Vigilancia Tecnológica
Polietileno a partir de CO2: aportando valor a la descarbonización
Categoría: Economía circular en la industria del plásticoEl uso de CO2 como materia prima para obtención de diferentes productos de alto valor añadido, como es el caso de los polímeros, sigue siendo actualmente un reto para toda la comunidad científica y para los tecnólogos en empresas dedicadas al desarrollo de innovaciones tanto para la sociedad como para la industria química. Este desafío científico genera, al mismo tiempo, una interesante oportunidad para el sector industrial, estimulando la búsqueda de nuevas soluciones y negocios. Esto está de acuerdo con los desafíos de la descarbonización y la disminución de la dependencia de los combustibles fósiles para un futuro no tan lejano, marcado por los objetivos establecidos por la Comisión Europea que fijan para el año 2050 el límite para la completa descarbonización de la actividad industrial.
La amenaza del cambio climático ha cambiado el paradigma mundial de la industria química y los negocios asociados a ella. Cada vez son más las empresas que se suman a la valorización del CO2, bien para la ampliación de su cartera de productos -incluyendo plásticos que incorporan la molécula de CO2 capturado- o bien utilizando estos plásticos más sostenibles en sus negocios para venta de sus productos catalogados más preciados.
¿Qué es el polietileno?El polietileno es uno de los plásticos más utilizados en el mundo, cuya producción mundial anual ronda los 80 millones de toneladas. El polietileno convencional se obtiene a partir del monómero etileno.
Para su fabricación, en primer lugar, el etano se extrae del petróleo o del gas natural. Mediante un proceso termoquímico el etano se convierte en etileno tras su polimerización asistida por catalizadores se convierte en polietileno. Sin embargo, si queremos obtener el etileno de fuentes no procedentes del petróleo, existen varias alternativas que se describirán en este artículo.
Usos del polietilenoComo sabemos, los usos del polietileno van desde la fabricación de botellas, bolsas hasta incluso films, haciendo necesario la búsqueda de una alternativa más sostenible en el mercado dado su uso tan generalizado y extendido. De hecho, empresas como L’Oreal ya utilizan como envases de sus productos una versión más disruptiva y sostenible del polietileno, que incorpora CO2 capturado para su fabricación.
Ahora bien, ¿cómo es posible llegar a la fabricación de esta versión de polietileno que incorpora CO2 capturado en su fabricación?
CO2 como materia prima del biopolietilenoEl biopolietileno es la alternativa de origen natural que ya se ha empezado a utilizar en sectores como la industria cosmética. Este bioplástico sostenible se puede obtener a partir de procesos biológicos de fermentación que emplean CO2 o bien a partir de CO2 capturado que se transforma en diversas moléculas plataforma (bioetanol o bioetileno) como alternativa a las materias primas procedentes del petróleo. Estas alternativas son mucho más sostenibles y permiten obtener un plástico con idénticas propiedades que los obtenidos a partir de combustibles fósiles.
Entonces, ¿por qué razón el biopolietileno no ha reemplazado totalmente al polietileno convencional?
Tecnologías para la obtención de polietileno sostenibleEn la actualidad se están desarrollando diferentes metodologías que permiten la obtención de polietileno en versiones más sostenibles. Además, el uso de nuevas tecnologías para la utilización del CO2 (CU) genera nuevas oportunidades de crecimiento económico mediante el aumento de la innovación y al mismo tiempo, permite la transición hacia una economía circular y de descarbonización que conducirá a una menor dependencia de los combustibles fósiles. Algunas de estas metodologías ya están totalmente desarrolladas y otras son más disruptivas y requieren de una tecnología más madura para poder ser aplicadas en nuestras empresas.
Las tecnologías en estudio que contribuyen a la descarbonización de la economía aplicadas a la obtención de polietileno que se describen en este artículo son las siguientes:
En este proceso, el biopolietileno obtenido es de origen vegetal y contribuye a la disminución de gases de efecto invernadero gracias a la captura de CO2 que se genera en el proceso de cultivo. En concreto, el análisis del Ciclo de Vida de este polietileno cifra esta contribución en 2,78 toneladas de CO2 capturadas por cada tonelada de resina bio fabricada. Sin embargo, la producción de biopolietileno siguiendo este proceso tiene cierto impacto ambiental debido al uso del suelo, ya que para la producción de caña de azúcar se requiere de fertilizantes, pesticidas y otros que permiten reducir globalmente la huella de carbono, aunque no consiguen llegar a emisiones netas cero.
Otra alternativa a la producción de bioetanol por fermentación es a partir de residuos urbanos mediante procesos de gasificación. De la misma forma, el bioetanol obtenido, se transforma en etileno por deshidratación en un proceso catalizado, que finalmente será transformado mediante procesos de polimerización en polietileno sostenible.
En estas reacciones, se realiza la transformación biológica de biomasa en bioetanol gracias al consumo de CO2 por parte de microorganismos que generan esta transformación. De esta forma, hay un consumo de CO2 para la obtención del bioetanol renovable por vía fermentativa, que en procesos posteriores se transformará en etileno y finalmente en polietileno.
Mediante esta reacción electrocatalítica el CO2 se reduce para obtención de otros productos químicos mediante el uso de una corriente eléctrica y con la ayuda de un catalizador. El sistema de electrocatálisis emplea un voltaje para la reducción de CO2 a etileno. Para este proceso se requieren catalizadores especialmente diseñados que permitan esta transformación, centrándose en la optimización del sistema catalítico.
Los estudios recientes se basan en el diseño de nuevos electrocatalizadores que permitirán superar el gran reto de transformación de CO2 renovable. Investigaciones muy recientes han desarrollado un electrocatalizador de Cu que permite superar el reto de llevar a cabo esta conversión en condiciones de reacción básicas, reduciendo las emisiones de gas de efecto invernadero (CO2) mientras se genera etileno[3]. La mayoría de los metales pueden ser utilizados como catalizadores para esta reacción, sin embargo, el uso de un catalizador adecuado permite poder obtener selectivamente al producto deseado. De este modo, catalizadores de oro, plata o zinc reducen el CO2 a CO, mientras que el estaño y el paladio permiten la formación de formiatos. El caso particular del cobre es el único que puede producir etileno, componente principal del plástico de polietileno.
Por tanto, los retos actuales se centran en la optimización de las condiciones de funcionamiento de un proceso electroquímico para la transformación de CO2 en etileno mediante la síntesis, optimización y caracterización de los electrodos, así como el estudio del sistema catalítico de la celda electroquímica. Además, se requiere el estudio de la viabilidad de los procesos desarrollados para obtención de etileno, así como de otras moléculas de interés industrial como formaldehído o etanol.
El diseño del proceso electroquímico y de los componentes implicados en el proceso de reducción de CO2 en estos compuestos de interés industrial es un campo de investigación de interés para conseguir procesos más limpios y selectivos, previo a su validación y viabilidad a nivel industrial.
Entre las estrategias en la deshidrogenación oxidativa de etano con CO2 que en los últimos años han tenido un interés creciente en investigación, intensificando sus estudios, encontramos el “Chemical looping”, la integración de sistemas de captura de CO2 y ODH de alcanos y la deshidrogenación oxidativa ODH y reformado de etano con CO2 mediante reacciones en tándem. Sin embargo, su aplicación a nivel industrial requiere de más estudios y desarrollos en la actualidad.
El uso de CO2 como materia prima para obtención de diversos tipos de plástico convencionales, entre ellos el polietileno, es hoy en día un reto y una oportunidad al mismo tiempo. La aplicación de nuevas tecnologías que permitan obtener a partir de CO2 plásticos convencionales de forma más sostenible, estimula la búsqueda de nuevas soluciones y desarrollo de nuevas aplicaciones de estas tecnologías en la industria química, permitiendo la descarbonización y la disminución de la dependencia de los combustibles fósiles a través de nuevos retos.
AIMPLAS desarrolla estas investigaciones en línea con su compromiso con la sostenibilidad medioambiental. Gracias a ello, las empresas del sector pueden introducir los criterios de la Economía Circular en su modelo de negocio y convertir los cambios legislativos que les afectan en oportunidades para mejorar su eficiencia, reducir su impacto ambiental y aumentar su rentabilidad económica. En este sentido, AIMPLAS también investiga en ámbitos como el reciclado, los materiales y productos biodegradables o el uso de biomasa.
[1] Köpke M, Simpson SD. Pollution to products: recycling of ‘above ground’ carbon by gas fermentation. Curr Opin Biotechnol. 2020 Oct; 65:180-189. doi: 10.1016/j.copbio.2020.02.017. Epub 2020 Apr 18. PMID: 32315931.
[2] Yang CH, Liu EJ, Chen YL, Ou-Yang FY, Li SY. The comprehensive profile of fermentation products during in situ CO2 recycling by Rubisco-based engineered Escherichia coli. Microb Cell Fact. 2016 Aug 2;15(1):133. doi: 10.1186/s12934-016-0530-7. PMID: 27485110; PMCID: PMC4971712.
[3] Dinh, C.-T. et al. CO2 electroreduction to ethylene via hydroxide-mediated copper catalysis at an abrupt interface. Science (80-. ). 360, 783–787 (2018).
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Para su fabricación, en primer lugar, el etano se extrae del petróleo o del gas natural. Mediante un proceso termoquímico el etano se convierte en etileno tras su polimerización asistida por catalizadores se convierte en polietileno. Sin embargo, si queremos obtener el etileno de fuentes no procedentes del petróleo, existen varias alternativas que se describirán en este artículo.
Usos del polietilenoComo sabemos, los usos del polietileno van desde la fabricación de botellas, bolsas hasta incluso films, haciendo necesario la búsqueda de una alternativa más sostenible en el mercado dado su uso tan generalizado y extendido. De hecho, empresas como L’Oreal ya utilizan como envases de sus productos una versión más disruptiva y sostenible del polietileno, que incorpora CO2 capturado para su fabricación.
Ahora bien, ¿cómo es posible llegar a la fabricación de esta versión de polietileno que incorpora CO2 capturado en su fabricación?
CO2 como materia prima del biopolietilenoEl biopolietileno es la alternativa de origen natural que ya se ha empezado a utilizar en sectores como la industria cosmética. Este bioplástico sostenible se puede obtener a partir de procesos biológicos de fermentación que emplean CO2 o bien a partir de CO2 capturado que se transforma en diversas moléculas plataforma (bioetanol o bioetileno) como alternativa a las materias primas procedentes del petróleo. Estas alternativas son mucho más sostenibles y permiten obtener un plástico con idénticas propiedades que los obtenidos a partir de combustibles fósiles.
Entonces, ¿por qué razón el biopolietileno no ha reemplazado totalmente al polietileno convencional?
Tecnologías para la obtención de polietileno sostenibleEn la actualidad se están desarrollando diferentes metodologías que permiten la obtención de polietileno en versiones más sostenibles. Además, el uso de nuevas tecnologías para la utilización del CO2 (CU) genera nuevas oportunidades de crecimiento económico mediante el aumento de la innovación y al mismo tiempo, permite la transición hacia una economía circular y de descarbonización que conducirá a una menor dependencia de los combustibles fósiles. Algunas de estas metodologías ya están totalmente desarrolladas y otras son más disruptivas y requieren de una tecnología más madura para poder ser aplicadas en nuestras empresas.
Las tecnologías en estudio que contribuyen a la descarbonización de la economía aplicadas a la obtención de polietileno que se describen en este artículo son las siguientes:
- Obtención de etileno a partir de bioetanol (fermentación).
- Bioetanol a partir de cultivos sostenibles o de residuos urbanos.
- Bioetanol a partir de procesos biológicos.
- Obtención de etileno a partir de CO2.
- Procesos electroquímicos catalizados (electrocatálisis).
- Procesos termoquímicos catalizados.
- Bioetanol obtenido a partir de fermentación:
En este proceso, el biopolietileno obtenido es de origen vegetal y contribuye a la disminución de gases de efecto invernadero gracias a la captura de CO2 que se genera en el proceso de cultivo. En concreto, el análisis del Ciclo de Vida de este polietileno cifra esta contribución en 2,78 toneladas de CO2 capturadas por cada tonelada de resina bio fabricada. Sin embargo, la producción de biopolietileno siguiendo este proceso tiene cierto impacto ambiental debido al uso del suelo, ya que para la producción de caña de azúcar se requiere de fertilizantes, pesticidas y otros que permiten reducir globalmente la huella de carbono, aunque no consiguen llegar a emisiones netas cero.
Otra alternativa a la producción de bioetanol por fermentación es a partir de residuos urbanos mediante procesos de gasificación. De la misma forma, el bioetanol obtenido, se transforma en etileno por deshidratación en un proceso catalizado, que finalmente será transformado mediante procesos de polimerización en polietileno sostenible.
- Bioetanol a partir de procesos biológicos de transformación del CO2
En estas reacciones, se realiza la transformación biológica de biomasa en bioetanol gracias al consumo de CO2 por parte de microorganismos que generan esta transformación. De esta forma, hay un consumo de CO2 para la obtención del bioetanol renovable por vía fermentativa, que en procesos posteriores se transformará en etileno y finalmente en polietileno.
- Procesos electroquímicos catalizados (electrocatálisis).
Mediante esta reacción electrocatalítica el CO2 se reduce para obtención de otros productos químicos mediante el uso de una corriente eléctrica y con la ayuda de un catalizador. El sistema de electrocatálisis emplea un voltaje para la reducción de CO2 a etileno. Para este proceso se requieren catalizadores especialmente diseñados que permitan esta transformación, centrándose en la optimización del sistema catalítico.
Los estudios recientes se basan en el diseño de nuevos electrocatalizadores que permitirán superar el gran reto de transformación de CO2 renovable. Investigaciones muy recientes han desarrollado un electrocatalizador de Cu que permite superar el reto de llevar a cabo esta conversión en condiciones de reacción básicas, reduciendo las emisiones de gas de efecto invernadero (CO2) mientras se genera etileno[3]. La mayoría de los metales pueden ser utilizados como catalizadores para esta reacción, sin embargo, el uso de un catalizador adecuado permite poder obtener selectivamente al producto deseado. De este modo, catalizadores de oro, plata o zinc reducen el CO2 a CO, mientras que el estaño y el paladio permiten la formación de formiatos. El caso particular del cobre es el único que puede producir etileno, componente principal del plástico de polietileno.
Por tanto, los retos actuales se centran en la optimización de las condiciones de funcionamiento de un proceso electroquímico para la transformación de CO2 en etileno mediante la síntesis, optimización y caracterización de los electrodos, así como el estudio del sistema catalítico de la celda electroquímica. Además, se requiere el estudio de la viabilidad de los procesos desarrollados para obtención de etileno, así como de otras moléculas de interés industrial como formaldehído o etanol.
El diseño del proceso electroquímico y de los componentes implicados en el proceso de reducción de CO2 en estos compuestos de interés industrial es un campo de investigación de interés para conseguir procesos más limpios y selectivos, previo a su validación y viabilidad a nivel industrial.
- Procesos termoquímicos catalizados.
Entre las estrategias en la deshidrogenación oxidativa de etano con CO2 que en los últimos años han tenido un interés creciente en investigación, intensificando sus estudios, encontramos el “Chemical looping”, la integración de sistemas de captura de CO2 y ODH de alcanos y la deshidrogenación oxidativa ODH y reformado de etano con CO2 mediante reacciones en tándem. Sin embargo, su aplicación a nivel industrial requiere de más estudios y desarrollos en la actualidad.
El uso de CO2 como materia prima para obtención de diversos tipos de plástico convencionales, entre ellos el polietileno, es hoy en día un reto y una oportunidad al mismo tiempo. La aplicación de nuevas tecnologías que permitan obtener a partir de CO2 plásticos convencionales de forma más sostenible, estimula la búsqueda de nuevas soluciones y desarrollo de nuevas aplicaciones de estas tecnologías en la industria química, permitiendo la descarbonización y la disminución de la dependencia de los combustibles fósiles a través de nuevos retos.
AIMPLAS desarrolla estas investigaciones en línea con su compromiso con la sostenibilidad medioambiental. Gracias a ello, las empresas del sector pueden introducir los criterios de la Economía Circular en su modelo de negocio y convertir los cambios legislativos que les afectan en oportunidades para mejorar su eficiencia, reducir su impacto ambiental y aumentar su rentabilidad económica. En este sentido, AIMPLAS también investiga en ámbitos como el reciclado, los materiales y productos biodegradables o el uso de biomasa.
[1] Köpke M, Simpson SD. Pollution to products: recycling of ‘above ground’ carbon by gas fermentation. Curr Opin Biotechnol. 2020 Oct; 65:180-189. doi: 10.1016/j.copbio.2020.02.017. Epub 2020 Apr 18. PMID: 32315931.
[2] Yang CH, Liu EJ, Chen YL, Ou-Yang FY, Li SY. The comprehensive profile of fermentation products during in situ CO2 recycling by Rubisco-based engineered Escherichia coli. Microb Cell Fact. 2016 Aug 2;15(1):133. doi: 10.1186/s12934-016-0530-7. PMID: 27485110; PMCID: PMC4971712.
[3] Dinh, C.-T. et al. CO2 electroreduction to ethylene via hydroxide-mediated copper catalysis at an abrupt interface. Science (80-. ). 360, 783–787 (2018).
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