Solventes verdes e catalisadores sustentáveis: A ciência em busca de soluções para a indústria química

Por Fábio Godoy Delolo*

“Nós precisamos transformar a maneira como fazemos quase tudo”, afirmou Bill Gates, o fundador da Microsoft, no livro How To Avoid a Climate Disaster.

A produção industrial, incluindo a indústria química, é responsável por quase um terço das emissões de gases do efeito estufa no mundo, o que torna evidente a necessidade de desenvolvermos processos e produtos que sejam eficientes e que, ao mesmo tempo, reduzam ou minimizem o impacto ambiental, sem deixar de atender às necessidades básicas da sociedade.

Para isso, a indústria vem buscando promover o desenvolvimento sustentável, e ainda aumentar sua atividade competitiva. Todo o processo de adaptação ou mudança radical da forma de concepção de um bem industrial passa, necessariamente, pelo investimento em Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (PD&I). Tanto no meio industrial como no acadêmico, as pesquisas têm focado no desenvolvimento de metodologias e processos que contemplem não apenas aspectos econômicos, mas também sociais e, principalmente, ambientais.

Muitas das transformações químicas que ocorrem a todo momento – sejam no nosso corpo, no ambiente ou nos processos industriais – dependem da utilização de catalisadores, que são substâncias que alteram a velocidade de uma reação química. Com o uso de catalisadores, os processos podem ser realizados com maior eficiência, diminuindo a quantidade de resíduos e, consequentemente, gerando benefícios tanto econômicos como ambientais.

Na indústria, a catálise é considerada uma ferramenta fundamental. Estima-se que cerca de 80% da produção industrial utiliza catalisadores em pelo menos em uma das etapas da produção. Em termos econômicos, isso representa 35% do PIB global.

Uma importante transformação química, de interesse para a sociedade, é a reação de hidroformilação, que é um dos processos catalisados utilizados pela indústria. Os produtos e derivados desta transformação estão presentes no dia a dia da sociedade e dificilmente deixarão de serem utilizados: produtos de limpeza (desinfetantes e detergentes), defensivos químicos, fertilizantes, herbicidas, cosméticos (protetores solares, cremes, perfumes e fragrâncias), lubrificantes e vários outros.

Estima-se que cada pessoa no planeta consuma cerca de 1 a 2 kg de produtos provenientes da hidroformilação por ano e que cerca de 7,5 kg do peso total de um carro advenha de produtos provenientes desse processo.

A hidroformilação utiliza solventes, que representam uma parte significativa de todo o material envolvido em uma transformação química. Em processos de química fina, como a produção de fármacos por exemplo, estima-se que cerca de 80 a 90% de toda massa utilizada no processo seja referente ao uso de solventes. Inventários do ciclo de vida mostram que o uso de solventes consome cerca de 60% da energia total usada para produzir um ingrediente farmacêutico ativo (IFA), que são responsáveis por 50% do total de emissões de gases de efeito estufa.

Para aumentar a sustentabilidade de um processo químico, portanto, é preciso voltar nossa atenção aos solventes presentes nas transformações químicas. A substituição dos solventes atualmente utilizados na indústria por alternativas sustentáveis é uma forma efetiva de reduzir não apenas o impacto ambiental gerado no processo, mas também de conferir um menor risco às pessoas expostas ao ambiente.

Esse foi um dos problemas que foquei em meu doutorado, em que analisei três estratégias para tornar o processo mais sustentável: o uso de solventes verdes, o desenvolvimento de processos one-pot e o uso de catalisadores de metais não nobres.

Primeiramente, comparei o desempenho do tolueno, solvente utilizado na maioria dos processos atuais de hidroformilação, com outros de melhor classificação de sustentabilidade, de acordo com guias de solventes. O anisol, um solvente biodegradável e de baixa toxicidade, foi o foco do trabalho. Na grande maioria dos casos avaliados, as reações em anisol foram mais rápidas, o que nos levou a concluir que ele é um solvente altamente recomendado para os processos de hidroformilação, em termos de desempenho do catalisador e sustentabilidade.

Baseado nesses resultados, foi desenvolvido um processo com múltiplas etapas em um único reator (denominado one-pot), o que permitiu a diminuição do número de etapas reacionais, da quantidade de resíduos gerados, bem como a redução dos custos de energia e dos processos operacionais. Esse processo foi utilizado para a valorização da matérias-primas biorrenováveis, gerando produtos com potencial aplicação na indústria de fragrâncias. O uso combinado das reações favorece a formação do produto de interesse, evitando a geração de resíduos e aumentando a produtividade.

Por fim, analisei o uso do cobalto, um metal não nobre, como catalisador. Atualmente, a maioria dos processos industriais que envolvem a reação de hidroformilação empregam ródio (Rh), embora o cobalto (Co) apresente um custo bem mais vantajoso: o preço do cobalto é de cerca de 0,01% do ródio. Estima-se que a perda de apenas 1 ppm (parte por milhão) de ródio em cada kg do produto usado numa planta industrial corresponde a uma perda financeira na ordem de milhões de euros.

Infelizmente, sistemas alternativos à base cobalto foram pouco investigados nas últimas décadas. O estudo conseguiu, pela primeira vez, realizar a hidroformilação de uma variedade de compostos utilizando cobalto como catalisador sob condições brandas (baixa temperatura e pressão).

Com as necessidades ambientais iminentes, fica evidente a necessidade de desenvolvermos e aprimorarmos os processos industriais relacionados a essa e outras transformações. As descobertas do estudo, ganhador do prêmio Capes de Teses em 2023, combinam eficiência catalítica e a sustentabilidade. Trata-se, por enquanto, de uma alternativa em escala laboratorial. Mas são os investimentos na ciência que tornam possível que, ao longo do tempo, as descobertas saiam dos laboratórios de pesquisa para se tornarem melhorias na vida das pessoas e do planeta.

*Fábio Godoy Delolo é pesquisador de pós-doutorado do Departamento de Química, , Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

Este texto é uma republicação do site The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original

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