2024-10-03La importancia de las pruebas en planta piloto en la síntesis de polímeros
Aimplas |¿Por qué es complicado llevar un producto de I+D+i al mercado?Una problemática habitual en el campo de la I+D+i es lo que comúnmente se conoce como “El Valle de la Muerte”. Este concepto se refiere a la brecha crítica y peligrosa que existe entre la fase de investigación básica y la comercialización de un producto o tecnología. Este término destaca los desafíos y riesgos asociados a llevar una nueva tecnología desde el laboratorio hasta el mercado, desde los desarrollos más novedosos obtenidos por medio de la investigación básica en el laboratorio hasta la industrialización y entrada en el mercado de un producto final. Solamente cuando una nueva tecnología ha sido establecida y dispone de un modelo de negocio, es el momento en el cual la iniciativa privada estará interesada en invertir de manera importante para llevar dicha tecnología hacia su comercialización.
Figura 1: Gráfico relacionado a la disponibilidad de recursos con respecto al estadio de desarrollo de un material novedoso.
El mercado de los plásticos sigue creciendo con un tamaño mundial de 624 mil millones de dólares en 2023 y un CAGR de 3.4 %. En este mercado entran:
- Los plásticos sostenibles o bioplásticos (biopoliésteres, polímeros biodegradables o bio-basados), con un CAGR de 21.3 % y un mercado esperado de 20.9 mil millones de dólares en 2028.
- Los plásticos de altas prestaciones (como poliamidas, poliimidas o fluoropolimeros), con un CAGR del 9.5 % y un mercado de 59 mil millones de dólares para el 2032.
En los últimos años, tanto los bioplásticos como los plásticos de altas prestaciones han sufrido un fuerte impulso en I+D+i para obtener nuevos materiales más sostenibles o con mejores propiedades dentro de los muchos sectores de aplicación que pueda alcanzar el mundo de los plásticos.
En el caso de la obtención de polímeros novedosos, como polímeros con nuevas propiedades o polímeros obtenidos de fuentes no convencionales, para establecer las nuevas tecnologías obtenidas en el laboratorio es necesario, entre otros muchos factores, llevar a cabo un desarrollo a la escala de planta piloto. De esta manera, los desarrollos llevados a cabo en el laboratorio del orden de gramos o pocos kilogramos son estudiados a la escala multikilo en la planta piloto como paso previo a su fabricación industrial en el rango de las toneladas por año.
La investigación y el reciclado químico de los plásticos
El mercado del reciclaje químico está evolucionando rápidamente como un segmento crucial dentro del contexto más amplio de la gestión sostenible de residuos y las prácticas de economía circular. A diferencia del reciclaje mecánico, que produce una degradación de la calidad de los polímeros en cada ciclo de reciclado, el reciclaje químico descompone los residuos plásticos en sus unidades constituyentes (monómeros) u otros productos químicos valiosos, lo que permite la producción de materiales de alta calidad nuevamente, similares a los vírgenes.
El tamaño del mercado global de reciclaje químico de plásticos se estimó en 14,82 mil millones de dólares en 2023 y se espera que crezca a una tasa compuesta anual (CAGR) del 9,4 % desde 2024 hasta 2030. Este tipo de reciclado se enfoca especialmente en materiales como el tereftalato de polietileno (PET), los poliuretanos (PUR) y las poliamidas, como el nylon.
Este proceso es particularmente importante para abordar el creciente problema de la contaminación por plásticos y la escasez de recursos, y se divide en un primer proceso de ruptura del polímero a sus monómeros (despolimerización) y de un proceso de vuelta del monómero a polímero (repolimerización).
En particular, entre las diversas tecnologías de repolimerización de poliésteres, destaca el proceso de Polimerización en Estado Sólido (SSP, por sus siglas en inglés). Este es un proceso térmico aplicado después de la repolimerización inicial para aumentar el peso molecular de los polímeros mediante reacciones en estado sólido sin fundirlos. Para el PET y las poliamidas, la SSP es fundamental para mejorar su viscosidad intrínseca y propiedades mecánicas, haciendo que estos polímeros reciclados sean adecuados para aplicaciones de alto rendimiento, incluyendo envases de grado alimenticio y plásticos de ingeniería. La adopción de la SSP en el proceso de reciclaje no solo contribuye a reducir los residuos plásticos, sino que también apoya la creación de un sistema de ciclo cerrado, donde los materiales se reutilizan continuamente, minimizando la necesidad de materias primas vírgenes.
La importancia de la SSP en el futuro del reciclaje químico se destaca por su capacidad para producir polímeros reciclados de alta calidad que cumplen con estrictas normas regulatorias e industriales. A medida que la demanda global de materiales sostenibles aumenta, la SSP ofrece una solución viable para mejorar las propiedades de poliésteres como el PET y las poliamidas recicladas, expandiendo así su aplicabilidad e impulsando el crecimiento del mercado del reciclaje químico. Se espera que la integración de la SSP en las corrientes de reciclaje juegue un papel fundamental en el logro de los objetivos de sostenibilidad, fomentando la innovación en la ciencia de materiales y apoyando la transición hacia una economía más sostenible y circular.
AIMPLAS, guía en el Valle de la Muerte
Las capacidades de AIMPLAS a escala de planta piloto podrían ser, por lo tanto, un puente para cruzar este valle, es decir, la planta piloto de procesos químicos permitiría llevar a cabo el proceso en cuestión a una escala tal que impulsaría el paso de los resultados experimentales de laboratorio hasta un producto comercial, en el mejor de los casos. También puede ayudar en la comprobación de la factibilidad o no de llevar hasta la industrialización un determinado proceso de investigación básica.
Imagen. / Aimplas.
Reactores
Nuestras plantas piloto cuentan básicamente con dos tipos de reactores:
- Reactores de vidrio: Para llevar a cabo reacciones sin altos requerimientos de presión y temperatura, existe la posibilidad de emplear reactores fabricados con vidrio. Estos reactores de vidrio para la síntesis de polímeros tienen capacidades de entre 4 y 200 L. Estas vasijas de reacción se pueden calentar a temperaturas de hasta los 300 grados centígrados mediante el empleo de aceite térmico, ya que están encamisados. Además, permiten llevar a cabo procesos que requieren de atmósfera inerte o flujos de gases inertes.
- Reactores de acero: Para condiciones más estrictas de presión y temperatura, AIMPLAS tiene la posibilidad de emplear autoclaves de acero inoxidable del tipo AISI-316L. Este material tiene una gran compatibilidad química y resistencia a la corrosión. Contamos con reactores de este tipo de entre los 10 y los 100 L de capacidad. Estos reactores cuentan con agitadores mecánicos y calefacción eléctrica con la posibilidad de alcanzar temperaturas de hasta 300 ºC.
Estos autoclaves permiten llevar a cabo reacciones en condiciones de alto vacío y a presiones de hasta 50 bares. Esto, unido a la eficiente agitación y a la posibilidad de calentamiento a altas temperaturas, permite la obtención de polímeros de alto peso molecular y alta viscosidad, tales como poliésteres y poliamidas.
Reactores
Figura 2: Reactores de acero de 10, 20 y 100 L. / Aimplas
Adicionalmente, una vez que las reacciones de polimerización han tenido lugar, AIMPLAS cuenta con la posibilidad de descargar los polímeros obtenidos de los reactores en forma de hilo o filamento y obtener el polímero granulado completamente en línea, de forma que los materiales obtenidos estarían listos para su próximo uso, es decir, el material obtenido podría ser directamente empleado para alimentar una extrusora para preparar compuestos o incluso directamente para su procesado.
Con respecto a los procesos de polimerización en estado sólido (SSP), AIMPLAS cuenta en su planta piloto con equipos rotatorios que permiten llevar a cabo este proceso de manera eficiente para la mejora de las propiedades de poliésteres como el PET en lotes de hasta 30 kg, aproximadamente.
En AIMPLAS tenemos como misión aportar valor a las empresas del sector y a la sociedad. En este sentido, la síntesis de polímeros es un pilar clave en nuestra actividad y gracias a nuestras capacidades en el escalado a planta piloto proporcionamos a las empresas la posibilidad de optimizar los procesos de obtención de polímeros novedosos y sostenibles desarrollados a escala de laboratorio hacia su implementación industrial. En AIMPLAS apoyamos la I+D+i y el tejido empresarial valenciano y nacional en el reto de los procesos de descarbonización de la economía, del uso de hidrógeno y la catálisis.
Autores: Lodovico Agostinis y Rafael Alonso · Grupo de Síntesis AIMPLAS
AIMPLAS es el Instituto Tecnológico del Plástico ubicado en Valencia y está inscrito en el Registro de Centros Tecnológicos del Ministerio de Economía y Competitividad. Pertenece a la Federación Española de Centros Tecnológicos, FEDIT, y a la Red de Institutos Tecnológicos de la Comunitat Valenciana, REDIT.
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