A través de la catálisis heterogénea en busca de la sostenibilidad

2015/03/12 Agirrezabal Telleria, Iker - Bilboko Ingeniaritza Goi Eskola Teknikoa, Ingeniaritza Kimikoa eta Ingurumenaren Ingeniaritza Saila, UPV/EHU Iturria: Elhuyar aldizkaria

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XIX. y XX. La revolución industrial de los siglos XIX trajo consigo no sólo nuevos productos sino también cambios en los procesos de fabricación de los mismos. El hierro y el acero son los compuestos que más fuerza tomaron en esta revolución; sin embargo, el petróleo es la fuente que ha permitido transformar la gama de productos más amplia posible. La mayor parte del petróleo, refinado, como la gasolina, el gasóleo y el queroseno, se destina al mercado energético, mientras que gran parte se destina a la fabricación de lubricantes y asfaltos. La producción de plásticos es otra de las revoluciones relacionadas con el petróleo. Las propiedades principales de los plásticos son la adaptabilidad y la resistencia química, sobre todo teniendo en cuenta su bajo peso. ¿Pero qué factores o circunstancias hacen que el crudo se convierta en tantos productos?

La importancia de la catálisis

Sin duda, la naturaleza de un producto depende de sus antecedentes, es decir, de su estructura molecular. Uno de los ejemplos más claros son los polímeros, en los que los mismos monómeros unidos por filas pueden formar una estructura polimérica de una determinada longitud. Básicamente, la estructura química es la misma, pero como ya se ha comentado anteriormente, al convertirse en una cadena larga, estos polímeros adquieren propiedades adicionales. Además de las condiciones de reacción (temperatura, presión, flujos, etc.). ), la naturaleza del catalizador suele ser uno de los factores que determina la viabilidad de un producto. El término “catalisi” fue utilizado por primera vez por el investigador Berzelius en 1836. Sin embargo, la catálisis se utilizaba también en procesos de fermentación antiguos como la producción del vino. A pesar de que los usuarios de entonces no tenían conocimiento de este concepto, el compuesto que ayudaba a acelerar la fermentación y a obtener un determinado producto era un biocatalizador.

Los catalizadores se pueden clasificar en función de su naturaleza física y química. Los biocatalizadores son catalizadores de origen biológico (enzimas en general). También se utilizan industrialmente para la producción de alimentos (pan, Saccharomyces cerevisae) o combustibles (bioetanol procedente de la caña de azúcar en Brasil). La complejidad de las enzimas permite conducir reacciones más difíciles que en muchos procesos químicos. Sin embargo, teniendo en cuenta la demanda de consumo en los países occidentales, el principal inconveniente radica en la baja velocidad de producción o en la desaparición de principios activos, especialmente en comparación con los procesos termoquímicos.

Para que la velocidad de reacción sea lo más rápida posible, en las últimas décadas se han desarrollado muchos catalizadores de origen mineral como el ácido sulfúrico o el hidróxido sódico. Por último, cambiando la composición química de los catalizadores, además de acelerar la formación de los diferentes productos, se puede conseguir que el proceso se dirija a un determinado producto a un precio asequible. Uno de los ejemplos más claros de la catálisis química es la combustión del humo de los coches. De hecho, en la composición del humo de los coches se generan diversos compuestos de hidrocarburos y nitrogenados. Para reducir su grado de contaminación se suelen utilizar catalizadores químicos formados por diferentes metales, en la mayoría de los casos en forma sólida.

En la industria, por su parte, se utiliza una catalisis homogénea para elaborar la mayor parte de los compuestos. El contacto entre dos líquidos o dos gases permite una catálisis homogénea entre dos fases iguales. Por supuesto, los principales inconvenientes, además de tener una baja renovables, son los problemas derivados del proceso. La oxidación de la instalación y la separación del producto/catalizador provocan un aumento de los costes de todo el sistema y, en particular, la generación de muchas corrientes tóxicas tan contaminantes para el medio ambiente.

XXI. La revolución de la sostenibilidad dependiente: biomasa y catálisis heterogénea

La economía y el estilo de vida sostenibles se centran en la fuente de los productos actuales y en su proceso de elaboración. Sin embargo, nuestros sistemas de producción se basan principalmente en los orígenes fósiles: petróleo, gas natural o carbón. Por tanto, este sistema dificulta totalmente la ejecución sostenible de estos indicadores. Ante esta carencia, se ha realizado un estudio que combina la biomasa con la catálisis heterogénea como alternativa: Por un lado, una fuente renovable y, por otro, una vía adecuada para reducir la toxicidad de muchas corrientes.

El petróleo es la principal fuente actual y el objetivo de este trabajo es abrir nuevos caminos a la biomasa que genera la propia tierra. En cuanto a la definición, la biomasa es energía solar concentrada. Tras complejos procesos enzimáticos, almacena esta energía en forma de carbono. La fosilización ha conducido a la formación de petróleo y algunos compuestos a lo largo de millones de años (ver figura 1). El objetivo de esta investigación es aprovechar la biomasa “joven”.

Los expertos han identificado 30 compuestos principales procedentes de la biomasa. Entre ellos se encuentra el fural, eje de este estudio. El furfural se puede obtener en la actualidad mediante un proceso desarrollado industrialmente y se utiliza en la fabricación de diversas resinas, productos farmacéuticos y lubricantes. China es el principal productor. En este país, la falta de regulación causa enormes daños medioambientales. La principal fuente de problemas es el uso de catálisis homogéneas, en este caso ácido sulfúrico o ácido fosfórico. El estudio se centra en la síntesis de catálisis heterogéneas para la conversión de la biomasa en furfural.

El hecho de que un material sea heterogéneo significa que la fase principal en la que se produce la reacción y el catalizador se encuentran en diferentes estados, es decir, la reacción en fase líquida/gaseosa y el catalizador en fase sólida (Figura 2). En estos casos, la reacción sólo se produce en contacto con el catalizador. Los catalizadores heterogéneos pueden clasificarse, en la mayoría de los casos, en función de sus propiedades: modificando las propiedades físicas de todo el material (en la mayoría de los casos, el tamaño de los poros) y cambiando la naturaleza de los centros activos de la capa.

La esencia de la catálisis heterogénea consiste en clasificar las moléculas en función de su tamaño. Para ello se necesitan materiales de gran capa. Esto se consigue utilizando materiales porosos (tipo esponja). Tomemos como ejemplo el fural: en este caso partimos del azúcar llamado xilosa, que sufre una reacción de deshidratación para convertirlo en furfural. Por supuesto, para que se produzca la reacción, este azúcar debe llegar al punto de conversión. Para ello ha sido necesario diseñar una estructura porosa adecuada, teniendo en cuenta que la xilosa tiene un tamaño de 0,72 nm. Si los poros son demasiado grandes se pueden formar productos no deseados. Por otra parte, la optimización del tamaño del poro facilita notablemente la producción del furfural (ver segunda parte de la figura 3). Los resultados muestran que la variación de la temperatura de síntesis del material en 10 ºC produce cambios decisivos en las propiedades físicas. Uno de los principales resultados es la detección del tamaño poroso más adecuado de un catalizador ácido formado por silicio.

Con el fin de modificar periódicamente un único parámetro, la segunda parte del estudio ha abordado la modificación de las propiedades químicas de los materiales compuestos por magnesio y flúor. En base a materiales con propiedades físicas muy similares, se ha desarrollado un procedimiento de síntesis para modificar la cantidad y naturaleza de los centros químicos. En este caso se han encontrado diferentes vías para obtener el furfal. Los centros ácidos fuertes permiten el camino directo, mientras que los débiles definen la vía de reacción que se da a través de la formación de diferentes compuestos intermedios. Lógicamente, ambos casos han dado diferentes rendimientos de producto, y sobre todo se han identificado centros que han acelerado la velocidad de reacción. La cantidad de ambos centros ha variado entre 0 y 100% y los resultados han permitido sintetizar un catalizador que contiene una cantidad óptima.

Una de las ventajas de estos catalizadores heterogéneos es que facilitan la separación tras la reacción. Una vez realizadas estas reacciones en fase líquida, se ha conseguido filtrar y recuperar el catalizador sólido. Además, para evaluar la viabilidad de este proceso, se han reutilizado el catalizador obteniendo los mismos valores de rendimiento obtenidos anteriormente. De esta forma se ha conseguido evitar problemas de separación con catalisis homogéneas y diseñar un proceso más “verde”.

Tal y como ha concluido el trabajo, la catálisis y la tecnología desarrolladas pueden suponer la valoración de muchos procesos que hoy en día no son viables y alcanzar un nivel de sostenibilidad más elevado, además de ofrecer la posibilidad de seguir dando pasos que el medio ambiente nos agradecerá enormemente.

Referencias