Nuevas herramientas de química sostenible para la despolimerización de la espuma de poliuretano

Abstract

La necesidad de preservar el medioambiente y garantizar estándares sostenibles de calidad de vida ha llevado a replantear los modelos de producción y consumo actuales, incorporando criterios de sostenibilidad y economía circular en los procesos industriales. En este contexto, el reciclaje de materiales plásticos se ha consolidado como uno de los principales desafíos dentro del ámbito de la química verde, siendo los poliuretanos (PUs, del inglés Polyurethanes) una de las familias de polímeros más problemáticas debido a su alta estabilidad química, que dificulta su degradación eficiente. En particular, las espumas de poliuretano (PUFs, del inglés PU Foams) se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales y comerciales, pero su escasa biodegradabilidad y la inexistencia de procesos de reciclaje económicamente viables a gran escala agravan su impacto ambiental. Los métodos convencionales de reciclaje, como el reciclado mecánico, presentan serias limitaciones en términos de eficiencia energética, selectividad y generación de subproductos. Ante esta problemática, han emergido nuevas estrategias más sostenibles basadas en el empleo de líquidos iónicos (LIs), que han demostrado ser medios prometedores para la despolimerización de residuos poliméricos. Paralelamente, la biocatálisis se perfila como una herramienta eficaz para la degradación selectiva de polímeros, aunque su aplicación en PU ha estado limitada por el carácter recalcitrante intrínseco de este material. Esta Tesis Doctoral ha demostrado que la integración de LIs con tecnologías (bio)catalíticas representa una alternativa eficiente y sostenible para la despolimerización de residuos de PU. La sinergia entre ambas herramientas ha permitido la recuperación de monómeros reutilizables bajo condiciones de reacción suaves, favoreciendo su reincorporación en la síntesis de nuevos materiales. A lo largo de la investigación, se ha desarrollado un enfoque multidisciplinar que ha abarcado desde una revisión crítica del marco teórico hasta el diseño y validación experimental de procesos de despolimerización química y enzimática, con especial atención a aspectos clave como la eficiencia del sistema, la estabilidad catalítica y la escalabilidad de los métodos propuestos. Entre los avances logrados, se ha demostrado que el empleo de LIs hidrofóbicos contribuye a estabilizar enzimas relevantes para la hidrólisis de enlaces uretano, permitiendo una conversión significativamente superior respecto a medios acuosos convencionales. Asimismo, se ha validado la acción sinérgica de enzimas específicas como ureasa y lipasa, lo que ha resultado clave para la mejora del rendimiento enzimático. Por otra parte, se ha optimizado un protocolo de despolimerización química de residuos reales de espuma de PU mediante el uso de LIs miscibles con agua en combinación con catalizadores superbásicos. Este procedimiento ha permitido trabajar a temperaturas inferiores a 100 °C y presión atmosférica, logrando una recuperación de polioles con propiedades adecuadas para su reutilización en la síntesis de nuevos PUs. Además, se ha confirmado la viabilidad de reutilizar el medio de reacción durante múltiples ciclos sin pérdida significativa de eficiencia, y se ha validado el escalado del proceso, con ensayos realizados a nivel de kilogramo por lote. En conjunto, los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral evidencian que la integración de LIs y tecnologías (bio)catalíticas representa una estrategia innovadora y eficaz para abordar el reciclaje de PUs. Los métodos desarrollados ofrecen soluciones viables y sostenibles para la recuperación de materiales de alto valor añadido, y se enmarcan dentro de los principios de la química verde y los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), contribuyendo especialmente a la promoción de modelos de producción y consumo responsables, la acción por el clima y el desarrollo de tecnologías limpias aplicables a escala industrial.

The need to preserve the environment and ensure sustainable living standards has prompted a rethinking of current production and consumption models, incorporating sustainability and circular economy criteria into industrial processes. In this context, plastic recycling has become one of the major challenges within the field of green chemistry, with polyurethanes (PUs) being among the most problematic polymer families due to their high chemical stability, which hampers efficient degradation. In particular, polyurethane foams (PUFs) are widely used in industrial and commercial applications, but their low biodegradability and the lack of economically viable large-scale recycling processes increase their environmental impact. Conventional recycling methods, such as mechanical recycling, present significant limitations in terms of energy efficiency, selectivity, and the generation of undesirable by-products. As a response to these challenges, new and more sustainable strategies have emerged, based on the use of ionic liquids (ILs), which have shown great potential as media for the depolymerization of polymeric waste. At the same time, biocatalysis has proven to be an effective tool for the selective degradation of polymers, although its application to PUs remains limited due to the intrinsically recalcitrant nature of these materials. This Doctoral Thesis has demonstrated that combining ILs with (bio)catalytic technologies offers an efficient and sustainable alternative for the depolymerization of PU wastes. The synergy between these two approaches has enabled the recovery of reusable monomers under mild reaction conditions, facilitating their reintegration into the synthesis of new materials. Throughout the research, a multidisciplinary approach was adopted, encompassing a critical review of the theoretical framework along with the experimental design and validation of chemical and enzymatic depolymerization processes, with particular focus on key aspects such as system efficiency, catalyst stability, and process scalability. Among the advances achieved, it has been shown that the use of hydrophobic ILs enhances the stability of enzymes relevant to urethane bond hydrolysis, allowing for significantly higher conversion rates compared to conventional aqueous media. Furthermore, the synergistic action of specific enzymes such as urease and lipase has been validated, proving essential for improving enzymatic performance. Separately, a chemical depolymerization protocol was optimized for real PU foam waste using water-miscible ILs in combination with superbasic catalysts. This method enabled operation at temperatures below 100 °C and atmospheric pressure, achieving high yields of recycled polyols with properties suitable for their reuse in the synthesis of new PUs. Additionally, the feasibility of reusing the reaction medium over multiple cycles without significant loss of efficiency was confirmed, and the process was successfully scaled up, with batch experiments conducted at the kilogram scale. Overall, the results of this Doctoral Thesis highlight that the integration of ILs and (bio)catalytic technologies constitutes an innovative and effective strategy to address PU recycling. The methods developed provide viable and sustainable solutions for recovering high-value-added materials and are aligned with the principles of green chemistry and the United Nations Sustainable Development Goals (SDGs), contributing particularly to responsible production and consumption, climate action, and the advancement of clean technologies applicable at the industrial scale.