Utilizar el dióxido de carbono para fabricar plásticos más ecológicos

El 6% del petróleo producido en todo el mundo se utiliza en la producción de plásticos, lo que significa que encontrar una fuente alternativa de carbono es una prioridad, tanto para la industria del plástico como para el medio ambiente. La solución, iniciada y desarrollada por Gürtler, director de catálisis e incubación tecnológica del fabricante de polímeros plásticos Covestro, y Leitner, director del Instituto Max Planck de Conversión de la Energía Química y profesor de Tecnología Química de la Universidad RWTH de Aquisgrán, facilita una reducción de hasta el 20% en la cantidad de materias primas fósiles necesarias para fabricar un precursor de poliuretano, al tiempo que proporciona un uso para los residuos de CO₂ de otras industrias. La cartera de patentes de polioles_{a base de CO2} está permitiendo una producción más sostenible de productos cotidianos que van desde colchones, suelos y piezas interiores de automóviles hasta textiles, aislamiento de edificios y tensioactivos.

"Al resolver un rompecabezas que había eludido a muchos otros equipos de científicos, Christoph Gürtler, Walter Leitner y sus colegas han dado un gran paso hacia el cierre del ciclo del carbono", afirma el presidente de la OEP, António Campinos, al anunciar los finalistas del Premio al Inventor Europeo 2021. "Su trabajo ha resuelto un problema de hace décadas y su éxito ilustra el valor de que la industria y el mundo académico trabajen juntos para superar los retos a los que se enfrenta la humanidad".

Los ganadores de la edición 2021 del premio anual a la innovación de la OEP se anunciarán en una ceremonia que comenzará a las 19:00 CEST el 17 de junio y que este año se ha reimaginado como un evento digital para una audiencia global.

Sintetizar la industria y el mundo académico para fabricar precursores químicos más ecológicos

Como clase de polímeros, los poliuretanos se utilizan ampliamente como espumas y plásticos para fabricar muebles, material aislante, equipos deportivos y componentes de dispositivos electrónicos. Aunque son muy útiles como material en su fase de uso, los poliuretanos necesitan grandes cantidades de petróleo crudo para obtener el carbono necesario para su producción.

Muchos químicos han intentado sin éxito encontrar formas de fabricar polímeros_{a base de CO2}, con el objetivo de sustituir algunos de los compuestos derivados del petróleo crudo utilizados para fabricar estos importantes precursores químicos. Los intentos anteriores eran demasiado intensivos en energía y caros para ser comercialmente viables.

Con 50 años de experiencia combinada en los campos de la química, la petroquímica y la investigación de catalizadores, Gürtler y Leitner vieron este obstáculo como un reto. Impulsados por la colaboración entre la industria y el mundo académico de Covestro (entonces todavía conocida como Bayer MaterialScience), la empresa de Gürtler, y la Universidad RWTH de Aquisgrán, de la que Leitner es catedrático, la pareja y sus equipos empezaron a investigar el potencial de catalizadores previamente examinados, evaluando su eficacia para convertir_{el CO2} en materiales útiles.

Los catalizadores se utilizan en contextos químicos e industriales para desencadenar o acelerar reacciones entre sustancias, sin formar parte de los productos finales.

Gürtler y Leitner combinaron las competencias de sus equipos industriales y académicos para reevaluar los intentos anteriores de utilizar estos catalizadores para impulsar las reacciones entre el CO₂ y los derivados del crudo. Su investigación descubrió que una reacción en la que participasen compuestos químicos derivados del crudo, CO₂ y otros materiales de partida en presencia de un catalizador adecuado tendría el efecto deseado. El material resultante fue desarrollado y posteriormente comercializado por Covestro como cardyon®, una molécula en forma de cadena con dos o más grupos hidroxilos, también conocida como poliol.

Como precursor químico, el cardyon puede aplicarse exactamente igual que otros productos intermedios de polímeros de alta calidad. Se utiliza, por ejemplo, en la producción de espumas flexibles para colchones y como aglutinante para suelos deportivos acolchados. En 2019, Covestro anunció que el material también puede convertirse en fibras textiles elásticas utilizadas en la ropa, como en los calcetines.

Gürtler, que figura como inventor en 173 patentes europeas, y Leitner, que figura en 75 patentes europeas, han destacado conjuntamente la importancia del sistema de patentes para proteger las tecnologías novedosas en su campo. Han subrayado que las patentes que cubren el cardión y sus procesos relacionados se apoyan en los fundamentos científicos establecidos por muchos otros durante un largo periodo de tiempo, y Leitner describió a ambos como los "arquitectos" de la colaboración entre la industria y el mundo académico que condujo a la innovación. "Al mismo tiempo, es evidente que todo el desarrollo, más allá de su inicio, requiere un enorme equipo de científicos, ingenieros y muchos más, cuya contribución es decisiva para hacer realidad la nueva tecnología. Agradecemos enormemente esta colaboración y el trabajo del equipo", afirma Gürtler.

Perseguir la química verde para cerrar el ciclo del carbono

cardyon -el producto patentado a base de CO₂ iniciado y desarrollado por Gürtler y Leitner- fue comercializado por un equipo altamente especializado de Covestro, una escisión de la multinacional alemana Bayer AG, creada en 2015. La empresa es líder en el mercado de los poliuretanos y emplea a unos 16 500 trabajadores en todo el mundo. En su planta piloto de Dormagen (Alemania), Covestro produce hasta 5 000 toneladas de cardión utilizando el CO₂ de una planta de producción de amoníaco cercana.

Gürtler, Leitner y sus equipos están investigando nuevos usos para el material más allá de su aplicación actual. Creen que la versatilidad de su proceso significa que existe el potencial de producir precursores de poliuretano para ser utilizados en la producción de una amplia gama de productos, siendo las espumas blandas sólo un ejemplo. Las investigaciones preliminares también sugieren que los productos fabricados con cardión pueden ser más fáciles de reciclar que los fabricados exclusivamente con productos químicos a base de petróleo.

Covestro sigue invirtiendo en I+D y ampliando esta plataforma tecnológica a una variedad de componentes químicos. En 2021, la empresa anunció avances en cuanto a la aplicación de su material a la producción de placas aislantes de poliuretano y de formulaciones de ingredientes activos de superficie.

Si las nuevas investigaciones siguen demostrando que la innovación de Gürtler y Leitner puede aplicarse a una gama más amplia de procesos de producción basados en el poliuretano, existe la esperanza de que su invento pueda conducir a una reducción mucho mayor del uso de petróleo crudo, en paralelo a la utilización de enormes cantidades de CO₂ residual, desempeñando en última instancia un papel importante en el cierre del bucle de carbono. "Si el objetivo es la sostenibilidad", dice Leitner, "entonces la química verde es el camino".