q u i m i c a v e r d e

QuQuíímica Verde / Biommica Verde / Biomíímicamica

[email protected] Dorfman

Fire retardantsSynthetic fabrics

Adhesives, paints,solvents, and coatings

Plastics andsynthetic rubber

Detergents and cleaning chemicals

Electronicschemicals

Fuels

Common synthetic chemical-based products:

Agricultural insecticides and fertilizers

Artificial flavors and fragrances

Personal care productsPharmaceuticals

Meat processinghormones andantibiotics

No hay nadaNo hay nada……

como una COMIDAcomo una COMIDA

GRATISGRATIS

Los productos no vienen a casa o almercado sin un precio:

•• Exigencias de energExigencias de energííaa•ntradas de materilesntradas de materiles

•• ExposiciExposicióón a sustancias n a sustancias potencialmente tpotencialmente tóóxicas o xicas o peligrosaspeligrosas………… en cualquier punto a lo largo de la cadena de en cualquier punto a lo largo de la cadena de

producciproduccióón quimican quimica

La Cadena Comercial QuLa Cadena Comercial Quíímicamica

Un Fenomeno Un Fenomeno

Artificial en gran parte Lineal Artificial en gran parte Lineal

en un Mundo Cen un Mundo Cííclico Naturalclico Natural

Extración de materia prima

• Petroleo

• Carbón• Metales

• Minerales

Refino/Purificación

• Combustibles gaseosos

• Combustibles para motores

• Calefacción hogares

• Gasolina• Diesel

• Tar• BTX• Ethylene• Metals• Minerals

Sintesis / Formulaciones

• Tejidos

• Farmaceuticos

• Disolventes

• Revestimientos

• Plasticos

• Pestizidas

• Fertilizantes

• etc.

Sintesis Quimica General

Compound “A” Compound “B”

Product “C” By-products

Reaction Vessel

This is just to cover

Algunas materias primas Algunas materias primas requieren muchos procesos requieren muchos procesos para llegar al producto finalpara llegar al producto final

Cada proceso puede liberar Cada proceso puede liberar sustancias potencialmente sustancias potencialmente

ttóóxicas o peligrasas.xicas o peligrasas.

Consumo / UtilizaciConsumo / Utilizacióón del n del producto finalproducto final

•• Emergency ResponseEmergency Response•• TransportationTransportation•• EducationEducation•• ElectronicsElectronics•• MediaMedia•• Arts/EntertainmentArts/Entertainment

•• MedicineMedicine•• FoodFood•• ClothingClothing•• ConstructionConstruction•• MilitaryMilitary•• SanitationSanitation

La siguientes diapositivas cuantifica las La siguientes diapositivas cuantifica las cantidades de sustancias potencialmente cantidades de sustancias potencialmente

ttóóxicas y peligrosas liberadas al medio xicas y peligrosas liberadas al medio ambiente en un aambiente en un añño solo.o solo.

•• Emisiones rutinarias (excluyen emisiones Emisiones rutinarias (excluyen emisiones accidentales), accidentales),

•• En grandes instalaciones de los EE.UU.En grandes instalaciones de los EE.UU.

•• 650 of the 100,000+ sustancias quimicas 650 of the 100,000+ sustancias quimicas destinadas al comercio,destinadas al comercio,

•• Emisiones de fabricaciEmisiones de fabricacióón (excluyen liberaciones n (excluyen liberaciones de productos dentro de casas, oficinas, o de productos dentro de casas, oficinas, o vertederos).vertederos).

EMISIONES AL MEDIO AMBIENTEEMISIONES AL MEDIO AMBIENTE

•• Aire Aire -------------------------------------------------- 105,000,000 kg105,000,000 kg

•• Superficie del agua Superficie del agua ------------ 20,000,000 kg20,000,000 kg

•• SubterrSubterrááneas neas ---------------------------- 81,000,000 kg81,000,000 kg

•• Escomobros contaminantes Escomobros contaminantes ---------- 2,000,000 kg2,000,000 kg

•• No contaminantes No contaminantes ------------------ 19,000,000 kg19,000,000 kg

•• ““OtrosOtros”” ------------------------------------------ 20,000,000 kg20,000,000 kg(currently 1,234 former manufacturing or waste sites placed (currently 1,234 former manufacturing or waste sites placed

on the US on the US ““SuperfundSuperfund”” list due to severe contamination)list due to severe contamination)

Emisiones al:Emisiones al:

DisposiciDisposicióón y empleo de productosn y empleo de productos��100,000+ chemicals in commercial use.100,000+ chemicals in commercial use.

��For 650 chemicals used in New Jersey:For 650 chemicals used in New Jersey:

•• 575 million kgs/yr of bioaccumulators, 575 million kgs/yr of bioaccumulators, carcinogens, heavy metals, halocarcinogens, heavy metals, halo--organics organics ozone depleters, are shipped in products.ozone depleters, are shipped in products.

•• 741 million kgs/yr of all reported 741 million kgs/yr of all reported chemicals NOT intended as a product chemicals NOT intended as a product component end up in the final product.component end up in the final product.

Impacto para la salud pImpacto para la salud púública por la blica por la potencial exposicipotencial exposicióón del medio n del medio ambiente a sustancias quambiente a sustancias quíímicas micas

comerciales.comerciales.��Efectos en gran parte Efectos en gran parte

desconocidos en la salud desconocidos en la salud individual.individual.

��Casi totalemente desconocidos en Casi totalemente desconocidos en la salud colectiva.la salud colectiva.

Cuadro resultanteCuadro resultante��Impacto Global (agujero de ozono, Impacto Global (agujero de ozono,

cambio climatico, Hg por todo el cambio climatico, Hg por todo el mundo, contaminacimundo, contaminacióón).n).

��Aire contaminadoAire contaminado

��Residuos quimicos en los rios.Residuos quimicos en los rios.

��AlteraciAlteracióónes hormonales encontradas nes hormonales encontradas en pescados, osos polares, caimanes, en pescados, osos polares, caimanes, ranas, y otras especies de fauna.ranas, y otras especies de fauna.

Impacto en los fetos Impacto en los fetos humanos?humanos?

�� La sangre de cordLa sangre de cordóón umbilical contiene almizcles n umbilical contiene almizcles artificiales, alkylphenols, bisphenolartificiales, alkylphenols, bisphenol--A, brominated A, brominated la llama retardants, perfluorinated compuestos, la llama retardants, perfluorinated compuestos, phthalates, organochlorine pesticidas y triclosan.phthalates, organochlorine pesticidas y triclosan.

�� 100 + sustancias qu100 + sustancias quíímicas comerciales en leche micas comerciales en leche materna humana (contaminado para venta como materna humana (contaminado para venta como alimento en EE UU). alimento en EE UU).

“[Man] can make something new which is better than anything in nature or naturally produced.”(Slosson, 1921)

This 1940’s Mobil gas ad (as well as the following 1920s quote) illustrate the perspective during most of the 20th

century that petroleum and the chemical laboratory could improve the world……how ironic that the ad shows the earth coated with oil.

……y entramos en la Bioy entramos en la Bio--Nano Nano TecnologiaTecnologia

Como salimos de la Edad Tecnologica de la Petro-

Quimica…

TENER CUIDADO!TENER CUIDADO!

PetroPetro--ChemChem--Tech EraTech Era::

•• Tetra ethyl lead.Tetra ethyl lead.

•• DDT, PCBs, CFCs.DDT, PCBs, CFCs.

•• NOx, SOx, CO2.NOx, SOx, CO2.

•• DiDi--EthylEthyl--Stilbestrol Stilbestrol (DES).(DES).

•• Alteraciones Alteraciones endocrinas.endocrinas.

NanoNano--BioBio--Tech EraTech Era::•• 2.5 micra particulas 2.5 micra particulas

afectan a la salud afectan a la salud ……

…… pero las microparticulas pero las microparticulas son 1000 veces mson 1000 veces máás s pequepequeññas.as.

•• Grano y pescado Grano y pescado geneticamente modificado geneticamente modificado para producir productos para producir productos farmacfarmacééuticos.uticos.

•• ““BuckyballsBuckyballs”” enter the enter the brains of sportfish.brains of sportfish.

HEMOS APRENDIDO LA LECCIHEMOS APRENDIDO LA LECCIÓÓN?N?

Si es asSi es asíí, los 12 siguientes , los 12 siguientes

““PRINCIPIOS DE LA QUIPRINCIPIOS DE LA QUIÍÍMICA MICA

VERDEVERDE””

ofrece la posibilidad de disfrutarofrece la posibilidad de disfrutar

de los frutos de una sociedad industrial de los frutos de una sociedad industrial

reduciendo sus impactos sobre la salud reduciendo sus impactos sobre la salud

ppúública y ambiental.blica y ambiental.

Principio de QuPrincipio de Quíímica Verde mica Verde

1.1. PrevenciPrevencióón:n:

Es preferible evitar la Es preferible evitar la producciproduccióón de un residuo que n de un residuo que tratar de limpiarlo una vez que tratar de limpiarlo una vez que se haya formado.se haya formado.

Principio de QuPrincipio de Quíímica Verdemica Verde

2.2. IntegraciIntegracióón de materias:n de materias:

Los mLos méétodos de stodos de sííntesis ntesis deberdeberáán disen diseññarse de manera arse de manera que incorporen al mque incorporen al mááximo, en ximo, en el producto final, todos los el producto final, todos los materiales usados durante el materiales usados durante el proceso. proceso.


3.3. SSííntesis menos peligrosa:ntesis menos peligrosa:

Siempre que sea posible, los mSiempre que sea posible, los méétodos todos de sde sííntesis deberntesis deberáán disen diseññarse para arse para utilizar y generar sustancias que utilizar y generar sustancias que tengan poca o ninguna toxicidad, tengan poca o ninguna toxicidad, tanto para el hombre como para el tanto para el hombre como para el medio ambiente. medio ambiente.


4.4. DiseDiseñño seguro:o seguro:

Los productos quLos productos quíímicos micos deberdeberáán ser disen ser diseññados de ados de manera que mantengan su manera que mantengan su eficacia a la vez que reduzcan eficacia a la vez que reduzcan su toxicidad.su toxicidad.


5.5. Disolventes seguros:Disolventes seguros:

Se evitarSe evitaráá, en lo posible, el uso de , en lo posible, el uso de sustancias auxiliares (disolventes, sustancias auxiliares (disolventes, reactivos de separacireactivos de separacióón, etc.) y en n, etc.) y en el caso de que se utilicen que el caso de que se utilicen que sean lo msean lo máás inocuo posible. s inocuo posible.


6.6. Eficiencia energEficiencia energéética:tica:

Los requerimientos energLos requerimientos energééticos ticos serseráán catalogados por su impacto n catalogados por su impacto medioambiental y econmedioambiental y econóómico, mico, reducireduciééndose todo lo posible. Se ndose todo lo posible. Se intentarintentaráá llevar a cabo los mllevar a cabo los méétodos todos de sde sííntesis a temperatura y presintesis a temperatura y presióón n ambientes. ambientes.


7.7. Uso de materias primas Uso de materias primas renovables:renovables:

La materia prima ha de ser La materia prima ha de ser preferiblemente renovable en vez preferiblemente renovable en vez de agotable, siempre que sea de agotable, siempre que sea ttéécnica y econcnica y econóómicamente viable. micamente viable.


8.8. ReducciReduccióón de derivados:n de derivados:

Se evitarSe evitaráá en lo posible la formacien lo posible la formacióón de n de derivados (grupos de bloqueo, de derivados (grupos de bloqueo, de protecciproteccióón/desproteccin/desproteccióón, modificacin, modificacióón n temporal de procesos ftemporal de procesos fíísicos/qusicos/quíímicos). micos).


9.9. CatCatáálisis:lisis:

Se emplearSe emplearáán catalizadores (lo n catalizadores (lo mmáás selectivos posible) en vez s selectivos posible) en vez de reactivos estequiomde reactivos estequioméétricos. tricos.


10.10. DegradaciDegradacióón limpia:n limpia:

Los productos quLos productos quíímicos se micos se disediseññararáán de tal manera que al n de tal manera que al finalizar su funcifinalizar su funcióón no n no persistan en el medio persistan en el medio ambiento sino que se ambiento sino que se transformen en productos de transformen en productos de degradacidegradacióón inocuos. n inocuos.

Principio de QuPrincipio de Quíímica Verdemica Verde11.11. AnAnáálisis continuo de lisis continuo de

contaminacicontaminacióón:n:

Las metodologLas metodologíías analas analííticas ticas serseráán desarrolladas n desarrolladas posteriormente para permitir posteriormente para permitir una monitorizaciuna monitorizacióón y control n y control en tiempo real del proceso, en tiempo real del proceso, previo a la formaciprevio a la formacióón de n de sustancias peligrosas. sustancias peligrosas.


12.12. Seguridad intrSeguridad intríínseca y nseca y prevenciprevencióón de accidentes:n de accidentes:

Se elegirSe elegiráán las sustancias n las sustancias empleadas en los procesos empleadas en los procesos ququíímicos de forma que se minimice micos de forma que se minimice el potencial de accidentes quel potencial de accidentes quíímicos, micos, incluidas las emanaciones, incluidas las emanaciones, explosiones e incendios. explosiones e incendios.

El gran público tiende a asumir que "las sustancias químicas"

son artificiales, y que la naturaleza es otra cosa que la

sustancia química.

Esta sección esta diseñada para demostrar que el mundo natural

es químico.

La Evolución de Nuestro Planeta Químico

The BIG BANG 14 Billion Years AgoThe BIG BANG 14 Billion Years Ago

ammoniaammoniacarbon dioxidecarbon dioxide

hydrogenhydrogennitrogennitrogen

phosphorousphosphoroussulfursulfur

oxygen oxygen ozone layer ozone layer water vaporwater vapor

mineralsmineralsamino acids amino acids heavy metalsheavy metalsradio nuclidesradio nuclides

Earth 4.5 –3 Billion Years Ago

Chemicals on the early Earth Chemicals on the early Earth interact spontaneously interact spontaneously inin reactions that reactions that take take

the path of least resistance, the path of least resistance, such as:such as:

Minerals dissolving in water.Minerals dissolving in water.

•• Rust forming from iron.Rust forming from iron.

•• Ozone created from lightning strikes.Ozone created from lightning strikes.

3 Billion to 3503 Billion to 350 Million Years AgoMillion Years Ago

•• Living systems arise harnessing solar, Living systems arise harnessing solar, chemical, and thermal energy.chemical, and thermal energy.

•• Complex chemical compounds (such as Complex chemical compounds (such as DNA, proteins, enzymes, etc.) are created, DNA, proteins, enzymes, etc.) are created,

•• Complex compounds give rise to Complex compounds give rise to biological systems such as bacteria, bluebiological systems such as bacteria, blue--green algae, amphibians, and insects.green algae, amphibians, and insects.

350 Million to 10,000 Years Ago350 Million to 10,000 Years Ago

•• Fibers (wood, cotton, silk, wool, etc)Fibers (wood, cotton, silk, wool, etc)

•• Fragrances / Flavors / Dyes / Medicines Fragrances / Flavors / Dyes / Medicines (flowers, leaves, seeds, bark, insects)(flowers, leaves, seeds, bark, insects)

•• Biological Toxins Biological Toxins (snakes, sea creatures, insects, plants)(snakes, sea creatures, insects, plants)

•• Crude oil / coal / natural gasCrude oil / coal / natural gas

BioBio-- and inorganicand inorganic--chemicals interact with each other, the environment, chemicals interact with each other, the environment, and living things in cycles such as the CARBON CYCLEand living things in cycles such as the CARBON CYCLE

……vuelta a las cenizas vuelta a las cenizas (madera ardiendo)(madera ardiendo)GLUCOSAGLUCOSA + OXIGENO + OXIGENO COCO2 2 + Agua + calor+ Agua + calor

GLUCOSAGLUCOSA + + OXIGENOOXIGENO COCO22 + Agua + luz solar+ Agua + luz solar

tras los arbolestras los arboles(fotosintesiss)(fotosintesiss)

La Biologia consigue hazaLa Biologia consigue hazaññas as asombrosas con las substancias asombrosas con las substancias ququíímicas, comomicas, como……

La concha de La concha de almejaalmeja

ChalkChalk

Both are made of Both are made of calcium carbonate, calcium carbonate, but Abalone isbut Abalone is……

•• Dos veces mDos veces máás fuerte que la cers fuerte que la ceráámica mica de alta tecnologde alta tecnologíía.a.

•• Se comporta como el metal a la Se comporta como el metal a la traccitraccióón.n.

•• CaCOCaCO33 discos hexagonalesdiscos hexagonales

•• Arranged in brickArranged in brick--wall motifwall motif

•• Protein Protein ““mortarmortar”” stretches, stretches, slides, or oozes upon stressslides, or oozes upon stress

Fuerza y resistencia del nFuerza y resistencia del náácar car debido a:debido a:

Nacre micrographNacre micrograph

How Abalone Do ItHow Abalone Do It

1.1. Marine water.Marine water.

2.2. ““MortarMortar”” proteins selfproteins self--assemble framework.assemble framework.

3.3. ““WallpaperWallpaper”” proteins selfproteins self--assemble on inner surfaces. assemble on inner surfaces.

4.4. Crystallization initiates Crystallization initiates ““brickbrick””formation from dissolved CaCOformation from dissolved CaCO33..

How Industry Makes CeramicsHow Industry Makes Ceramics

•• BEATBEAT…… clay to proper consistency.clay to proper consistency.

•• BAKEBAKE…… at high temperatures (2000 at high temperatures (2000 -- 3000 3000 OOf).f).

for prolonged periods (15 for prolonged periods (15 –– 50 Hours).50 Hours).

(Ceramics Industry Major Contributor To Global Warming)(Ceramics Industry Major Contributor To Global Warming)

Mussel Byssus

Components and CharacteristicsComponents and Characteristics

•• AdhesiveAdhesive: works underwater: works underwater

•• DiscDisc: hard, resists cracks/stress: hard, resists cracks/stress

•• ThreadThread: gradient, rigid to springy: gradient, rigid to springy

•• SealantSealant: tough, biodegradable: tough, biodegradable

How a Mussel How a Mussel Makes its ByssusMakes its Byssus

Adhesive and Disc:Adhesive and Disc:1.1. Proteins SecretedProteins Secreted2.2. Fold, Twist, CrosslinkFold, Twist, Crosslink3.3. Creates hard foam structureCreates hard foam structure

Thread and Sealant

1.1. Hollow Tube Hollow Tube

2.2. Thread Thread -- Strategic Protein ReleaseStrategic Protein Release-- CrossCross--Link Link -- SpringySpringy--Rigid Gradient Rigid Gradient

3.3. Sealant Sealant -- Protein ReleaseProtein Release-- SelfSelf--AssembleAssemble-- SealSeal

Potential Industrial Applications

�� AdhesiveAdhesive: No: No--blister paint; underboat coat; medical sutureblister paint; underboat coat; medical suture

�� DiscDisc: dental surface, coating: dental surface, coating

�� ThreadThread: prostheses tendon: prostheses tendon

�� SealantSealant: slow: slow--degradedegrade coat over fastcoat over fast--degrade materialdegrade material

HOW THE CHEMICAL INDUSTRY HOW THE CHEMICAL INDUSTRY MAKES ADHESIVES AND PLASTICSMAKES ADHESIVES AND PLASTICS

1.1. Reactive starting materials.Reactive starting materials.2.2. Potentially toxic Potentially toxic ““initiatorsinitiators””..3.3. Potentially toxic additives for: Potentially toxic additives for:

Flexibility / StiffnessFlexibility / StiffnessStrength Strength

ColorColorStability, etcStability, etc..

Gecko feetGecko feet

Synthetic Gecko tape: Synthetic Gecko tape:

Polyimide nanofibersPolyimide nanofibers

Mimic to:Mimic to:

• Generate an electric current.

• Split water to produce hydrogen gas.

• Drive solar-based manufacturing.

• Create a switch for super fast computing.

PhotosynthesisPhotosynthesis

Energy from ATP plus enzyme NADPH is used to build sugar molecules from carbon dioxide.

• Photons split water into oxygen and hydrogen.

• Oxygen gas released from cell.• Hydrogen stored at H+ ion.• Light-induced electron flow

sets up charge separation.• Charge separation

shuttles H+ ionsinto cell.

• H+ build-updrives ATPsynthase.

Artificial photosynthetic system

Las formas mLas formas máás comunes s comunes de generar electricidad son:de generar electricidad son:

•• CombustiCombustióón de fn de fóósilessiles

•• Reactores nuclearesReactores nucleares

•• Presas HidroelPresas Hidroelééctricasctricas

CaracterCaracteríísticas Comunes de la sticas Comunes de la QuQuíímica de la naturaleza. mica de la naturaleza.

•• AutonomaAutonoma

•• Rica en proteinasRica en proteinas

•• SolubleSoluble

•• No tNo tóóxica, sobrantes renobables.xica, sobrantes renobables.

•• Hierarchical Hierarchical ““bottombottom--upup”” structuresstructures

•• Productos Biodegradrables (Ciclicos) Productos Biodegradrables (Ciclicos)

•• Temperaturas y presiones ambientales.Temperaturas y presiones ambientales.

POTENCIAL ENORME SIN POTENCIAL ENORME SIN EXPLOTAREXPLOTAR

•• 270,000 Especies de plantas270,000 Especies de plantas

•• 100,000 Hongos / Liquenes100,000 Hongos / Liquenes

•• 80,000 Protozoos / Algas80,000 Protozoos / Algas

•• 75,000 Ara75,000 Araññas / Escorpionesas / Escorpiones

•• 70,000 Moluscos70,000 Moluscos

0

10

Stone Age (2M)

Bronze Age 3,

000 B

C

Iron Age 1

,000 BC

Middle Ages18th

C19th

C20th

C21s

t CSpace

Age

Bill

ions

(not to scale)

Production

Population

Pollution

Quality ofLife

TENDENCIAS GLOBALESTENDENCIAS GLOBALESExtrapolando las practicas y Extrapolando las practicas y

tecnologias actuales.tecnologias actuales.

0

10

Stone Age (

2M)

Bronze A

ge 3,00

0 BC

Iron Age 1

,000 B

CMiddle

Ages

18th C

19th C

20th C

21st

CSpa

ce Age

Bill

ions

(not to scale)

Production

Population

Pollution

Quality of Life

Stone Age ImpactSpace Age Society…TENDENCIAS GLOBALES

Utilizando la Química Verde y la Biomimetica

q u i m i c a v e r d e

Business

la quimicaverdeofrece

medioambiente en

impacto en los fetoshumanos

los productos

petro quimica y entramos

en grandes instalaciones

impacto para

los mtodos