Química circular

En este artículo exploramos el cambio imperativo de un modelo económico lineal a otro circular, con especial atención al papel fundamental de la química en esta transición. Dilucidamos los retos mundiales críticos derivados de la extracción insostenible de recursos y del planteamiento lineal de «extraer-producir-tirar», entre ellos el cambio climático, el agotamiento de los recursos y la pérdida de biodiversidad. La química circular se perfila como una solución prometedora, guiada por los principios de la química verde y la economía circular. Este concepto defiende un ciclo perpetuo para los materiales y hace hincapié en crear estrategias sostenibles para el fin de su vida útil y en un diseño de producto que dé prioridad a la reutilización y el reciclado. Lograr una química circular requiere la cooperación de personas, instituciones educativas y científicas, industrias y organismos reguladores. Alcanzarla puede contribuir significativamente a mitigar las crisis medioambientales mundiales, con la circulación sostenible de materiales como principio fundamental.

Palabras clave: química circular, sostenibilidad, crisis medioambiental, límites planetarios, economía circular.

En las últimas décadas, la población se ha sensibilizado con respecto al carácter finito de los numerosos recursos de los que depende la vida moderna. Al mismo tiempo, las consecuencias medioambientales y sociales negativas de la extracción de estos se han hecho cada vez más evidentes. Frente a las diversas crisis mundiales, como el cambio climático, la escasez de energía y de recursos, o la disminución de la biodiversidad, solo cabe concluir que las rutas lineales de producción («extraer-producir-tirar») dominantes en la actualidad no son sostenibles. En los últimos cincuenta años, la demanda anual de recursos ecológicos por parte de la humanidad ha superado las cantidades que el planeta genera en el mismo periodo, por lo que el Día de la Deuda Ecológica –fecha en la que la demanda anual de recursos excede la capacidad de regeneración del planeta para ese año–, llega más temprano cada vez (Earth Overshoot Day, 2023). Los procesos de producción química contribuyen en gran medida a ello. El creciente consumo de recursos y la generación de residuos químicos, tanto durante como después de la producción, provocan directamente efectos adversos para la salud humana y medioambiental (Persson et al., 2022).

En este artículo destacamos la química circular como concepto clave, y profundizamos en este enfoque alternativo a la química tradicional y en la oportunidad que representa para abordar muchas crisis mundiales interconectadas. De hecho, creemos firmemente que es esencial para mitigar la crisis climática. Si la química es la tecnología que permite la economía lineal, la química circular y las tecnologías circulares son ahora necesarias para hacer realidad una economía más sostenible. Esto requiere ampliar lo que entendemos por sostenibilidad para incluir cuestiones que vayan más allá de la optimización de procesos y abarquen todo el ciclo de vida de los productos y servicios (Keijer et al., 2019). Además, considerar los subproductos y los residuos como recursos, y centrar el diseño químico en anticipar y evitar problemas futuros, son requisitos previos para la química circular. Para ello, es necesario abandonar el enfoque tradicional y adoptar un pensamiento sistémico guiado por la comprensión de las bases moleculares de la sostenibilidad (Mahaffy et al., 2019).

Crisis planetarias interconectadas

Desde la industrialización, la actividad humana ha tenido un inmenso impacto en el entorno natural del planeta. El aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, la extracción de recursos y el cambio de los usos del suelo, entre otros factores, están contribuyendo al cambio climático. Dada su capacidad para alterar drásticamente la vida en la Tierra para todos los seres vivos, la climática es quizá la más urgente de las crisis interconectadas a las que nos enfrentamos. Impulsada principalmente por sistemas sociales y económicos basados en la extracción y el consumo insostenible de recursos, la actividad humana contribuye tanto al problema como a las posibles soluciones (Rockström et al., 2023).

El concepto de límites planetarios se desarrolló con el objetivo de definir un espacio operativo seguro para la humanidad, que permitiera evitar la desestabilización del sistema terrestre (Richardson et al., 2023; Rockström et al., 2009, 2023; Steffen et al., 2015). Se definieron nueve límites, entre ellos el cambio climático, los flujos biogeoquímicos, el uso del agua dulce, la acidificación de los océanos y la incorporación de nuevas entidades (sustancias químicas y otros tipos de materiales artificiales). Muchas de las variables de control de estos límites requieren la medición o transformación de sustancias químicas, lo que pone de relieve el vínculo entre la química y los sistemas terrestres globales que rigen el clima (Mahaffy et al., 2019). Algunos ejemplos de variables de control incluyen la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera (para evaluar el límite del cambio climático) y la concentración de iones de carbonato en la superficie del océano (como medida de la acidificación) (Mahaffy et al., 2019). Aunque los nueve límites planetarios están interconectados entre sí en diversos grados, se ha identificado el cambio climático como prioritario (Steffen et al., 2015). Además, aunque sobrepasar cualquiera de los límites contribuye a la desestabilización del sistema terrestre, es probable que el cambio climático por sí solo pueda empujar al planeta del Holoceno al Antropoceno (Rockström et al., 2023; Steffen et al., 2015).

A través de los ciclos planetarios, los materiales conectan entre sí muchos de los sistemas terrestres. Un ejemplo ilustrativo es el ciclo del carbono, que conecta la acidificación de los océanos, los cambios en la integridad de la biosfera, los cambios en el clima y la química del ciclo del carbono. Es más, a través del cambio climático, interactúa también con los cambios del sistema terrestre, los flujos biogeoquímicos y el uso del agua dulce (Mahaffy et al., 2019). El límite de las nuevas entidades, que incluye la contaminación química, los plásticos, los nuevos materiales biológicos y los elementos naturales movilizados por la actividad antropogénica, pone aún más de relieve que la transformación de la materia contribuye a los ciclos de los sistemas terrestres. Aunque la medición de sustancias químicas es fundamental para cuantificar otros límites planetarios, el enorme volumen de estas en el caso de las nuevas entidades lo hace casi imposible. Esto ha llevado a la conclusión de que este límite ya se ha superado con creces (Persson et al., 2022; Steffen et al., 2015). Además, cada vez hay más estudios que relacionan directamente la contaminación química con enfermedades humanas relacionadas con los tóxicos ambientales y con la disminución de las poblaciones de animales salvajes (Persson et al., 2022). La contaminación ambiental suele ser el resultado de la falta de soluciones adecuadas para el final de la vida útil de los productos utilizados en la vida moderna (Figura 1). Esto pone de manifiesto la necesidad de abandonar las rutas de producción que generan residuos y avanzar hacia ciclos de producto que incluyan soluciones en las que los recursos nunca se conviertan en desechos o contaminación.

¿Por qué es importante la química?

El protagonismo de la química como tecnología instrumental en la economía lineal actual pone de relieve el papel que también podría desempeñar en una de tipo circular. Como defensora de la economía circular, la Fundación Ellen MacArthur subraya que evitar una catástrofe climática y completar la transición energética que ya se está produciendo solo será posible mediante una economía circular. Pero esto no será factible sin dar pasos drásticos que se alejen de los modos de producción lineales, basados en el «extraer-producir-tirar». La demanda continua y creciente de recursos exige un nivel mayor de extracción, con las correspondientes consecuencias medioambientales y sociales negativas. Además, las emisiones adicionales de gases de efecto invernadero que resultan de ello pueden llegar a poner en cuestión el propósito mismo de esta transición. La economía y la química circulares abordan el cambio climático reduciendo las emisiones de la industria, el uso del suelo y la agricultura mediante el rediseño de productos y servicios (Ellen MacArthur Foundation, 2019).

No basta con optimizar la economía lineal

Con el tiempo, los químicos han ido tomando conciencia de los efectos potencialmente perjudiciales que pueden tener los materiales indispensables que diseñan y producen, tanto para los seres humanos como para el medio ambiente. Esto condujo a la introducción, en la década de 1990, de la química verde (Anastas y Warner, 1998), un enfoque resumido en doce principios rectores, que desde entonces ha proporcionado un marco para lograr prácticas más sostenibles, así como un impulso para el desarrollo de productos y procesos más limpios. Los doce principios de la química verde (Figura 2) se centran en la evaluación directa de la sostenibilidad de las reacciones químicas, una perspectiva que se adapta bien a la optimización de las rutas de producción lineales (Keijer et al., 2019). Sin embargo, por sí solas, estas estrategias no son suficientes para lograr economías circulares y mitigar las numerosas crisis medioambientales.

De modo similar, la reciente atención de la síntesis química hacia el uso de recursos renovables y la reducción de residuos en la producción no suele considerar la huella medioambiental del ciclo de vida completo del producto (Galán-Martin et al., 2021). Por ejemplo, la sustitución de materias primas fósiles en la producción de plásticos por alternativas basadas en la biomasa, como en el caso del biopolietileno (bioPE). En su producción se utiliza etileno procedente de bioetanol deshidratado, y esto no mejora la reciclabilidad ni la degradabilidad del producto. Es más, un estudio reciente demostró que el cambio de plásticos derivados del petróleo a plásticos de base biológica, sin incorporar reciclaje adicional, provoca un empeoramiento de la integridad de la biosfera y de los flujos biogeoquímicos de nitrógeno (Bachmann et al., 2023).

La química circular (Figura 3), tanto a través de sus principios rectores –en particular, el octavo– como de la escala de circularidad o la jerarquía de recursos, aboga por más evaluaciones del ciclo de vida y considerar más profundamente si es necesario utilizar los materiales (Keijer et al., 2019). Subraya que, si bien los enfoques basados en los principios de la química verde pueden mejorar la sostenibilidad de las rutas lineales de producción «extraer-producir-tirar», hacen poco por cerrar los ciclos de los productos y contribuir a una economía circular. Para mitigar la crisis climática y retrasar el Día de la Deuda Ecológica, la química debe ir más allá de la optimización de las rutas de producción lineales. Mientras eso no cambie, persistirán los mismos problemas en la fase de producto y se generarán residuos para los que no existe un método de manipulación adecuado.

Química circular

Fundamentada en la química verde y la economía circular, la química circular pretende ser una alternativa al enfoque actual lineal, que contribuya a la consecución de una sostenibilidad más amplia y ayude a mitigar las crisis medioambientales. La economía circular se basa en la reutilización y regeneración de productos, componentes y materiales, para mantener su utilidad y valor más altos durante el mayor tiempo posible. Por su papel en la manipulación de los materiales, los químicos y la química son esenciales para lograrlo.

Esta química requiere adoptar procesos que hagan circular continuamente los materiales a través de cadenas de valor, y así crear bucles interminables de reutilización que imiten los ciclos naturales. De esta manera, se optimiza la eficiencia de los recursos, al tiempo que se preservan aquellos que son finitos y se eliminan residuos. Esto permite diversificar la base de recursos utilizados en la producción (por ejemplo, los materiales de origen biológico) y, a diferencia de los procesos lineales, incluye opciones de fin de uso sostenibles para cada producto. Estas son esenciales si queremos vivir dentro de los límites de la Tierra. Además, el enfoque de la química circular incluye anticipar y evitar problemas futuros gracias al pensamiento sistémico y a una definición más amplia de la sostenibilidad en la que la base molecular desempeña un papel protagonista (Mahaffy et al., 2019), una que la sitúa a la vanguardia de lo que necesitamos para vivir respetando los recursos del planeta en esta y en futuras generaciones.

Es esencial diseñar para la reutilización y el reciclado

Los doce principios rectores de la química circular (Figura 3) se formularon para proporcionar un marco análogo al de la química verde y apoyar la transición a la economía circular. Entre las propuestas y requisitos centrales de la química circular se encuentra evitar por completo los residuos manteniendo el valor de los productos a un nivel alto. Sin embargo, con los actuales modos lineales de producción, un paso necesario para lograr la completa recirculación de materiales, productos y recursos es reorientar los flujos de residuos y su uso como materias primas. Lo ideal, sin embargo, sería la eliminación total de los residuos. Solo con sustituir las botellas y envases de plástico de un solo uso en productos de belleza, cuidado personal y limpieza del hogar en favor de diseños y modelos rellenables se podría facilitar una reducción del 80-85 % de las emisiones de gases de efecto invernadero en este sector (Ellen MacArthur Foundation, 2019).

El problema actual de los residuos debe abordarse con estrategias circulares. Una de las mayores limitaciones para la aplicación inmediata de la circularidad es la complejidad y los elevados costes de reciclar o reutilizar residuos ya producidos. Esto demuestra que es necesario introducir cambios en la fase de diseño de producto, para desarrollarlos pensando en la circularidad. Así, se espera que la demanda de metales de transición aumente notablemente en el futuro, ya que la digitalización continúa aumentando y muchos de los productos que reducen las emisiones de gases de efecto invernadero dependen de la disponibilidad de metales de alta calidad. El cobre, indispensable por su uso en cableados, motores eléctricos, generadores y otros dispositivos electrónicos, es un claro ejemplo.

La producción de cobre ha crecido más de un 3.000 % desde principios del siglo XX y se prevé que siga aumentando (Kümmerer et al., 2020). Sin embargo, encontrar mineral virgen nuevo de la calidad adecuada es cada vez más difícil. En lugar de continuar extrayendo recursos vírgenes del planeta, tenemos que centrarnos en reutilizar, recuperar y reciclar lo que ya se ha extraído. Lo mismo ocurre con los compuestos orgánicos, cuyo reciclaje no es menos complejo, a pesar de no extraerse directamente de la tierra. Por ejemplo, los plásticos suelen estar compuestos por uno o varios polímeros y diversos aditivos para conseguir las características deseadas del producto, lo que los hace muy difíciles y potencialmente peligrosos de reciclar.

Para que la economía circular funcione, los productos han de diseñarse teniendo en cuenta la solución para el final de su vida útil. Hasta entonces, debemos evitar los materiales imposibles de reciclar en la medida de lo posible. Para que esto sea una realidad, los productos del futuro deberán limitar al máximo el nivel de complejidad de sus componentes. Esto pone de manifiesto la necesidad de una innovación dirigida que permita considerar en paralelo tanto la fase de diseño como la de fin de vida útil, porque ambas formarán parte del ciclo de vida del producto. La innovación centrada en el reciclaje y la reutilización anticipa y previene los problemas antes de que puedan producirse, y contribuye así a reducir la contaminación.

Hay determinadas situaciones y aplicaciones que no se adaptan bien al modelo circular, o para las que las soluciones circulares resultan más complejas. A menudo conllevan la liberación de sustancias químicas al medio ambiente de forma directa (como en el caso de los pesticidas) o a través de complejos flujos de residuos, como suele ocurrir con los productos farmacéuticos. Cada vez tenemos más pruebas de que estas sustancias químicas persistentes, que se pueden dispersar y que resultan tóxicas, suponen un riesgo tanto para los seres humanos como para la naturaleza, incluso en los lugares más remotos del planeta (Persson et al., 2022).

En los casos en que no sea posible recuperar materiales en los puntos de recogida antes del reciclado, los productos deberían diseñarse con la mineralización en mente; esto es, que sean capaces de degradarse completamente en el medio ambiente y pasen así a alimentar los ciclos biogeoquímicos a escala planetaria. Otro motivo para la mineralización completa de las sustancias químicas que no pueden recuperarse fácilmente del medio ambiente es que el control y la evaluación no pueden seguir el ritmo de su liberación. Además, no disponemos de la capacidad para investigar sus efectos, reales y potenciales, en el entorno. Esto queda patente por la superación del umbral planetario referido a las nuevas entidades o sustancias (Persson et al., 2022).

Figura 2. Los doce principios de la química verde según Anastas y Warner (1998), centrados en la evaluación directa de la sostenibilidad de las reacciones químicas.

La química moderna debe ser eficiente, segura y circular

Aprovechar el potencial de la química para estar a la vanguardia de las estrategias de mitigación de las crisis medioambientales requiere un triple enfoque: eficiencia, seguridad y circularidad (Flerlage y Slootweg, 2023). La forma en que se aborda y se enseña la química requiere un cambio de paradigma, del conocimiento aislado y fragmentado a un enfoque holístico y sistémico que dé la misma importancia a la funcionalidad, la seguridad y la sostenibilidad (Mahaffy et al., 2019). Los avances hacia una economía circular deben tener en cuenta, por definición, al planeta y a las personas, pero también deben ser escalables y rentables. Hay varios casos en los que las innovaciones diseñadas pensando en la sostenibilidad no se han adoptado por los elevados costes que comportaban. Un ejemplo de esto es la síntesis verde de ácido adípico (Keijer et al., 2019), que requiere el uso de peróxido de hidrógeno, un compuesto más caro que el producto final y, por tanto, una violación de la cadena de valor. Sin embargo, en lugar de ver esto como un obstáculo para la adopción generalizada de la química ecológica y circular, deberíamos considerarlo parte del proceso de innovación que nos acerca al objetivo final de una química centrada en las personas y el planeta.

Por ejemplo, a pesar de su impacto positivo en la aceleración del cambio hacia las energías limpias, existe una necesidad urgente de un proceso de reciclaje para las baterías. En una muestra reciente de cómo la innovación en química puede contribuir a la economía circular, Liu y colaboradores (2020) han desarrollado lo que denominan un «aglutinante de liberación rápida» que permitirá un reciclaje más rápido y asequible de los elementos escasos utilizados en las baterías, como el litio, el níquel y el cobalto. Para reciclar los componentes de una batería fabricada con este aglutinante solo es necesario añadir agua alcalina y agitar suavemente. Además, este producto es compatible con la forma en que se fabrican actualmente las baterías de iones de litio.

Otro ejemplo de cómo la química puede contribuir a la economía circular es el reciclado químico de plásticos. Aunque no es aplicable a todos por igual, el teref­talato de polietileno (PET) y las poliamidas son buenos candidatos para ser despolimerizados y revertir el proceso a sus monómeros. Tras la despolimerización, los monómeros pueden reutilizarse en nuevas aplicaciones; de esta manera, los mismos materiales podrán usarse durante múltiples ciclos de producto y se evitará la producción de residuos adicionales. Todos los grandes cambios sistémicos requieren pioneros que inviertan en tecnologías antes de que sean viables comercialmente, como ocurrió con los primeros paneles solares, para apoyar el proceso de innovación y mostrar cómo podría ser el futuro. Cada nueva tecnología proporciona experiencias de aprendizaje y oportunidades de optimización. Dada la magnitud de las crisis medioambientales a las que nos enfrentamos, este proceso debe acelerarse, impulsando la economía y la química circulares para que se conviertan en la corriente dominante lo antes posible.

Figura 3. Los doce principios de la química circular según Keijer et al. (2019), formulados para apoyar a la transición a la economía circular.

El papel de la regulación y la responsabilidad

La adopción a gran escala de una química y una economía circulares requiere la acción combinada de particulares, industria y organismos reguladores. Entre los motores clave de esta transición se encuentran unas relaciones sólidas entre la universidad, la industria y el gobierno; una logística química y unas cadenas de suministro sostenibles, así como una normativa química y medioambiental que las promueva (Keijer et al., 2019). El desarrollo de una economía circular se fomenta devolviendo la propiedad de los bienes y residuos al productor, en lugar de que la asuman los usuarios. Una forma de lograrlo es pasar de modelos de pago basados en la propiedad a sistemas basados en servicios (Keijer et al., 2019). Ejemplos de ello son los coches, bicicletas y patinetes eléctricos compartidos.

En la química circular se recomienda a los productores que adopten esos modelos de negocio, que promueven la eficiencia y la longevidad de los materiales en lugar del ritmo y el volumen de producción. A diferencia del usuario final, las empresas disponen de los activos y conocimientos necesarios para recuperar y reutilizar los productos químicos. Por ello, son las más indicadas para gestionar los bucles de moléculas y materiales en circulación. Trasladar la carga de la responsabilidad de la reutilización, la refabricación y el reciclado a los productores también incentiva la innovación en las fases de diseño y reutilización del ciclo de vida del producto. Esto fomenta la adopción por parte de la industria de principios circulares y química circular, lo que a su vez tiene un impacto significativo en la mitigación de los problemas mundiales con los residuos.

Además, el profesorado de química tiene que desempeñar un papel vital para alterar la cultura y las prácticas de esta disciplina para adecuarse a los enfoques de pensamiento circular y sistémico necesarios para paliar la crisis climática (Mahaffy et al., 2019). Cambiando el enfoque adoptado en las aulas, los químicos y otros profesionales que trabajan en campos afines estarán mejor preparados para encontrar soluciones a los retos que plantea dicha mitigación.

Así pues, la química circular brinda al sector químico la oportunidad de convertirse en protagonista de los esfuerzos por reducir la crisis climática. La química verde ha creado un entorno abierto a la aplicación de procesos menos exigentes y perjudiciales para el medio ambiente. Con ello, ha sentado las bases para la integración de los aspectos medioambientales en los procesos químicos. Ahora esto debe ampliarse a los ámbitos de la educación, la industria y la política. En lugar de seguir recurriendo a nuevos recursos vírgenes (y perpetuar el ciclo de perjuicio medioambiental y social asociados a su extracción) los residuos y los propios productos deben convertirse en recursos al fin de su vida útil. Debemos desarrollar ciclos más sensatos para cada clase de producto, con el objetivo de eliminar el despilfarro. En ese sentido, la química circular aborda el reto fundamental de la sostenibilidad: la circulación de materiales.

AGRADECIMIENTOS

Queremos agradecer las fructíferas conversaciones y aportaciones de Hannah Flerlage.