Sistemas (bio) catalíticos verdes para el desarrollo de procesos químicos sostenibles de interés industrial

Abstract

El diseño de nuevos procesos químicos sostenibles, basados en el desarrollo de procesos catalíticos eficientes con la adecuada combinación de protocolos de reacción y / o separación, son elementos fundamentales para el desarrollo de la industria química sostenible, ya que suponen importantes ahorros en la producción, así como la minimización de los impactos ambientales. En este sentido, se deben reemplazar los disolventes orgánicos volátiles por disolventes no volátiles y totalmente recuperables (p. ej., líquidos iónicos, scCO2, DES, etc.), así como fomentar el uso de (bio)catalizadores eficientes, que permitan su reutilización, y que son capaces de proporcionar una alta selectividad en los procesos con la mínima generación de subproductos. La Química Verde es una filosofía científica que se centra en el diseño de procesos y reacciones químicas que reduzcan o eliminen la generación de productos nocivos para el ser humano y el medioambiente en su conjunto. Desde el punto de vista del sector químico, la idea fundamental es minimizar o erradicar el uso de sustancias peligrosas y transformar las que ya se pueden generar en compuestos no tóxicos. Claramente, se trata de un objetivo que no se puede lograr fácilmente. En este sentido, los procesos químicos incluyen etapas en las que las sustancias se transforman progresivamente para obtener el producto deseado. Sin embargo, la mayoría de procesos requieren el uso de solventes orgánicos tradicionales. Generalmente, los disolventes se utilizan como materiales auxiliares en síntesis química, ya que actúan como medio de reacción y mejoran el transporte y la separación de los productos. Sin embargo, la gran mayoría de los disolventes que se utilizan en los laboratorios son líquidos moleculares, que pertenecen al grupo de los compuestos orgánicos volátiles, y su recuperación nunca puede ser total y, además, está asociada a procesos de destilación que requieren un alto gasto energético. Por este principal motivo, su sustitución y / o eliminación no es tarea fácil, ya que por su funcionalidad resultan ser elementos clave en la mayoría de los procesos químicos. En los últimos años, con el objetivo principal de crear una industria química más respetuosa con el medioambiente, centrándose en el uso de medios de reacción alternativos y estrategias sintéticas más sostenibles. Estos disolventes alternativos (p. ej., LIs o dióxido de carbono supercríticos), ofrecen la posibilidad de ser recuperados y reutilizados en su totalidad, por lo que su explotación como alternativa a los disolventes orgánicos está hoy a la vanguardia. Esta Tesis Doctoral se ha llevado a cabo en el campo conceptual de la Química Sostenible, con aportes directos de aplicaciones de interés para diversos sectores industriales. En este sentido, esta Tesis Doctoral presenta con éxito el desarrollo y diseño de procesos químicos que integran la síntesis y separación de productos puros de gran interés industrial con alto valor agregado en los sectores farmacéutico, alimentario y cosmético, así como en la industria de los polímeros. Los enfoques de protocolo desarrollados ofrecen las ventajas sinérgicas que brindan los diferentes elementos sostenibles, como LI, DES, scCO2 y enzimas, y su correcta combinación, para obtener los productos de manera eficiente y segura. Además, se han implementado protocolos para la separación de productos, de fácil extrapolación para un posible escalado a nivel industrial, en diversos productos sintéticos como ésteres de aromas, monoacilglicéridos de ácidos grasos omega-3 o carbonatos cíclicos. Adicionalmente, se ha podido demostrar la idoneidad de los sistemas de reacción libres de solventes, incluso basados en mezclas de sustratos sólidos a temperatura ambiente, para la verificación de biotransformaciones mediante la formación de DES, o la asistencia con ultrasonidos, obteniendo productos de interés para la industria cosmética (p. ej. monoésteres de pantenol, monoésteres de xilitol).

The design of new sustainable chemical processes, based on the development of efficient catalytic syntheses with the appropriate combination of new reaction / separation protocols, are fundamental elements for the development of the chemical industry in the immediate future, since they entail significant savings in the production cost, as well as minimizing environmental impacts. Therefore, it is of utmost importance to replace volatile organic solvents with non-volatile and fully recoverable solvents (i.e. ionic liquids, scCO2, DES, etc.), as well as the use of high-efficiency heterogeneous (bio)catalysts, which allow their reuse, providing high selectivities and minimal generation of by-products. Thus, it is possible to avoid additional product purification steps, as well as to improve and facilitate the integration of the transformation and separation steps. Green Chemistry is a scientific philosophy that focuses on the design of processes and chemical reactions that reduce or minimize the generation of products that are harmful to humans and the environment as a whole. From the chemical sector point of view, the fundamental idea is to minimize or eradicate the use of dangerous substances and transform those that can already be generated into non-toxic compounds. It is clearly a goal that can not be easily achieved. In this sense, chemical processes include steps in which substances are progressively transformed to obtain the desired product. However, the process requires the use of traditional organic solvents that can be aggressive with the environment and secondary compounds are also generated, becoming highly toxic. Generally, solvents are used as auxiliary materials in chemical synthesis, since they act as a reaction medium and improve the transport and separation of the product. However, the vast majority of solvents used in laboratories are molecular liquids, which belong to the group of volatile organic compounds, and their recovery can never be total, and their reuse is usually associated with distillation processes that require a lot of Energy. For this main reason, their replacement and / or elimination is not an easy task, since due to their functionality they turn out to be key elements in most chemical processes. In recent years, with the main objective of creating a more environmentally friendly chemical industry, focusing on the use of alternative reaction media and more sustainable synthetic strategies. These alternative solvents (that is, ionic liquids or Supercritical fluids), offer the possibility of being recovered and reused in their entirety, which is why their exploitation as an alternative to organic solvents is today at the forefront. This Doctoral Thesis has been developed in the conceptual field of Sustainable Chemistry, with direct contributions of applications of interest to various industrial sectors. In this way, this Doctoral Thesis successfully presents the development and design of chemical processes that integrate the synthesis and separation of products of great industrial interest with high added value in the pharmaceutical and food sectors and cosmetics, as well as in the polymer industry. The protocol approaches developed offer the synergistic advantages provided by different sustainable elements, such as ILs, DES, scCO2 and enzymes, and their appropriate combination, to obtain the products in an efficient and safe way. In addition, protocols for the separation of products have been implemented, with easy extrapolation for possible scaling at an industrial level, in various synthetic products such as fragrances, omega-3 fatty acid monoacylglycerides, or cyclic carbonates. Additionally, it has also been possible to demonstrate the adequacy of all solvent-free reaction systems, even based on solid substrate mixtures at room temperature, for the verification of biotransformations through the formation of DESs, or the assistance with ultrasounds, obtaining products of interest for the cosmetic industry (e.g. panthenol monoesters, xylitol monoesters).