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Q U I M I C A V E R D E

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Los 12 principios de LA QUÍMICA VERDE y la BIOMÍMICA

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  • 1. Química Verde / Biomímica Mark Dorfman DorfmanScience@gmail.com
  • 2. Common synthetic chemical-based products: Synthetic fabrics Fire retardants Detergents and cleaning chemicals Fuels Electronics Plastics and Adhesives, paints, chemicals synthetic rubber solvents, and coatings
  • 3. Meat processing hormones and antibiotics Agricultural insecticides and fertilizers Personal care products Pharmaceuticals Artificial flavors and fragrances
  • 4. No hay nada… como una COMIDA GRATIS
  • 5. Los productos no vienen a casa o al mercado sin un precio: • Exigencias de energía ntradas de materiles • Exposición a sustancias potencialmente tóxicas o … en cualquier punto a lo largo de la cadena de peligrosas… producción quimica
  • 6. La Cadena Comercial Química Un Fenomeno Artificial en gran parte Lineal en un Mundo Cíclico Natural
  • 7. Extración de materia prima • Petroleo • Carbón • Metales • Minerales
  • 8. Refino/Purificación • Combustibles • Tar gaseosos • BTX • Combustibles • Ethylene para motores • Metals • Calefacción • Minerals hogares • Gasolina • Diesel
  • 9. Sintesis / Formulaciones • Tejidos • Plasticos • Farmaceuticos • Pestizidas • Disolventes • Fertilizantes • Revestimientos • etc.
  • 10. Sintesis Quimica General Reaction Vessel Compound “A” Compound “B” This is “C” By-products Product just to cover
  • 11. Algunas materias primas requieren muchos procesos para llegar al producto final Cada proceso puede liberar sustancias potencialmente tóxicas o peligrasas.
  • 12. Consumo / Utilización del producto final • Medicine • Emergency Response • Food • Transportation • Clothing • Education • Construction • Electronics • Military • Media • Sanitation • Arts/Entertainment
  • 13. EMISIONES AL MEDIO AMBIENTE La siguientes diapositivas cuantifica las cantidades de sustancias potencialmente tóxicas y peligrosas liberadas al medio ambiente en un año solo. • Emisiones rutinarias (excluyen emisiones accidentales), • En grandes instalaciones de los EE.UU. • 650 of the 100,000+ sustancias quimicas destinadas al comercio, • Emisiones de fabricación (excluyen liberaciones de productos dentro de casas, oficinas, o vertederos).
  • 14. Emisiones al: • Aire ------------------------- 105,000,000 kg • Superficie del agua ------ 20,000,000 kg • Subterráneas -------------- 81,000,000 kg • Escomobros contaminantes ----- 2,000,000 kg • No contaminantes --------- 19,000,000 kg • “Otros” --------------------- 20,000,000 kg (currently 1,234 former manufacturing or waste sites placed on the US “Superfund” list due to severe contamination)
  • 15. Disposición y empleo de productos 100,000+ chemicals in commercial use. For 650 chemicals used in New Jersey: • 575 million kgs/yr of bioaccumulators, carcinogens, heavy metals, halo-organics ozone depleters, are shipped in products. • 741 million kgs/yr of all reported chemicals NOT intended as a product component end up in the final product.
  • 16. Impacto para la salud pública por la potencial exposición del medio ambiente a sustancias químicas comerciales. Efectos en gran parte desconocidos en la salud individual. Casi totalemente desconocidos en la salud colectiva.
  • 17. Cuadro resultante Impacto Global (agujero de ozono, cambio climatico, Hg por todo el mundo, contaminación). Aire contaminado Residuos quimicos en los rios. Alteraciónes hormonales encontradas en pescados, osos polares, caimanes, ranas, y otras especies de fauna.
  • 18. Impacto en los fetos humanos? La sangre de cordón umbilical contiene almizcles artificiales, alkylphenols, bisphenol-A, brominated la llama retardants, perfluorinated compuestos, phthalates, organochlorine pesticidas y triclosan. 100 + sustancias químicas comerciales en leche materna humana (contaminado para venta como alimento en EE UU).
  • 19. This 1940’s Mobil gas ad (as well as the “[Man] can following make quote) 1920s something illustrate the perspective new which is better of during most the 20th than that century anything and petroleum in nature or the chemical laboratory naturally could improve produced.” the world… (Slosson, …how ironic 1921) ad that the shows the earth coated with oil.
  • 20. Como salimos de la Edad Tecnologica de la Petro- Quimica… …y entramos en la Bio-Nano Tecnologia
  • 21. TENER CUIDADO! Nano-Bio-Tech Era: Petro-Chem-Tech Era: • 2.5 micra particulas afectan a la salud … • Tetra ethyl lead. … pero las microparticulas • DDT, PCBs, CFCs. son 1000 veces más pequeñas. • NOx, SOx, CO2. • Grano y pescado • Di-Ethyl-Stilbestrol geneticamente modificado (DES). para producir productos • Alteraciones farmacéuticos. endocrinas. • “Buckyballs” enter the brains of sportfish.
  • 22. HEMOS APRENDIDO LA LECCIÓN? Si es así, los 12 siguientes “PRINCIPIOS DE LA QUIÍMICA VERDE” ofrece la posibilidad de disfrutar de los frutos de una sociedad industrial reduciendo sus impactos sobre la salud pública y ambiental.
  • 23. Principio de Química Verde 1. Prevención: Es preferible evitar la producción de un residuo que tratar de limpiarlo una vez que se haya formado.
  • 24. Principio de Química Verde 2. Integración de materias: Los métodos de síntesis deberán diseñarse de manera que incorporen al máximo, en el producto final, todos los materiales usados durante el proceso.
  • 25. Principio de Química Verde 3. Síntesis menos peligrosa: Siempre que sea posible, los métodos de síntesis deberán diseñarse para utilizar y generar sustancias que tengan poca o ninguna toxicidad, tanto para el hombre como para el medio ambiente.
  • 26. Principio de Química Verde 4. Diseño seguro: Los productos químicos deberán ser diseñados de manera que mantengan su eficacia a la vez que reduzcan su toxicidad.
  • 27. Principio de Química Verde 5. Disolventes seguros: Se evitará, en lo posible, el uso de sustancias auxiliares (disolventes, reactivos de separación, etc.) y en el caso de que se utilicen que sean lo más inocuo posible.
  • 28. Principio de Química Verde 6. Eficiencia energética: Los requerimientos energéticos serán catalogados por su impacto medioambiental y económico, reduciéndose todo lo posible. Se intentará llevar a cabo los métodos de síntesis a temperatura y presión ambientes.
  • 29. Principio de Química Verde 7. Uso de materias primas renovables: La materia prima ha de ser preferiblemente renovable en vez de agotable, siempre que sea técnica y económicamente viable.
  • 30. Principio de Química Verde 8. Reducción de derivados: Se evitará en lo posible la formación de derivados (grupos de bloqueo, de protección/desprotección, modificación temporal de procesos físicos/químicos).
  • 31. Principio de Química Verde 9. Catálisis: Se emplearán catalizadores (lo más selectivos posible) en vez de reactivos estequiométricos.
  • 32. Principio de Química Verde 10. Degradación limpia: Los productos químicos se diseñarán de tal manera que al finalizar su función no persistan en el medio ambiento sino que se transformen en productos de degradación inocuos.
  • 33. Principio de Química Verde 11. Análisis continuo de contaminación: Las metodologías analíticas serán desarrolladas posteriormente para permitir una monitorización y control en tiempo real del proceso, previo a la formación de sustancias peligrosas.
  • 34. Principio de Química Verde 12. Seguridad intrínseca y prevención de accidentes: Se elegirán las sustancias empleadas en los procesos químicos de forma que se minimice el potencial de accidentes químicos, incluidas las emanaciones, explosiones e incendios.
  • 35. El gran público tiende a asumir que quot;las sustancias químicasquot; 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.
  • 36. La Evolución de Nuestro Planeta Químico
  • 37. The BIG BANG 14 Billion Years Ago
  • 38. ammonia carbon dioxide hydrogen nitrogen phosphorous sulfur oxygen ozone layer water vapor minerals amino acids heavy metals radio nuclides Earth 4.5 –3 Billion Years Ago
  • 39. Chemicals on the early Earth interact spontaneously in reactions that take the path of least resistance, such as: Minerals dissolving in water. • Rust forming from iron. • Ozone created from lightning strikes.
  • 40. 3 Billion to 350 Million Years Ago • Living systems arise harnessing solar, chemical, and thermal energy. • Complex chemical compounds (such as DNA, proteins, enzymes, etc.) are created, • Complex compounds give rise to biological systems such as bacteria, blue- green algae, amphibians, and insects.
  • 41. 350 Million to 10,000 Years Ago • Fibers (wood, cotton, silk, wool, etc) • Fragrances / Flavors / Dyes / Medicines (flowers, leaves, seeds, bark, insects) • Biological Toxins (snakes, sea creatures, insects, plants) • Crude oil / coal / natural gas
  • 42. Bio- and inorganic-chemicals interact with each other, the environment, and living things in cycles such as the CARBON CYCLE
  • 43. …vuelta a las cenizas (madera ardiendo) GLUCOSA + OXIGENO CO2 + Agua + calor La Biologia consigue hazañas asombrosas con las substancias químicas, como… GLUCOSA + OXIGENO CO2 + Agua + luz solar tras los arboles(fotosintesiss)
  • 44. Chalk Both are made of calcium carbonate, La concha de but Abalone is… almeja
  • 45. • Dos veces más fuerte que la cerámica de alta tecnología. • Se comporta como el metal a la tracción.
  • 46. Fuerza y resistencia del nácar debido a: • CaCO3 discos hexagonales • Arranged in brick-wall motif • Protein “mortar” stretches, slides, or oozes upon stress
  • 47. Nacre micrograph
  • 48. How Abalone Do It 1. Marine water. 2. “Mortar” proteins self- assemble framework. 3. “Wallpaper” proteins self- assemble on inner surfaces. 4. Crystallization initiates “brick” formation from dissolved CaCO3.
  • 49. How Industry Makes Ceramics • BEAT… clay to proper consistency. • BAKE… at high temperatures (2000 - 3000 Of). for prolonged periods (15 – 50 Hours). (Ceramics Industry Major Contributor To Global Warming)
  • 50. Mussel Byssus
  • 51. Components and Characteristics • Adhesive: works underwater • Disc: hard, resists cracks/stress • Thread: gradient, rigid to springy • Sealant: tough, biodegradable
  • 52. How a Mussel Makes its Byssus Adhesive and Disc: 1. Proteins Secreted 2. Fold, Twist, Crosslink 3. Creates hard foam structure
  • 53. Thread 1. Hollow Tube and 2. Thread Sealant - Strategic Protein Release - Cross-Link - Springy-Rigid Gradient 3. Sealant - Protein Release - Self-Assemble - Seal
  • 54. Potential Industrial Applications Adhesive: No-blister paint; underboat coat; medical suture Disc: dental surface, coating Thread: prostheses tendon Sealant: slow-degrade coat over fast-degrade material
  • 55. HOW THE CHEMICAL INDUSTRY MAKES ADHESIVES AND PLASTICS 1. Reactive starting materials. 2. Potentially toxic “initiators”. 3. Potentially toxic additives for: Flexibility / Stiffness Strength Color Stability, etc.
  • 56. Gecko feet
  • 57. Synthetic Gecko tape: Polyimide nanofibers
  • 58. Mimic Photosynthesis to: • Generate an electric current. • Split water to produce hydrogen gas. • Drive solar-based manufacturing. • Create a switch for super fast computing.
  • 59. 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 Artificial photosynthetic stored at H+ ion. system • Light-induced electron flow sets up charge separation. • Charge separation shuttles H+ ions into cell. • H+ build-up drives ATP synthase.
  • 60. Las formas más comunes de generar electricidad son: • Combustión de fósiles • Reactores nucleares • Presas Hidroeléctricas
  • 61. Características Comunes de la Química de la naturaleza. • Autonoma • Rica en proteinas • Soluble • No tóxica, sobrantes renobables. • Hierarchical “bottom-up” structures • Productos Biodegradrables (Ciclicos) • Temperaturas y presiones ambientales.
  • 62. POTENCIAL ENORME SIN EXPLOTAR • 270,000 Especies de plantas • 100,000 Hongos / Liquenes • 80,000 Protozoos / Algas • 75,000 Arañas / Escorpiones • 70,000 Moluscos
  • 63. TENDENCIAS GLOBALES Production 10 Extrapolando las practicas y tecnologias actuales. Population Billions Pollution 0 Quality of Life ac t C ge 19 C 20 C C ge 00 ) dl BC 18 s 1, BC 3, (2M ge th th th A Sp s A M 000 21 e Ag Age e 0 id nz ne Iro e ro to A S n e (not to scale) B
  • 64. Space Age GLOBALES Age Impact TENDENCIAS Stone 10 Society… Utilizando la Química Verde y la Biomimetica Production Population Billions Pollution 0 Quality of Life ) C s C C C e pa t C C Ir o e 3 2M ge Ag B ge 0 B th th th s ( A 0 18 19 20 21 ce ge 00 0 e ,0 dl 1, A id e S ro on M Ag A t S n e nz (not to scale) B

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