Aquest article ha estat escrit originalment en castellà. L'hem traduït automàticament per a la vostra comoditat. Tot i que hem fet esforços raonables per a aconseguir una traducció precisa, cap traducció automática és perfecta ni tampoc pretén substituir-ne una d'humana. El text original de l'article en castellà podeu veure'l a Ecomateriales: una producción medioambientalmente benigna

Intermedis de química fina i materials renovables a partir de residus agroindustriales

Ecomateriales: una producció mediambientalment benigna

María Ángeles Martín-Luengo, científica titular del Departament de Noves Arquitectures, Institut de Ciència de Materials de Madrid, CSIC27/06/2011

27 de juny de 2011

En el nostre grup estem treballant per convertir residus agroindustriales en intermedis de química fina i materials amb usos diversos, amb el que donem valor afegit a residus i disminuïm la contaminació que produeixen. Es presentaran, entre uns altres, dades d'obtenció de p-cimeno i hidrogen renovables, a partir de deixalles de producció de sucs i preparació de materials aptes per a enginyeria de teixits.

Altres autors: M. Iots (2), M. Ramos (3), J. L. Salgado (4), R. M. Martín Aranda (5), F. Plou (2), J. López Sanz (5), R. Lozano Pirrongelli (1,2), I. Sáez Rojo (1,2), D. Horta Arribas (1,2), I. Alonso (1,2,3), L. González Gil (1,5), A. M. Martínez Serrano (1,3) i I. Ruiz-Hitzky (1).

1. Departament de Noves Arquitectures, Institut de Ciència de Materials de Madrid, CSIC
2. Departament d'Enginyeria de Processos, Departament de Biocatálisis Aplicada, Institut de Catàlisi, CSIC,
3. Laboratori de Biologia Cel·lular Humana, Departament de Biologia Molecular i Centre de Biologia Molecular Sever Ochoa, UAM.-CSIC. Campus Cantoblanco, Madrid
4. Comitè Tècnic de l'Aizce, Associació Interprofessional de Sucs i Concentrats de Cítrics
5. Departament Química Inorgànica i Química Tècnica, Universitat Nacional d'Educació a Distància

Segons el resum realitzat per 1.360 experts de 95 països per el ‘Millenium Ecosystem Assesment’, durant els últims 50 anys els éssers humans hem canviat els ecosistemes més ràpida i extensament que en qualsevol període comparable en la història de la humanitat. Des de la revolució industrial s'ha aconseguit un desenvolupament sense precedents, principalment dels països industrialitzats, però això també ha donat lloc a una contaminació amb limitis difícils d'imaginar, encara que en major o menor grau sempre ha existit una consciència de la necessitat de disminuir l'impacte ambiental i la despesa energètica dels processos industrials, amb una forta base en els derivats de petroli, per exemple mitjançant el disseny de processos catalítics (1,2).

Un interessant cas és el procés Fischer-Tropsch d'obtenció d'hidrocarburs i alcohols per a ús en combustibles (Figura 1), que a partir de gas de síntesi (CO i hidrogen) va ser patentat en 1925 i va adquirir especial importància després de les crisis del petroli en 1973 i 1980 (3).

Figura 1. Esquema del procés Fischer-Tropsch.

Més encara, la situació actual d'escassetat progressiva de reserves petrolíferes impulsa la recerca de fonts renovables de materials i energia, obtenint-se el gas de síntesi derivat de biomassa residual per pirolisis, la qual cosa converteix a aquests combustibles així obtinguts en renovables i de CO₂ zero (4).

A la fi del segle XX es va encunyar el terme ‘Química Verd’ (o sostenible), basat en la necessitat implacable de substituir processos químics tradicionals que utilitzen matèries primeres no renovables (derivats de petroli) i/o tòxiques, per processos nets amb matèries primeres renovables i mètodes d'activació que optimitzin la despesa energètica, aconseguint així una reducció dràstica de la contaminació ambiental i l'impacte negatiu sobre la salut, doncs com és ben sabut les solucions a problemes de contaminació mediambiental són crucials per aconseguir un desenvolupament sostenible (5).

Referent a la despesa energètica i la seva influència sobre la sostenibilitat, sens dubte la utilització d'energies renovables, especialment la solar, és un punt important en la carrera per la sostenibilitat, principalment en països com Espanya, gràcies a la bondat del nostre clima mediterrani (6). Recentment, el nostre grup ha treballat en la disminució de la despesa energètica i econòmic de reaccions de síntesis de substàncies d'interès farmacèutic (Figura 2), comparant energies alternatives (dielèctrica, sónica i fotònica) amb l'escalfament convencional (7).

Figura 2. Reacció de condensació de Knoevenagel estudiada amb diferents tipus d'activació.

Referent als materials, una interessant filosofia relacionada amb aquest tema és la denominada ‘del bressol al bressol’, sobre la necessitat de tot procés industrial de donar sortida a les deixalles que produeix, utilitzant-los com a font de matèries primeres de baix preu (8). En relació amb això, la indústria agroalimentària espanyola disposa de gran quantitat de collites, que lògicament donen lloc a una enorme quantitat de residus, amb el consegüent problema mediambiental i el cost afegit del seu tractament. No obstant això aquests residus, de baix o nul valor, poden ser considerats com a font renovable de matèries primeres, per la qual cosa en aquest moment mundialment s'està recolzant la seva utilització amb un triple vessant: la de disminuir la contaminació que produeixen, convertir-los en substàncies de valor afegit i per descomptat, quan és possible, en materials de partida renovables (9).

Encara que la reutilització de residus ha estat un continu en la història de la humanitat, en l'actualitat el coneixement acumulat, permet l'adaptació dels processos i els temes a la problemàtica actual. Així, es reconeixen aquests processos de valorització com una solució de gran interès mediambiental, ja que presenta avantatges tant a curt, com a mitjà i llarg termini. A curt termini, es redueixen i reciclen i s'ajusta la tecnologia existent per a l'àrea en qüestió, aconseguint-se una reducció d'emissions i risc.

A mitjà termini es desenvolupen nous i eficients processos de producció, es dóna valor afegit a subproductes i s'adquireix una major responsabilitat mediambiental i uns avantatges competitius. A llarg termini s'aconsegueixen objectius i productes innovadors i més nets i una producció mediambientalment benigna. Idealment les indústries arribaran a poder reutilitzar les seves deixalles com a matèria primera per als seus propis processos o d'unes altres, disminuint les despeses energètiques, econòmics i mediambientals, sent la utilització de residus agroindustriales per donar-los un valor afegit un tema de la màxima importància en l'actualitat (10).

Un altre dels processos abordats fins al moment ha estat la utilització d'escalfament dielèctric per a la descomposició de substàncies tòxiques clorades (per exemple, l'insecticida Lindano o gamma hexaclorociclohexano, Figura 3), font important de contaminació persistent, evitant, mitjançant una delicada selecció de les condicions de tractament, la formació de dioxines (molt més tòxiques que el contaminant original) que es produeixen quan es cremen els sòlids que contenen aquests tòxics utilitzant les elevades temperatures necessàries per descompondre'ls mitjançant escalfament convencional (11).

Figura 3. Productes de descomposició de Lindano (PCCH: pnetaclorociclohexeno, TCCHD: tetraclorociclohexadieno, TCB: triclorobenceno).

També s'ha aconseguit obtenir catecol i hidroquinona a partir de fenol (Figura 4), en fase aquosa i amb H2O2, oxidant “verd” per excel·lència, evitant les substancies oxidants altament toxicas que s'empren en la síntesi convencional, en un procés amb un impacte mediambiental molt baix comparat amb l'utilitzat convencionalment per preparar aquestes substàncies (12). Tant el catecol com la hidroquinona tenen en si mateixos interessants propietats antioxidants o pesticides, a més de ser precursors de sensors, productes polimèrics i una àmplia gamma de substàncies d'interès farmacològic, activitat antibacteriana, antifúngica i anticáncer.

Figura 4. Fenol i productes d'hidroxilación en aigua amb aigua oxigenada.

Dins de l'ús de materials de partida renovables líquids, s'ha estudiat la valorització de subproductes de la indústria de cítrics, de la qual Espanya és el tercer país productor al món (13). Per exemple (Figura 5), s'ha obtingut p-cimeno i hidrogen renovables i sostenibles a partir de limoneno (14), un subproducte de baix cost i toxicitat, evitant la seva síntesi convencional a partir de derivats de petroli tòxics i no renovables (benzè o tolueno), que utilitza catalitzadors de pal·ladi o platí i elevades pressions d'hidrogen. En la modificació introduïda s'han preparat catalitzadors de ferro (de menor toxicitat que pal·ladi o platí) i s'han reduït dràsticament els temps de reacció, obtenint excel·lents selectivitats i conversions i convertint aquesta transformació en un procés molt més net i econòmic.

Figura 5. Limoneno i p-cimeno (producte d'aromatización controlada).

Aprofundint encara més, s'han dissenyat catalitzadors de procedència renovable preparats a partir de deixalles d'indústria d'arròs, per usar-los en l'obtenció de carvona i carveol (Figura 6), substàncies de valor afegit i importants intermedis en processos de química fina, com per exemple substàncies farmacèutiques (Figura 7).

Figura 6. Fórmules de carvona i carveol, productes de reacció sostenibles, donat el desenvolupament dels catalitzadors, procés i materials de partida.

Figura 7. Drogues anticáncer derivades de carvona i limoneno (15).

Els residus agrícoles s'han convertit així en sòlids que poden ser considerats ecomateriales, això és, materials valuosos preparats a partir de substàncies nacionals (16). En l'actualitat s'estan desenvolupant biomaterials aptes per a creixement cel·lular utilitzant deixalles d'indústries de preparació de begudes alcohòliques (17).

Sobre l'autora

María Ángeles Martín-Luengo és científica titular del departament de Noves Arquitectures en Química de Materials de l'Institut de Ciència de Materials de Madrid del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC).En l'actualitat, la llicenciada en Químiques per la Universitat Autònoma aneu i doctora per la Universitat Complutense de Madrid, treballa en líneas d'investigació relacionades amb la química sostenible, els riales, la valorització de residus agroalimentaris, la nería, aplicacions avançades, així com en adsorció, reactividad, caracterització de sòlids i textura.

Bibliografia

1. M. A. Martín Luengo, J. M. D. Tascón, J. L. García Fierro, J.A. Pallers i L. González Tejuca. Journal of Catalysis 71 (1981) 201-205.
2. M. A. Martín Luengo, J.A. Pallers i L.G. Tejuca. Reac. Kinet. Catal. Let. 31 (1986) 1-8.
3. P.A. Sermon, M. A. Martín-Luengo, I. Wang. Studies in Surface Science and Catalysis, 75 (1993) 2773-2776.
4. P. Luckow, M. A. Wise, J.J. Dooley, S.H. Kim, International Journal of Greenhouse Gas Control 4 (2010) 865-877.
5. P.T. Anastas, J.B. Zimmerman, Sustainability Sci. and Engineering, 1 (2006) 11-32.
6. A. Vidal and M. A. Martín-Luengo, Appl. Catal. B: Env. 32 (2001) 1-9.
7. ‘Catàlisi bàsica sobre suports minerals: Una contribució a la Química Verda’. I. Perozo Rondón 2008, Tesi doctoral Dir. B. Casal, R. M. Martin Aranda i M. A. Martin Luengo. J. López-Sanz, I. Perozo-Rondón, I. Pérez-Mayoral, R. M. Martín-Aranda, B. Casal and M. A. Martín-Luengo ABC-6 World Congress on Catalysis. Genova, maig 2009.
8. M. Braungart and W. McDonough (2005) ‘Cradle to cradle’, McGraw-Hill.
9. International Biomass valorisation Congress, 20-22 abril 2010, Amsterdam.
10. G. Laufenberg, B. Kunz and M. Nystroem, Transformation of vegetable waste into value added products. Bioresource Technology 87 (2003) 167–198.
11. R. Salvador, B. Casal, M. Iots, M. A. Martín-Luengo, I. Ruiz-Hitzky Microwave decomposition of a chlorinated. Applied Clay Science, 22 (2002) 103-113.
12. S. Letaief, B. Casal, P. Aranda, M. A. Martín-Luengo, I. Ruiz-Hitzky. Applied Clay Science, 22 (2003) 263-277. I. Yamamoto, H. Kurihara, K. Miyashita, M. Hosokawa New Biotechnology, In Press, Corrected Proof, Available online 1 July 2010.
13. J. L. Salgado Comitè tècnic de l'AIZCE, Associació interprofessional de sucs i concentrats de cítrics d'Espanya.
14. M. A. Martín-Luengo, M. Iots, M. J. Martínez Domingo, B. Casal, M. Iglesias, M. Esteban, I. Ruiz-Hitzky, Appl. Catal. B: Env. 81 (2008) 218-225. M. A. Martin- Luengo, M. Iots, I. Sáez Rojo, D. Horta Arribas, D. Aguilar, I. Ruiz Hitzky Appl. Catal. A: Gen., In Press, Corrected Proof, Available online 17 August 2010.
15. Jiaojiao Chen, Min Dl., Yongkui Jing, Jinhua Dong Bioorganic & Medicinal Chemistry, 14 (2006) 6539-6547.
16. K. Halada. Progress of ecomaterials toward a sustainable society. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 7 (2003) 209-216.
17. Patent internacional. M. Iots, M. A. Martín-Luengo, M. B. Casal Piga. Preparació i usos de materials biocompatibles a partir de desfets: 200803331 8.11.2008 Entitat titular: CSIC.