Los problemas sociales de la Ciencia y Tecnología Química que inciden en la Transformación de la madera (página 2)
Enviado por leilar
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 siglo
El 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 estudio
Creación 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.
Referencias bibliográficas
ALLAN, G.G. 1978. Polymeric cellulose derivatives. Special paper, 8th World Forestry Congress.
APPELL, H.R. 1971. et al. Converting organic wastes to oil: a replenishable energy source. Bureau of Mines Report of Investigation 7560. U.S. Dept. of Interior. Wáshington, D.C.
BARTON, G.M. 1978. : Chemicals from trees – outlook for the future. Special paper, 8th World Forestry Congress.
BENIGNI, J.D; GOLDSTEIN, I.S. 1971. Neutral hydrolysis of alkali lignin, to monomer phenols, J. Polymer science, C36, p. 467-475.
BROWNING, B.L. 1963, ed. The chemistry of wood Interscience, 687 p. Nueva York.
CALVIN, M. 1978. Green factories. Chemical and Engineering News, Vol. 56, No 12, 20 de marzo, p. 30-36.
DAVIES D.S. 1978. The changing natura of industrial chemistry. Chemical and Engineering News, Vol. 56, N° 10, 6 de marzo, p. 22-27.
GOHEEN, D.W. 1971. Low molecular weight chemicals. En Lignins, K.V. Sarkanen y C.H. Ludwig,ed. John Wiley, p. 797-831. Nueva York.
GOHEEN, D.W. 1972. Silvichemicals – what future? American Institute of Chemical Engineers Symposium 69, p. 20-24.
GOLDSTEIN, I.S. 1975a. Potential for converting wood into plastic. Science, Vol. 189 p. 847-852.
GOLDSTEIN, I.S. 1975b. Perspectives on production of phenols and phenolic acids from lignin and bark. Applied Polymer Symposium, N° 28, p. 259-267.
GOLDSTEIN, I.S. 1976a. Chemicals from lignocellulose. Biotechnol. and Bioeng. Symp., N° 6, p. 293-301.
GOLDSTEIN, I.S. 1976b. Wood as a source of chemical feedstoks. 69th Annual Meeting, American Institute of Chemical Engineers 5 de diciembre. Chicago, III.
GOLDSTEIN, I.S. 1977. The place of cellulose under energy scarcity. Cellulose Chemistry and Technology, J.C. Arthur, ed. American Chemical Society Symposium Series, N° 48 p. 382-387. Wáshington, D.C.
GOLDSTEIN, I.S., HOLLEY, D.L. y DEAL, E.L. 1978. Economic aspects of lowgrade hardwood utilization. For. Prod. J., 28. En prensa.
HARRIS, J.F. 1975. Acid hydrolysis and dehydration reactions for utilizing plant carbohydrates. Applied Polymer Symposium, N° 28, p 131-144.
Unasylva – No. 125 – Productos químicos de la madera – Productos químicos derivados de la madera. Available in:http://www.fao.org/docrep/n5525s/n5525s01.htm (12 of 14) [21/06/2001 20:14:28]
HILLIS, W.E. 1978. Extractives. Special paper, 8th World Forestry Congress.
KATZEN, R. 1978. Research aspects of chemicals from wood: outlook for the future. Special paper, 8th World Forestry Congress.
KUSAMA, J. 1960. Wood saccharification by hydrogen chloride gas process. Annual Report of the Noguchi Research Institute, 9, p. 11-22.
LAVER, M.L. 1978. Chemicals from bark. Special paper, 8th World Forestry Congress.
LIPINSKY, E.S. 1978. Fuels from biomass: integration with food and materials systems. Science, Vol 199, p. 644-651. NATIONAL RESEARCH COUNCIL. 1976. Renewable resources for industrial materials CORRIM Report, Wáshington, D.C. National Academy of Sciences, 267 p.
PRAHACS, S., BARCLAY, H.G. y BHATIA, S.P. 1971. Producing synthetic tonnage chemicals from lignocellulosic residues. Pulp Pap Mag. Canada, 72(6) p. 7199-7213.
ROBERTS, D.R. 1973. Inducing lightwood in pine trees by paraquat treatment. USDA Forest Service Research Note SE-191, abril. Asheville, N.C.
SARKANEN, K.V. 1976. Renewable resources for the production of fuels and chemicals. Science, Vol. 191, p. 773-776.
SCHWEERS, W. 1978. Utilization of lignins isolated under mild conditions from wood or wood waste for the production of useful chemicals and other chemical products. Special paper, 8th World Forestry Congress.
SEELEY, D.B. 1976. Cellulose saccharification for fermentation industry applications. Biotechnol. and Bioeng. Symp., N° 6. p. 285-292.
SHAFIZADEH, F. 1978. Development of pyrolysis as a new method to meet the increasing demands for food chemicals and fuel. Special paper, 8th World Forestry Congress.
SOLTES, E.J. 1978. Thermal degradation routes to chemicals from wood. Special paper. 8th World Forestry Congress.
STAMM, A.J. y HARRIS, E.E. 1953. Chemical processing of wood. Chemical Publishing Co., p. 392-577. Nueva York.
Smith, W. A., Bochchov, A.F. Caple, R. 1988. The Science behind the Art,
UPRICHARD, J.M. 1978. Turpentine and tall oil from radiata pine: valuable by-products from kraft pulping. Special paper, 8th World Forestry Congress.
USDA FOREST SERVICE. 1976. The feasibility of utilizing forest residues for energy and chemicals. PB 258630 National Technical Information Service, 193 p. Springfield, Va.
VAN ANTWERPER, F.J., ed. 1977. Proc. Conference on Chemical Feedstock Alternatives. Houston, Tex., 2-5 de octubre, 1977. American Institute of Chemical Engineers, 125 p. Nueva York.
WENDER, I., STEFFGEN F.W. y YAVORSKY P.W. 1974. Clean liquid and gaseous fuels from organic solid wastes. En Recycling and Disposal of Solid Wastes, T.F. Yen, ed., Ann Arbor Science Publishers, Inc. p. 43-99. Ann Arbor, Mi.
ZINKEL, D.F. 1975. Naval stores: silvichemicals from pine. Applied Polymer Symposium, N° 28, p.
Unasylva – No. 125 – Productos químicos de la madera – Productos químicos derivados de la madera. 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
| Página siguiente |