nucleicos, la Versión
del Mapa del Genoma humano creó un hito sin precedente
en la historia conocida de la vida en la tierra importante
para este siglo.El desarrollo alcanzado en las Investigaciones
espaciales.El desarrollo de la Nanotecnología, de los
métodos Criogénicos, el desarrollo de la
medicina, astrofísica y otros sentaron las bases
científicas necesarias para un cambio de paradigma en
las ciencias y especialmente de las ciencias
químicas.Desde el punto de vista ambiental, la actividad
antropogénico creció de esta misma forma
acelerada, primando el antropocentrismo, pero comienza
entonces una versión ambiocentrista.La era del reconocimiento del ambiente, del debate
ambiental, concientización de los problemas que el
hombre causa al medio.Se comienza el estudio del funcionamiento de
sistemas ambientales en dependencia de la esfera del
conocimiento que se trate.Los descubrimientos tecnológicos han
modificado el pensamiento de los seres humanos, realizando
consideraciones filosóficas, éticas y ambientes
importantes.Comenzó la era de la tecnología en el
micro mundo.
Desarrollo de la
química de los compuestos
orgánicos
Aparece una gran acumulación de conocimiento
científico, existen en la literatura alrededor de 12
millones de compuestos orgánicos.Síntesis de compuestos presentes en la
naturaleza como instrumentos de
exploración.Aparición de nuevos métodos de
separación e Identificación junto a los
métodos espectroscópicos tradicionales FTIR,
Resonancia Magnética C13, combinaciones de
métodos Cromatográficos asociados a
Cromatografía de Masa ( MS) , Cromatografía
Gaseosa (GC), Cromatografía Líquida de Alta
Resolución ( HPLC), Cromatografía de
Permeación sobre Gel.Métodos Semiempíricos para el
cálculo de moléculas
orgánicas.Síntesis de nuevos compuestos no presentes en
la naturaleza, creando su propio objeto de estudioCreación de estructuras moleculares
especiales como modelo de investigación.
Síntesis de compuestos novel o estructuras "target
"Creación de nuevas tácticas de
síntesis (Opciones de Transformación, factores
termodinámicos y cinéticos, métodos de
síntesis). Análisis de intermediarios,
mecanismos de reacción.Retrosíntesis como técnica para el
planeamiento de la síntesis trabajando en base al
producto final a partir del producto original.Interconversión de grupos funcionales.
Instrumento estratégico en la síntesis. Control
de la selectividad de las reacciones orgánicas.
Sitios, sustratos, protección. Tipos de
síntesis.Construcción de estructuras cíclicas.
Métodos convencionales para la ciclización,
Macrociclización. Remodelaje del esqueleto carbonado.
Diseño de estructuras con grupos funcionales
orientados.Tomó significado en la Química
Orgánica la Teoría de la Perfección o
Armonía según Smith, W. A., Bochchov, A.F.
Caple, R. en 1988 en su obra Química Orgánica,
"Una Ciencia Cercana al Arte". El paradigma de la
Perfección se constató en la idea de reproducir
la geometría de los sólidos perfectos de
Platón, con hidrocarburos creados artificialmente de
formula CnHn. Representó un desafío pero fueron
sintetizados.El estudio de la
Química-Física-Orgánica y de la
Mecánica Cuántica Molecular predijeron la
posibilidad de obtener el dicubano, dicubeno, fulereno,
compuestos ramificados esferoidales, compuestos con enlaces
topológicos como los catenanos y rotoxanos y
polímeros de complejidad tal que conlleva a que estas
estructuras anormales se contrapongan a las Teorías
Clásicas, Se desarrolló grandemente la
Química Combinatorial.La química molecular ha establecido su
dominio sobre el enlace covalente, desarrollando
métodos de síntesis orgánica adecuados
para la construcción de estructuras cada vez mas
complejas, utilizando la formación y rotura de enlaces
covalentes entre los átomos de manera controlada y
precisa.La química del enlace covalente parece haber
llegado a sus limites conceptuales. Los químicos
sintéticos tienen que mirar hacia delante si quieren
ser capaces de construir nanosistemas como los que se
encuentran en el mundo natural, y tienen que aprender a
controlar otro tipo de enlace, el enlace intermolecular no
covalente.En los últimos 30 años, la comunidad
química ha dirigido sus investigaciones hacia el
control y el dominio de las interacciones no covalentes. La
investigación y los estudios en esta área han
originado lo que se conoce como Química
Supramolecular.La creación de maquinas en el rango del
nanómetro ha interesado a la comunidad
científica desde hace 30 años. La inagotable
demanda de tecnologías cada vez mas sofisticadas esta
alentando a los científicos a concentrarse en la
escala del nanómetro, buscando maneras mas eficientes
de escritura, almacenaje, procesamientos, lectura y
transferencia de información que las existentes
actualmente, originando la nanoquímica.La activación de los componentes en la
nanoquímica puede realizarse a través de
fotones, iones o electrones dando lugar a maquinas
fotónicas, iónicas o
electrónicas.El desarrollo de la ciencia y la tecnología
ha propiciado
Productos
químicos derivados de la madera
Desde la década de los setenta del siglo pasado y
a raíz de la tercera revolución
industrial la preocupación por la obtención de
productos de
especies forestales sustitutivos del petróleo ha sido empeño de los
investigadores, científicos del mundo, baste mencionar que
GOLDSTEIN IRVING S., presentó una ponencia titulada:
Perspectivas para el futuro y planteaba que son dos las formas en
que se podrá utilizar la madera en el
futuro para la obtención de productos
químicos:
Una consiste en extender y ampliar los
métodos actuales.La otra reside en transformar los componentes
poliméricos de la pared celular que constituyen la
porción principal de la madera. Estos polímeros
permitirán sustituir los productos
petroquímicos y satisfacer todas las necesidades del
consumo.
Las proyecciones de la demanda de
algunos productos básicos pueden fundarse en el
crecimiento demográfico o en las tendencias pasadas. Sin
embargo, en la proyección de la demanda futura de los
productos químicos derivados de la madera una simple
extrapolación de los datos actuales no
resulta fiable. Hoy en día, las sociedades
industriales dependen, casi enteramente, de productos
petroquímicos derivados de hidrocarburos
fósiles, líquidos y gaseosos, como materias primas
para la producción de fibras, plásticos,
cauchos, adhesivos, etc. A medida que el
petróleo y el gas natural van
escaseando y siendo más caros, es evidente que otras
fuentes de
carbono, tales
como el carbón de leña o la madera, pueden empezar
a utilizarse como materias primas alternativas. Si bien la
transformación de la madera en productos químicos
es teórica y tecnológicamente factible, ello no
implica que la madera se vaya a utilizar inevitablemente para
estos fines.
Las
fábricas de productos químicos
Los diversos componentes de la madera pueden
transformarse en productos químicos específicos,
por ejemplo, la celulosa en
etanol y las hemicelulosas en furfural. Aunque, de vez en cuando,
se ha considerado la instalación de fábricas
dedicadas a un solo producto., Las
fábricas de productos químicos derivados de la
madera del futuro deben transformar todos los componentes de la
madera en productos útiles, de igual forma que lo hacen
las refinerías con el petróleo y
los grandes frigoríficos industriales con la carne que
utilizan todas sus materias primas. Un plan de este tipo
(Goldstein, 1975a), que no es, sin embargo, el único
posible, entrañaría la prehidrólisis de la
madera con ácidos
suaves para convertir las hemicelulosas en xilosa o en productos
ricos en manosa, que dejen un residuo sólido de celulosa y
de lignina. La xilosa podría convertirse en furfural o en
xilitol, y la manosa combinarse con la glucosa para
fermentación. La hidrólisis
ácida fuerte del substrato celulosa-lignina podría
producir una solución glucósica fermentable para
obtener etanol u otros productos químicos y un residuo de
lignina sólido. Seguidamente la lignina podría
hidrogenarse para generar fenoles o también procesarse
para obtener resinas. El ulterior tratamiento del etanol para la
producción de etileno y butadieno permitirá a una
planta de este tipo elaborar las sustancias químicas
requeridas para la fabricación de casi todos los
plásticos, fibras y cauchos sintéticos
indispensables para la sociedad
industrial.
Se pueden proyectar otros sistemas
integrados de utilización de la madera que incluyan
posiblemente la producción de energía, alimentos y
materiales,
además de productos químicos (Lipinsky,
1978).
PRODUCTOS QUÍMICOS DERIVADOS DE LA MADERA EN
EL PASADO
Antes de la aparición de combustibles
fósiles baratos, como el carbón'
el petróleo y el gas natural, la
destilación destructiva de la madera para
obtener carbón de leña era una industria
importante (Stamm y Harris 1953). El gas que se produce en la
carbonización de la madera se puede utilizar como
combustible de pocas calorías, y se empleó durante
la segunda guerra
mundial como energía para motores de
combustión interna cuando no había
gasolina. Del destilado de la pirolisis de la madera se pueden
recuperar varios productos químicos orgánicos
volátiles. El ácido acético, el alcohol
metílico y la acetona se obtenían antes
exclusivamente de la destilación de la madera.
Además del alquitrán se aislaron diversas
fracciones oleosas que se utilizaron para medicinas, ahumadores
de carnes, desinfectantes y herbicidas.
EXTRACTIVOS.
Los exudados resinosos de los pinos eran la materia prima
para los calafateantes navales,. Estos exudados crudos, se
destilaron más tarde para producir trementina y
colofonias. El látex, que se extrae sangrando los árboles
de caucho, ha
sido durante muchos años la única fuente del
caucho. Para muchas aplicaciones, todavía se sigue
prefiriendo el caucho natural a los cauchos sintéticos.
Los extractos del duramen de ciertas frondosas así como la
corteza de diversas especies daban taninos que, como su nombre lo
indica, eran importantes para el curtido de cueros.
PRODUCTOS QUÍMICOS DERIVADOS ACTUALMENTE DE LA
MADERA
Además de la celulosa, que es el polímero
más empleado hoy día y que se utiliza
principalmente en su estado natural
fibroso después de extraído, se siguen empleando
todavía cantidades considerables de los llamados productos
«silviquímicos» (Goheen, 1972) a pesar de la
preponderancia de las sustancias químicas derivadas del
petróleo, o productos
«petroquímicos».
Licores de
pulpa
De los licores resultantes de la fabricación de
pasta por medios
alcalinos se queman durante la recuperación de los
productos químicos empleados, pero los licores resultantes
de la fabricación de pasta al sulfito suelen tratarse para
obtener subproductos útiles.
La lignina sulfonada puede precipitarse en forma de
sulfonatos de lignina y utilizarse como productos tánicos,
adhesivos, aglutinantes, dispersantes, etc. Los sacáridos
contenidos en el licor de sulfito agotado se fermentan con
levadura para producir alcohol etílico y suplementos de
forrajes y piensos.
Mediante la oxidación alcalina suave de los
sulfonatos de lignina, se obtiene vainillina para aromatizantes y
odorantes.
La lignina de álcali obtenido del sulfato o del
licor negro kraft se precipita y utiliza como diluente de
resinas, para refuerzo del caucho y la estabilización de
emulsiones. Entre los productos volátiles obtenidos del
licor negro kraft figuran el dimetil sulfuro, dimetil
sulfóxido y dimetil sulfona, que son útiles como
disolventes y reactivos químicos.
TALOL. Tall oil
La industria de calafateantes navales ha quedado en gran
parte desplazada por la recuperación de los componentes
oleorresinosos de la madera resultantes del procedimiento de
fabricación de pasta kraft (Uprichard, 1978; Zinkel,
1975). Algunas esencias volátiles como la trementina se
recuperan de los gases de
alivio expulsados de los digestores. El licor resultante de la
fabricación de pasta con álcali convierte a los
ácidos grasos y a los ácidos resínicos en
sales sódicas
que se despuman del licor negro concentrado y se
acidifican para producir talol crudo.
Hidrólisis
de la madera
La hidrólisis de la madera, o sea la
conversión de los polímeros de carbohidratos
que contiene la madera en monosacáridos con agua en
presencia de catalizadores ácidos, es un procedimiento que
se conoce desde hace 150 años. El producto principal es la
glucosa, que puede convertirse después en etanol o
levadura.
POLÍMEROS CELULÓSICOS.
La celulosa química de gran
pureza, o pasta soluble, es el material de partida de derivados
poliméricos de la celulosa tales como el rayón y el
celofán (ésteres celulósicas tales como el
acetato y el butirato para la producción de fibras;
películas y aplicaciones de moldeo, y éteres
celulósicas tales como la carboximetilcelulosa, la
etilcelulosa, y la hidroxietilcelulosa, que se utilizan como
gomas.
EXTRACTIVOS.
Todavía se sigue obteniendo de los tocones de
pino, por destilación al vapor o por extracción,
cierta cantidad de trementina y colofonia. La arabinogalactana,
que es una goma hemicelulósica extraída del alerce,
se utiliza como sucedáneo de la goma arábica. Los
ácidos fenólicos extraídos de la corteza de
varias coníferas se emplean como diluentes para adhesivos
resinosos sintéticos y como aglutinantes y dispersantes.
Las ceras que se extraen de la corteza del abeto Douglas pueden
utilizarse en las aplicaciones generales de la cera, y el caucho
natural sigue siendo un material importante.
Productos
químicos que se obtendrán de la
madera
En el futuro, la utilización de la madera para la
obtención de productos químicos revestirá
dos categorías principales: por una parte, la
extensión y ampliación de los procedimientos
actuales y la sustitución de los viejos procedimientos con
nuevas
tecnologías, y por otra, la transformación de
los polímeros de la pared celular en materias primas
químicas de poco peso molecular, mediante la
utilización de nuevas tecnologías y procedimientos
biotecnológicos. Y la utilización de procesos de
reciclado y conversión en productos tales como
bioenergía y otros productos para la industria.
EXTENSÍON DE LOS PROCEDIMIENTOS
ACTUALES.
Además de la ampliación material de las
operaciones
actuales, se persigue también su extensión a otros
aprovechamientos afines en la utilización de los productos
y extractivos. Los extractivos obtenidos de la corteza y el
leño tienen un potencial mucho mayor que el que indica su
aprovechamiento actual (Hillis, 1978; Laver, 1978). Los
polímeros celulósicas podrían tener una
mayor importancia si se pudieran reducir los costos de
energía y mejorar sus propiedades (Allan, 1978; Goldstein,
1977). Se puede estimular la producción de oleorresina de
los pinos aplicando herbicidas (Roberts, 1973). Se pueden obtener
polímeros de hidrocarburos con el cultivo comercial de
nuevas plantas (Calvin,
1978), y producir fenoles de poco peso molecular a partir de la
lignina, subproducto de los licores de la
fabricación de pasta (Goheen, 1971; Benigni y Goldstein,
1971). Es posible recuperar ácidos sacarínicos del
licor negro kraft (Sarkanen, 1976). El follaje puede producir
aceites esenciales, clorofila, derivados de clorofila tales como
clorofilina de sodio, potasio, magnesio, concentrado de
ácidos grasos y resínicos, y residuo
lignocelúlosico que puede servir como suplemento
alimenticio (Barton, 1978).
Conversión
de los polímeros de la pared celular
La porción principal de la madera consiste en los
componentes de la pared celular. En cuanto a volumen, esta
fuente de materia prima
supera con mucho a los elementos extractivos o subproductos
químicos y representa un recurso potencial para satisfacer
todas las necesidades químicas en sustitución de
los productos petroquímicos. Se puede lograr una
producción en gran escala de
sustancias químicas, importantes desde el punto de vista
industrial, derivadas de la lignocelulosa, siguiendo diversos
procedimientos (Goldstein, 1976a). Estas cantidades industriales
pueden proveer los bloques estructurales químicos
fundamentales para la conversión en polímeros
sintéticos (Goldstein, 1975a).
En la gasificación, la madera se calienta a
temperaturas de hasta 1000°C para formar una mezcla de
monóxido de carbono y de hidrógeno como principales productos
(Prahacs et al., 1971). Como
subproductos se obtienen pequeñas cantidades de
etileno, acetileno, propileno, benceno y tolueno. El
monóxido de carbono y el hidrógeno que se forman de
igual manera que en la gasificación del carbón se
pueden: (a) tratar más aún para obtener
hidrógeno con vistas a la producción de amoniaco;
(b) convertir por catálisis en metanol;
(c) enriquecer con hidrógeno y someter a
reacción para formar metano, o
(d) convertir por catalización en una mezcla de
hidrocarburos alifáticos por el procedimiento
Fisher-Tropsch.
La madera se licúa por reacción con
monóxido de carbono y agua a una temperatura de
350-400°C y a una presión de
4000 libras por pulgada cuadrada (280 kg/cm2), en presencia de
varios catalizadores
(Appell, 1971). Se produce un aceite viscoso
(rendimiento: 40-50%) que puede tratarse ulteriormente para
convertirlo en productos químicos de la misma forma en que
los productos petroquímicos se derivan del
petróleo.
La pirolisis, o degradación térmica de la
madera en ausencia de aire u oxigeno,
transforma la madera en carbón de leña, gas y
aceite (Saltes, 1978; Wender, 1974). El rendimiento relativo de
cada producto dependerá de las condiciones de la pirolisis
y de la composición del substrato, pero a una temperatura
de 900°C las cifras típicas serían 25-35% de
carbón de leña, 30-45% de gas y hasta 8% de
alquitrán y aceite. El gas consiste
principalmente en hidrógeno, monóxido de carbono y
metano, mientras que el alquitrán y el aceite contienen
elementos aceitosos ligeros como el benceno y el tolueno,
así como preparados mixtos de temperatura de
ebullición más elevada.
Celulosa
La transformación selectiva de la celulosa de
polímero glucósico en glucosa monomérica
puede lograrse por diversos medios. La hidrólisis, para
obtener glucosa, puede catalizarse bien sea por ácidos o
enzimas, pero
ningún procedimiento resulta tan fácil como la
hidrólisis del almidón debido al carácter cristalino de la celulosa. El
contenido de lignina no impide la hidrólisis ácida,
pero una celulosa que contenga mucha lignina será
resistente a la hidrólisis enzimática, por lo cual
habrá que delignificar en parte la madera o molerla fina
para someterla a la hidrólisis por enzimas.
La hidrólisis ácida con ácido
diluido a elevadas temperaturas produce la descomposición
de parte de la glucosa formada, que se convierte en
hidroximetilfurfural (Harris, 1975), lo que limita al 50%
aproximadamente el rendimiento neto de azúcar.
La hidrólisis ácida fuerte a temperaturas
más bajas puede dar rendimientos casi cuantitativos de
glucosa (Kusama, 1960).
Shafizadeh (1978) ha demostrado que la
destilación en seco de la celulosa a 400-500°C rinde
casi 80% de un alquitrán que contiene principalmente
levoglucosana que puede convertirse en glucosa con
un rendimiento del 50% basado en celulosa. Para evitar toda
contaminación y reacción con otros
productos de descomposición, se necesitaría
celulosa limpia de otros elementos del tabique
celular.
La transformación de la celulosa en glucosa es el
primer paso en la utilización química en gran
escala de la celulosa. La fermentación de la glucosa para
obtener etanol mediante técnicas
industriales
acreditados de alto rendimiento ofrece grandes
perspectivas. El etanol es un importante producto químico
industrial que se produce actualmente por hidratación del
etileno. Puede también tener una amplia aplicación
como combustible para motores de combustión interna. En la
deshidratación del etanol para obtener etileno, o sea la
reacción inversa a la actual formación de etanol a
partir de etileno del petróleo, también el
rendimiento es elevado. De igual forma, del etanol se obtiene
fácilmente butadieno por procedimientos industrialmente
acreditados, pero que, debido a la baratora del petróleo,
han quedado anticuados. La transformación de la glucosa
vía etanol en etileno y butadieno representa la principal
utilización potencial de la celulosa para obtener
productos químicos, debido a la importancia del etileno,
tanto como producto químico orgánico de mayor
volumen que como bloque estructural para la obtención de
productos petroquímicos y plásticos, y el butadieno
como agente para la producción de caucho sintético.
La glucosa se transforma asimismo en productos químicos
que actualmente carecen de importancia desde el punto de vista
industrial, pero que pueden tenerla en condiciones
económicas apropiadas.
Uno de estos procedimientos es la producción de
hidroximetilfurfural y su ulterior conversión en
ácido levulínico mediante la acción
de ácidos minerales
calientes sobre la glucosa (Harris, 1975). El empleo de la
glucosa como substrato de fermentación general
permitiría la producción, a partir de la madera, de
un amplio surtido de antibióticos, productos
químicos, vitaminas y
enzimas (Seeley,1976). Por ejemplo, el ácido
láctico podría transformarse en ácido
acrílico y en acrilatos.
HEMICELULOSAS.
Las hemicelulosas son más fáciles de
hidrolizar por ácidos que la celulosa y, por consiguiente,
con tratamientos suaves y de gran rendimiento se convierten
más fácilmente en monosacáridos. Las
xilanos, que abundan más en los árboles
caducifolios, dan principalmente xilosa, mientras que las
glucomanas, contenidas en gran cantidad en las coníferas,
dan manosa.
La manosa y otras hexosas pueden combinarse con la
glucosa para obtener etanol por fermentación.
La xilosa y demás pentosas se transforman en
furfural o, si no, también la xilosa puede reducirse a
xilitol. Hoy día el furfural se produce industrialmente
por tratamiento ácido de la xilana que contienen los zuros
de maíz y el
bagazo de caña de azúcar. Como, gracias a la
hidrólisis de la madera, se podrían obtener
cantidades mucho mayores, haría falta encontrar nuevas
aplicaciones. Sin embargo, como antes el furfural era la materia
prima que se utilizaba para la fabricación del nylon hasta
que fue sustituido por el butadieno, la abundancia de furfural, a
un costo razonable,
estimularía nuevas aplicaciones.
Lignina
Las características de la lignina importantes
para su utilización química son su carácter
aromático (en el sentido químico del contenido del
grupo
fenílico) y el enlace covalente carbono-carbono que impide
la reversión a monómeros por tratamiento suave. En
condiciones más rigurosas de pirolisis,
hidrogenación e hidrólisis, se han obtenido
rendimientos de fenoles de hasta el 50% (Goheen, 1971: Goldstein,
1975b; Schweers, 1978), y, además, se prevén
rendimientos de 35% de fenol puro. Se ha aislado el benceno como
componente de la hidrofisuración de la lignina y se
podría obtener un rendimiento del 25% de lignina por
deshidroxilación del fenol.
Factores
determinantes de la producción
Toda sustitución importante de los productos
petroquímicos que hoy día se emplean por sustancias
derivadas de la madera dependerá de varios factores de
carácter técnico, económico, político
y social.
Si bien en teoría
esta producción resulta factible, diversos elementos,
detallados a continuación, pueden comprometer su
realización.
UNA NUEVA ERA
En los últimos 50 años, la industria
química ha crecido rápidamente tanto en volumen
como en complejidad de sus productos. Estimulada por la
abundancia y bajos costos de los suministros de petróleo
como materia prima, los materiales orgánicos
sintéticos han adquirido tal auge que el nivel de vida de
las sociedades industriales está hoy día
íntimamente vinculado a ellos.
Según Davies (1978) la química industrial
ha conocido tres períodos durante estos 50 años. En
el primero, la ciencia
pura ocupaba el primer lugar. Los resultados de una investigación satisfactoria y pertinente
han conducido a invenciones útiles y rentables. En el
segundo período, después de la segunda guerra
mundial, la función
principal correspondió a las fuerzas del mercado. La
identificación de las necesidades del mercado
permitió que éstas se satisficieran de diversas
formas gracias a la ingeniosidad y a la ciencia. Fue
principalmente durante este período que los bajos precios del
petróleo permitieron un rápido desarrollo.
El tercer período, al cual estamos entrando, lo
ha llamado Davies un «período de ordenación
de los recursos».
Hoy día, los imperativos son mejorar, abaratar y
garantizar los suministros de los productos que se desean,
mediante la economía de materiales o gracias a su
reemplazo por materias primas más abundantes. Según
este análisis, para seguir medrando la industria
química tiene que orientarse hacia la base de recursos.
Así como ya antes hubo un cambio
pasándose de la base alquitrán de carbón a
la base petróleo, actualmente puede hacer falta un cambio
en favor del carbón y de la celulosa para las materias
primas químicas del futuro. Los productos químicos
derivados de la madera no tendrán probablemente que
enfrentarse con barreras institucionales para ser aceptados. La
tradicional adaptabilidad de la industria química les
garantiza, al parecer, un clima
favorable.
Tecnología
mejorada
Hasta qué punto y cuándo los productos
químicos derivados de la madera puedan desplazar a los
productos petroquímicos dependerá, en definitiva,
de sus costos relativos. El precio del
petróleo queda fuera del control de las
industrias
forestales (Unasylva, FAO,2001). pero la evolución en la tecnología de la
química de la madera puede contribuir a reducir estos
costos. A los precios actuales, los productos químicos
derivados de la madera, como el etanol, el metanol, etc., no
pueden competir con los productos petroquímicos. La
única excepción pudiera ser una fábrica
integrada que produjera etanol, furfural y fenol (Katzen, 1978;
USDA Forest Service, 1976). Las mejoras en los métodos de
gasificación y de hidrólisis de la madera para
aumentar el rendimiento y disminuir los costos de capital
podrían reducir esta diferencia de precios, especialmente
si se incrementara sustancialmente el rendimiento neto por encima
del 50% de glucosa con hidrólisis ácida suave. El
aislamiento de celulosa química (pasta soluble) y su
transformación en tejidos de fibra,
películas, plásticos o goma son campos en los
cuales los mejoramientos tecnológicos pueden contribuir a
acrecentar el poder
competitivo de los polímeros celulósicas, no
sólo con respecto a los polímeros sintéticos
derivados del
petróleo sino también en relación a los
polímeros sintéticos derivados de materias primas
obtenidas de la descomposición de la celulosa.
Otros campos en los cuales una tecnología
perfeccionada puede influir favorablemente en el costo de los
productos químicos derivados de la madera son la
hidrólisis de la celulosa, que permite obtener glucosas
mediante enzimas, y la transformación de la lignina en
fenoles.
Las investigaciones
sobre la utilización química de la madera han sido
relativamente escasas en comparación con las referentes a
los productos petroquímicos en los últimos 50
años. Como porcentaje de ventas,
sólo representan un 10% de las investigaciones dedicadas a
los productos químicos y a los polímeros
sintéticos en general. Efectivamente, cuando los precios
del petróleo estaban bajando, se interrumpieron
virtualmente las investigaciones sobre productos químicos
derivados de la madera. Cabe esperar que como resultado del
desarrollo de las investigaciones madereras nacerá una
importante tecnología mejorada, gracias a la cual se
explotará plenamente el potencial de la madera como
materia prima de productos químicos.
Costos y
disponibilidad
Este factor es el más importante de todos los que
afectan a los productos químicos derivados de la madera y
uno de los más imponderables. La reacción al
creciente costo del petróleo y el reconocimiento de que
terminará por agotarse han servido de estimulo para
analizar muchas fuentes alternativas de energía y de
materias primas químicas. Los expertos disienten en cuanto
a la rapidez con que seguirán aumentando los precios del
petróleo y sobre cuándo éste se
agotará, que son cuestiones que están fuera del
control de las industrias forestales. Los que propugnan la
utilización de la madera como materia prima química
alternativa pueden hacer muy poco salvo mejorar la
tecnología mientras esperan.
En una conferencia sobre
materias primas alternativas para los productos químicos
(Van Antwerper, 1977), un grupo de participantes
pronosticó que la industria petroquímica empezaría a declinar
hacia 1990, añadiéndose por lo menos un 50% de
nuevas materias primas al sistema
resultante de otras fuentes que no sean el petróleo. En el
otro extremo de este pronóstico se indicó que las
reservas mundiales de petróleo se agotarán
aproximadamente a mediados del próximo siglo. En
algún momento del periodo intermedio, en la década
del setenta, los precios del petróleo crudo eran tan altos
que la producción de etileno por deshidratación del
etanol resultaba factible desde el punto de vista
económico (Sarkanen, 1976). Esto, evidentemente,
presuponía que los precios del petróleo crudo
seguirán aumentando a un ritmo más rápido
que los costos de la madera. La actual crisis del
petróleo los elevados costos del mismo han colocado a los
científicos en la búsqueda de alternativas
energéticas como el loa súper-árboles para
producir electricidad, el
biogás, el hidrógeno para celdas de
combustión etc.
Hay quienes sostienen que el petróleo es
más valioso como materia prima química que como
combustible y que, por consiguiente, debe conservarse para
utilizarlo preferentemente de tal manera.
Sin embargo, si los usuarios de las materias primas
derivadas del petróleo tienen que competir con los
usuarios de la energía, los consumidores de gasolina y
aceite pesado para calefacción tendrán que pagar
más, lo que aumentará el poder competitivo de las
otras materias primas sucedáneas.
El carbón
y la madera
Las materias primas químicas que hoy día
se obtienen del petróleo pueden obtenerse también
del carbón o de la madera. El carbón es un recurso
agotable y terminará por desaparecer, quedando sólo
la madera como recurso renovable en perpetuidad. Pero en el
futuro próximo, el carbón probablemente
desempeñará un papel importante en las industrias
químicas, ya que la labor de desarrollo está
más avanzada que en el campo de la madera y porque su
utilización masiva en la producción de combustibles
líquidos sintéticos conducirá además
a la de productos químicos. Efectivamente, ya están
funcionando varias fábricas de gasificación,
especialmente en Sudáfrica.
El precio real de estos derivados del carbón
dependerá de que se vendan a precios rebajados como
subproductos o que reflejen una participación equitativa
en el costo de
producción. Los costos de inversión en la fábrica son mucho
mayores en el caso del carbón que en el del
petróleo, y lo mismo ocurre con los costos de
extracción y de transporte. El
costo del carbón en si no refleja los daños
causados en el medio
ambiente, así como el costo del petróleo antes
de 1973 no reflejaba el agotamiento del recurso. Se ha
pronosticado que los productos químicos derivados del
carbón competirán con los productos
petroquímicos cuando doble el precio del petróleo
crudo de bajo contenido de azufre.
Dadas estas incertidumbres, no existen motivos
suficientes para afirmar categóricamente que la madera o
el carbón predominarán como materia prima
alternativa para los productos químicos. Como es
lógico, en los países que han dispuesto de un
amplio suministro de madera y no tienen carbón, o
viceversa, la elección será obvia.
La adquisición de madera para la
elaboración química no competiría con la
madera para aserrío, contrachapados y
transformación en pasta, ya que dependerá de
fuentes que, hasta ahora, no se han explotado. Tampoco tiene
importancia la forma o la naturaleza de
la madera para transformación en productos
químicos, ni cuentan la especie y el tamaño. Por
ejemplo, las frondosas de mala calidad del sur
de los Estados Unidos
que no se prestan para aplicaciones estructurales ni para la
transformación en pasta a causa del tamaño, la
especie, los defectos, o el contenido de corteza serían
ideales para esta aplicación (Goldstein, 1978). En todo el
mundo abundan otros recursos similares, que carecen hoy
día de importancia comercial.
El costo actual en fábrica de este tipo de madera
extraída desmenuzando árboles enteros puede ser muy
inferior al de la madera desmenuzada para pasta. Sin embargo, si
se empleara para combustión directa a fin de obtener
energía, su costo seria inferior al de conseguir el mismo
contenido calórico de otros combustibles
posibles.
La energía
y los productos químicos
El costo de los productos químicos obtenibles de
materias primas no puede disociarse de consideraciones
energéticas. Por ejemplo, los principales productos de las
refinerías de petróleo son más bien la
gasolina y el fuel oil que los productos petroquímicos.
Los precios de los productos petroquímicos se ven
influidos por la contabilidad
interna y serían mucho más altos si la mayor parte
del costo general no lo soportaran los productos
principales.
Se están proyectando fábricas de
transformación del carbón para satisfacer la
necesidad de combustibles líquidos sintéticos. Los
productos químicos figurarán sólo como
subproductos. La economía de las instalaciones de
transformación del carbón dedicadas exclusivamente
a la producción química sería mucho menos
ventajosa.
Volviendo a los productos químicos derivados de
la madera, el etanol se puede utilizar como combustible para
motores de combustión interna, como producto
químico industrial propiamente dicho y como materia prima
para la producción de etileno. El mercado de cada una de
estas sustancias es diferente, pero es lógico suponer que
el precio del etanol se fijará principalmente considerando
su mercado potencial como combustible.
Si los subproductos de la transformación en pasta
tales como la lignina, los fenoles y los ácidos
sacarínicos se tuvieran que recuperar a partir del licor
negro kraft, tendrían que reemplazarse en la
economía energética de la fabricación de
pasta por una cantidad equivalente de energía derivada de
otras fuentes. Como una de las funciones del
digestor de recuperación es ofrecer una atmósfera
reductora para la regeneración de los productos
químicos inorgánicos de la conversión en
pasta, hará falta otra fuente de preparados
carbónicos. El hidrógeno puede exigir el
replanteamiento del sistema de recuperación y no
bastaría un tratamiento con vapor de generación
externa, aunque colmara el déficit de energía. Esta
dificultad, junto con los problemas de
separación, impone graves límites
económicos a la obtención de grandes cantidades de
subproductos químicos de esta fuente.
Escala de
operaciones
En comparación con los miles de millones de
dólares de inversión de capital que hacen falta
para cada fábrica de productos petroquímicos que
trabaje a escala mundial y para las grandes fábricas de
transformación del carbón que se estiman necesarias
para obtener economías de escala, una gran industria de
productos químicos derivados de la madera no
exigirá ni concentración ni grandes instalaciones
individuales. La necesidad de abastecerse de madera dentro de un
radio
razonable de acarreo conducirá a la instalación de
fábricas de tamaño relativamente modesto
distribuidas por las zonas boscosas. Un término medio
entre la economía de escala y las limitaciones de
adquisición de madera se situaría en unas 2000
toneladas al día, sobre la base de madera seca. Este
tamaño ha resultado ser conveniente para muchas
fábricas de pasta. La inversión de capital
calculada sería del orden de 100 millones de
dólares (USDA Forest Service, 1976).
INVERSIÓN DIFERENCIAL DE
CAPITAL.
Debido a que la actual inversión de capital en
las instalaciones basadas en el petróleo es enorme, la
sustitución tendrá que hacerse gradualmente, a
menos de que se produjera una repentina indisponibilidad de las
materias primas petroquímicas necesarias que impusiera un
programa
intensivo tendente a reemplazarlas. Las dimensiones relativamente
limitadas de las fábricas de productos químicos
derivados de la madera, y la correspondiente inversión
relativamente pequeña de capital, han de influir para
decidir en favor de estos productos para la capacidad
diferencial. Esto se ve contrarrestado por la inseguridad de
los nuevos procedimientos en comparación con la conocida
tecnología petroquímica.
CONSIDERACIONES POLÍTICAS.
Con toda probabilidad,
la decisión de construir o no fábricas de
transformación de la madera en productos químicos
no se basará enteramente en la factibilidad
técnica y en la clásica economía del
laissez-faire de la oferta,
demanda y rentabilidad.
Los incentivos o la
falta de incentivos del gobierno
seguramente influirán en estas decisiones, ya que los
productos químicos y la energía están tan
íntimamente relacionados. Estos estímulos
podrán consistir en subsidios, subvenciones de precios,
tratamiento fiscal
favorable, o impuestos a otras
materias primas desfavorecidas. Las decisiones de tipo social
varían según los países y
desempeñarán un papel importante, en algunos casos
determinante, para el futuro desarrollo de los productos
químicos derivados de la madera.
CONSIDERACIONES AMBIENTALES.
El mayor empleo de la madera para transformación
en productos químicos provocará un aumento en las
actividades de corta con las correspondientes consecuencias para
los suelos, las
cuencas hidrográficas y la fauna silvestre.
Como ya existen idénticas preocupaciones en lo tocante a
la corta de madera para usos corrientes, no debieran plantearse
problemas técnicos especiales en la ampliación de
las prácticas ya en uso.
Sin embargo, una actitud
conservadora del público en cuanto al medio ambiente
forestal podría limitar la disponibilidad de la madera
adicional que haría falta. Una sociedad opulenta tal vez
optaría por dejar que una proporción importante de
la madera que crece cada año se recicle por agentes
naturales, más bien que permitir la corta del incremento
anual como materia prima para la obtención de productos
químicos.
BARRERAS PSICOLÓGICAS.
Los ingenieros químicos opinan que los
líquidos y gases son más fáciles de manejar
que los sólidos, y tanto la industria del petróleo
como el sector de la industria química que se ocupa de
materias primas orgánicas están acostumbrados al
transporte y manipulación de las materias primas
líquidas mediante buques petroleros y oleoductos. La
perspectiva de recoger y transportar una materia prima
sólida en un área de miles de kilómetros
cuadrados puede resultarles tan extraña que se ha puesto
en duda hasta su misma factibilidad.
Además, las industrias de productos forestales,
que reúnen regularmente incluso mayores cantidades de
madera en sus operaciones, ven también con malos ojos la
idea de producir productos químicos junto con los
productos a que están acostumbradas.
Este tipo de barreras se derrumbarán cuando los
incentivos sean lo suficientemente poderosos, pero por el momento
frenan el proceso de
transformación.
Perspectivas
Una vez considerados los factores que entran en juego, resulta
evidente que sólo se pueden hacer pronósticos muy generales sobre el futuro
de los productos químicos derivados de la madera, y que
incluso estos pronósticos estarán plagados de
incertidumbres. No obstante, a pesar de que pueda estar
influenciada por su participación en la
investigación sobre productos químicos
derivados de la madera,.
La actual dependencia de los hidrocarburos
fósiles para obtener productos químicos
orgánicos y polímeros no puede prolongarse
más que mientras dure la disponibilidad de este recurso
agotable. Incluso antes de que se acaben por completo los
suministros mundiales de petróleo y gas, su costo
aumentará a un nivel que permitirá a los productos
químicos obtenidos de otras fuentes tales como el
carbón y la madera competir con los petroquímicos.
En algunos países este momento llegará antes que en
otros debido a la disponibilidad local de otras materias y a las
decisiones políticas favorables que tomen los gobiernos y
que afecten a su economía. Lo más probable es que
los productos petroquímicos se verán reemplazados
por productos químicos derivados tanto del carbón
como de la madera.
Entre las sustancias químicas que actualmente se
derivan de la madera, la producción de celulosa, en forma
de pasta de papel, seguirá aumentando a la par con el
crecimiento demográfico y la industrialización de
los países en desarrollo. La producción de talol,
subproducto del licor negro, se incrementará
también, tanto proporcionalmente como a causa de la mayor
formación de resina resultante de los tratamientos
herbicidas. La pasta soluble y sus derivados celulósicos
poliméricos tienen ahora menor mercado y, a menos de que
intervenga una nueva tecnología, seguirán
declinando a consecuencia del alza de los costos de
energía.
Donde se disponga de carbón no se
practicará la gasificación de la madera para
obtener amoniaco, metanol e hidrocarburos, pero donde no haya
carbón esta tecnología puede resultar eficaz. La
hidrólisis de la madera para convertirla en
sacáridos para ulterior transformación en productos
químicos tales como etanol furfurol, ácido
láctico y los monómeros polimerizables obtenibles
de éstos seguirá en auge. Incluso ahora, una
fábrica integrada que produzca etanol, fenol y furfural a
partir de frondosas, podría ser viable desde el punto de
vista económico, a los precios actuales.
Aunque habrá más de una respuesta al
problema del suministro de productos químicos
orgánicos originado por la subida de los precios del
petróleo, la madera contribuirá significativamente
a su solución.
Impacto
social
existe una adecuada cultura del uso de madera y
plantas para obtener sustituivos del
petróleo.No siempre se conoce la factibilidad técnico
y económica del uso de los biomateriales de plantas
superiores lignificadas, aunque existe y está
demostrado.No existen siempre políticas adecuadas en el
uso de la tierra.Es necesario dedicar extensiones territoriales
considerables para el crecimiento de plantas forestales, con
uso tecnológico y manejo adecuado.El uso de la manipulación genética
para obtener especies con características
químicas adecuadas, según el empeño
tecnológico.Cambios de referentes o paradigmas para abordar esta
problemática en el plano científico y
tecnológico.Se desconoce aún el compromiso que debe
existir entre la plantación de especies con fines
tecnológicos y su función ambiental.Existe una gran distancia entre los productores de
madera y la industria química, estos productos
silviquímicos no se enmarcan en las industrias
forestales.No se conocen o no existe conciencia en la necesidad
de oportunidades de negocio , y de satisfacción de
necesidades sociales y de empleo para comunidades que pueden
ser favorecidas.
1. Formación de personal
calificado.2. Nuevas relaciones entre la Universidad y la
Industria / empresa.3.
Patentes y explotación de inventos.4.
Problemas éticos y profesionales.
5. Elección, transferencia y
adopción de las
biotecnologías.
6. Cooperación
internacional.
Conclusiones
– La dicotomía entre el uso del petróleo y
la madera para obtener productos químicos, alimento y
energía pasa por consideraciones económicas,
políticas, sociales, ambientales y culturales.
– La cultura
tecnológica imperante en el mundo es eminentemente basada
en la utilización de materiales fósiles por su
abundancia, versatilidad , factibilidad técnica y
económica y avalada por políticas de grupos empresas
nacionales y multinacionales que han devenido en potencias
combinadas en la explotación, venta en forma
cruda, refinación y obtención de diferentes
combustibles y lideran en las áreas de derivados para
obtener los más disímiles productos tales como
fibras sintéticas, alcoholes
cetonas, ácidos, polímeros y
plásticos.
– Para los científicos e investigadores el uso de
la madera como biomaterial sustituto del petróleo es
factible desde el punto de vista técnico, económico
y ecológico, su carácter renovable es discutible en
tanto compite con el uso de la tierra para
la producción de alimentos.
– Factores psicológicos compiten con el uso de la
madera para obtener silviquímicos dados por la
manipulación de materiales sólidos lo cual resulta
más engorroso que losmateriales líquidos y
gaseosos.
– Las fluctuaciones en los precios del petróleo
hacen que el desarrollo de la Silviquímica no se produzca
en ascenso constante sino caracterizada por una serie de
fluctuaciones dado por los valores
del gasto interno bruto en investigación y desarrollo
(GIBID), en esta área del conocimiento,
los cuales oscilan con los precios de los
fósiles.
– La actual dependencia de los hidrocarburos
fósiles para obtener productos químicos
orgánicos y polímeros no puede prolongarse
más que mientras dure la disponibilidad de este recurso
agotable. Incluso antes de que se acaben por completo los
suministros mundiales de petróleo y gas, su costo
aumentará a un nivel que permitirá a los productos
químicos obtenidos de otras fuentes tales como el
carbón y la madera competir con los petroquímicos.
En algunos países este momento llegará antes que en
otros debido a la disponibilidad local de otras materias y a las
decisiones políticas favorables que tomen los gobiernos y
que afecten a su economía. Lo más probable es que
los productos petroquímicos se verán reemplazados
por productos químicos derivados tanto del carbón
como de la madera.
– En Cuba el
desafío está en establece programas de
sustitución paulatina, junto al manejo de plantaciones con
fines tecnológicos, y políticas adecuadas que
garanticen el uso completo del árbol.
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Available in:
http://www.fao.org/docrep/n5525s/n5525s01.htm (1of 14)
[21/06/2001 20:14:28] 309-327.
Autor:
Dra. Leila Rosa Carballo
Abreu
MSc. Yasiel Arteaga
Crespo
UNIVERSIDAD DE PINAR DEL
RÍO
DEPARTAMENTO DE
QUÍMICA
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