“Acelerando el desarrollo de nuevos materiales poliméricos”
Por: Luis Edmundo Lugo Uribe / CIATEQ Edo. México / ejuarez@ciateq.mx
El desarrollo acelerado y automatizado de nuevos catalizadores para la producción de poliolefinas que aporten un cambio disruptivo en las propiedades de este tipo de polímeros o en la productividad de sus procesos de fabricación, no es una tarea fácil. A lo largo de la historia de las poliolefinas, se puede hablar de cinco generaciones de catalizadores propiamente reconocidas por la comunidad mundial de la industria de los polímeros, desde los primeros complejos de titanio utilizados por Karl Ziegler y Giulio Natta, hasta los catalizadores de sitio único, representados principalmente por los metalocenos, o los catalizadores Ziegler-Natta con donadores libres de ftalatos.
Existen diversas razones que han impulsado el desarrollo de nuevos catalizadores para poliolefinas, desde incrementar la actividad catalítica, pasando por obtener propiedades a la medida de peso molecular y estéreo regularidad, hasta por restricciones de afectación al medio ambiente, como es el caso del uso de sustancias nocivas como los ftalatos o el cromo. En la medida de que la industria petroquímica dedicada a la producción de poliolefinas sean capaces de diferenciarse en costo, propiedades o tecnologías disruptivas, se podrán desarrollar y producir materiales novedosos que permitan generar e impulsar la innovación del sector plástico.
Una de las estrategias que puede ser utilizada para acelerar los procesos de investigación y desarrollo de nuevos catalizadores es a través de la Industria 4.0, mediante el uso de sistemas automatizados de experimentación de alta eficiencia (high throughput experimentation o HTE). Estos sistemas permiten explorar a través del control sistemático y automatizado de procesos de síntesis, un gran número de moléculas precursoras para catalizadores así como el estudio, definición y validación de las condiciones de síntesis para generar complejos catalíticos que pueden ser evaluados en procesos de polimerización para poliolefinas, así como determinar las propiedades básicas de peso molecular y composición química para obtener los candidatos con más probabilidades de ser exitosos o los que permitan obtener materiales con propiedades únicas.
Ejemplos
Existen ejemplos que han demostrado la efectividad de este tipo de metodologías, logrando generar nuevas familias de catalizadores y poliolefinas especializadas. Uno de los casos más significativos y que ha tenido una mayor difusión es el desarrollo de las líneas Infuse e Intune de la empresa Dow. Esta tecnología está basada en el uso de catalizadores con intercambio de sitio activo (chain shuttling en inglés) que permiten la formación de minibloques de dos o más tipos diferentes de monómeros (por ejemplo, etileno y octeno en el caso de Infuse; propileno y etileno en el caso de Intune).
Dow pudo acelerar el desarrollo de esta tecnología a través del uso de un sistema HTE, ya que le permitió evaluar una gran cantidad de moléculas que teóricamente tenían cualidades para funcionar en el mecanismo de intercambio de sitios activos y realizar combinaciones con complejos metálicos para encontrar los mejores candidatos para afinar la investigación. Esta innovación, en conjunto con el descubrimiento científico del mecanismo de intercambio de sitios activos, le ha valido a Dow el poder generar 2 familias de productos comerciales, diversas patentes y el ser invitado a publicar su descubrimiento en la revista Science.
Al igual que el caso de Dow, otras empresas productoras de poliolefinas, como Borealis, Sabic y Lanxess, han utilizado ya sistemas automatizados de alta eficiencia para el desarrollo de proyectos de investigación, lo que ha significado que hoy en día la oferta tecnológica de catalizadores para la síntesis de poliolefinas, y particularmente para polipropileno (PP), haya crecido exponencialmente. Por citar un ejemplo, el proceso de catalizadores en emulsión de Borealis, conocido como Sirius, ha sido desarrollado en gran parte aprovechando los recursos de investigación de alta eficiencia de esta empresa. Este tipo de catalizadores han permitido que el proceso de obtención de PP sea más productivo y que las propiedades del PP sean más controladas.
Desarrollo en México
En México este tipo de metodologías sólo han tenido impacto en industrias como la farmacéutica, y aún en ese campo estamos lejos de los niveles de desarrollo que se han alcanzado en otros países con una cultura de investigación más afianzada. Los desarrollos que se han logrado llevar a cabo han sido o bien por una fuerte colaboración con empresas extranjeras o por el esfuerzo de grupos de investigación que no cuentan con el apoyo de empresas mexicanas productoras de poliolefinas y que no pueden hacer trascender sus desarrollos a niveles de interés comercial. Es necesario que haya un mayor involucramiento de las empresas mexicanas en el desarrollo de tecnologías disruptivas en el campo de la producción de poliolefinas, y esto se les podría facilitar implantando metodologías de alta eficiencia en sus sistemas de investigación, ya que son sistemas que han probado su utilidad y beneficios y que a la larga representan un ahorro significativo en los gastos de investigación y un mejor aprovechamiento de los recursos.
En México, y específicamente en CIATEQ, se cuenta actualmente con equipo para la síntesis acelerada de materiales a través de un equipo de experimentación de alta eficiencia; este equipo cuenta con sistemas robotizados que permiten acelerar los procesos de síntesis y desarrollo de nuevos materiales mediante la realización de un gran número de experimentos llevados de manera simultáneos en menor tiempo, haciendo uso de pequeñas cantidades de recursos: materiales, energéticos y con tiempos de investigación y respuesta cortos.
ACERCA DEL AUTOR
El Dr. Luis Edmundo Lugo Uribe es Líder de Especialidad en Síntesis y Formulación de Plásticos en CIATEQ, Unidad Estado de México.
