Producción de poliolefinas: experimentación de alta eficiencia (HTE)

El desarrollo de nuevos catalizadores que aporten un cambio disruptivo en la producción de poliolefinas, para darles mayor valor agregado o mejorar su procesamiento, no es una tarea fácil.

En los 55 años de historia de las poliolefinas, sólo se puede hablar de cinco generaciones de catalizadores propiamente reconocidas por la comunidad de la industria plástica, 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, desde incrementar la actividad catalítica, pasando por obtener propiedades a la medida de peso molecular y estereoregularidad, hasta por restricciones de afectación al ambiente, como es el caso del uso de ftalatos o cromo.

Una de las estrategias que las principales empresas productoras de poliolefinas han utilizado para acelerar sus procesos internos de investigación y desarrollo ha sido el uso de sistemas de experimentación de alta eficiencia (high throughput experimentation o HTE).

Estos sistemas permiten explorar un gran número de moléculas precursoras de los catalizadores y las condiciones de síntesis para generar complejos catalíticos que pueden ser evaluados en la polimerización, 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. 

Uno de los casos con mayor difusión, y que ha demostrado la efectividad de la HTE, es el desarrollo de las líneas Infuse™ e Intune™  de la empresa Dow. Esa tecnología está basada en el uso de catalizadores con intercambio de sitio activo (chain shuttling en inglés), los cuales 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 esa tecnología gracias al uso de sistemas experimentales bajo el concepto de HTE, lo 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 y afinar la investigación. Esta innovación, en conjunto con el descubrimiento científico del mecanismo de intercambio de sitios activos, le ha valido a Dow la generación de dos familias de productos comerciales, diversas patentes y haber publicado su descubrimiento en la revista Science. 

Otras empresas productoras de poliolefinas, como Borealis, Sabic y Lanxess, también han utilizado sistemas HTE en sus proyectos de I&DT+i, por lo que la oferta tecnológica de catalizadores para la síntesis de poliolefinas, y particularmente para polipropileno, ha crecido exponencialmente. Por citar un ejemplo, el proceso de catalizadores en emulsión de Borealis, conocido como Sirius. Así, el desarrollo acelerado de nuevos catalizadores ha permitido que el proceso de obtención de PP con propiedades controladas sea más rentable.

El desarrollo de sistemas HTE para aplicaciones de poliolefinas es relativamente reciente y son pocas las compañías que cuentan con tecnologías capaces de manejar este tipo de procesos de síntesis. La inversión inicial requerida para adquirir un sistema HTE puede ser elevada y sólo compañías con presupuestos de investigación consolidados y de montos significativos han tenido acceso a estas tecnologías. Sin embargo, existen modelos en los que las universidades y centros de investigación adquieren estos sistemas para hacerlos accesibles a las PYME’s a través de proyectos de desarrollo tecnológico.

Tal es el caso del laboratorio HTE de CIATEQ en Estado de México y de la Universidad de Nápoles en Italia. Sin embargo, debe resaltarse que a pesar de que la inversión inicial puede ser alta, a mediano y largo plazo el ahorro que se obtiene por la reducción en tiempos de investigación, materias primas, generación de residuos y disminución en los tiempos de respuesta hace que los sistemas HTE sean redituables en comparación con métodos de investigación convencionales.  

Desafortunadamente, en México la HTE sólo ha tenido impacto significativo en la industria 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 e innovación más afianzada. Los proyectos tecnológicos realizados usando HTE han sido o bien por una fuerte colaboración con empresas extranjeras o bien 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. Así, 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 implementando la HTE como parte importante de la forma como desarrollan nuevos productos y procesos.