Catálisis: la clave del éxito de los procesos químicos

Un caño de escape de un auto y un jabón en polvo son objetos que a simple vista no tienen nada en común. Sin embargo, ambos contienen en su interior sustancias que aceleran la velocidad de una reacción química sin cambiar el producto final, conocidas con el nombre de catalizadores. Desde los antiguos alquimistas hasta la actualidad fueron ampliamente estudiadas las mezclas de productos que aumentan la eficacia en los nuevos compuestos que se producen a partir de ellos. Hoy en día, más del 80 por ciento de los productos industriales que consumimos a diario son elaborados mediante catálisis.

“Muchos procesos de producción de bienes incluyen al menos un proceso catalítico, que se basa en incluir en la reacción un material ajeno a ella que se llama catalizador. Nuestro grupo trabaja en catálisis convencional y biológica. Hay catalizadores convencionales como los metales, óxidos y sulfuros de elementos metálicos y semimetálicos y hay otros biológicos como las enzimas”, explica Daniel Damiani, investigador principal del CONICET en la Planta Piloto de Ingeniería Química (PLAPIQUI, CONICET-UNS) y director del Área de Catálisis de la Planta.

Damiani aclara que desde el grupo de investigación plantean un enfoque integrado, tanto desde el punto de vista de la ingeniería como desde la fisicoquímica, para tratar de no sólo analizar nuevos catalizadores. También revalúan procesos ya establecidos en búsqueda de nuevos catalizadores, con una mirada de química sustentable que demande menos energía e intensifique procesos para poder reducir costos y simplificar pasos, a la vez que se obtienen productos de mayor calidad.

“En general siempre se pueden mejorar los procesos buscando que sean continuos, es decir que la producción funcione en forma permanente sin detenciones. Muchos de los procesos asociados a la bioquímica son discontinuos y se suele perder el catalizador porque hay que filtrarlo. Con un nuevo diseño se evitaría este paso y se podría recuperar el catalizador. De esta manera minimizaríamos los costos de disposición final porque los catalizadores convencionales en general son metales pesados y no es fácil disponer de ellos. Se buscan mejoras frente al problema de sustentabilidad en el tiempo para reducir energía, pasos e impacto ambiental”, agrega el investigador.

En este sentido, Damiani destaca el trabajo de María Luján Ferreira, investigadora principal del CONICET en PLAPIQUI, quien trabaja en catálisis biológica, donde las reacciones químicas son catalizadas por proteínas llamadas enzimas. Éstas trabajan a temperaturas de organismos vivos y son muy selectivas, es decir que actúan sobre una sustancia específica, lo que evita los problemas de separar productos diferentes entre sí y del catalizador en la mezcla final.

“Las enzimas son interesantes porque se podrían emplear en procesos industriales, permiten trabajar a baja temperatura lo que reduciría costos energéticos y de separación. Esta catálisis tiene un futuro espectacular pero hay muchos problemas por resolver, como inmovilizar las enzimas para poder usarlas como hacemos con los catalizadores comunes y ponerlas en un soporte”, aclara Ferreira.

La investigadora explica que las enzimas suelen comprarse a empresas internacionales y son caras. Sus estudios consisten en la inmovilización para estabilizarlas, reutilizarlas y que funcionen, si es posible, mejor que cuando no están sobre un soporte. “En catálisis enzimática, la premisa es encontrar un nicho para poder hacer sustitución de importaciones. Nosotros nos encargamos de inmovilizar las enzimas, va a haber gente que se va a tener que dedicar a hacer lo que sería el crecimiento de un hongo o bacteria de donde se extraen”, dice.

Sin embargo, Ferreira advierte que si bien las enzimas tienen muchas ventajas tienen problemas asociados como que no funcionan por encima de los 90ºC. “Lo que se ahorra por un lado se encarece por otro. Entonces las enzimas muchas veces son interesantes como parámetro de referencia para ver cosas parecidas a ellas, como miméticos o biomiméticos. A éstos los podés poner a una temperatura mayor y resisten, o sea no dejan de funcionar como catalizadores”, dice.
Catálisis en la industria oleoquímica

El equipo de PLAPIQUI estudia este proceso para aplicarlo en la transformación de aceites vegetales para la producción de sustancias para la elaboración de biocombustibles, alimentos y cosméticos, entre otros productos.

“Usamos catálisis heterogénea y enzimática para aumentar el valor agregado de productos hechos a partir de aceite. Trabajamos en la modificación del proceso de hidrogenación de aceite para abaratar costos y buscamos mejorar el proceso de producción de biodiésel”, agrega Gabriela Tonetto, investigadora independiente del CONICET en PLAPIQUI.

La investigadora explica que las biorrefinerías utilizan catalizadores muy corrosivos y de bajo costo como el metóxido de sodio, por lo que estudian su reemplazo con compuestos menos agresivos como las sales de zinc.

En cuanto a la producción de aceites hidrogenados, en la industria se suele utilizar níquel como catalizador, en forma de un polvo muy fino. Una vez que se obtiene el producto a partir del proceso de hidrogenación, hay que filtrarlo en caliente. Un gran porcentaje del costo de producción de esa grasa corresponde a ese procedimiento. “Para solucionar este problema estudiamos catalizadores estructurados. Al catalizador lo depositamos en una estructura tipo panal de abeja, que también actúa como agitador del reactor. Eso permite la fácil separación del producto evitando la etapa de filtrado y hace el proceso económicamente más rentable”, aclara Tonetto.

Por su parte, Damiani sostiene que los avances en el proceso de hidrogenación de aceite son extrapolables a cualquier reacción de la misma familia, en la que el catalizador es un polvo muy fino que hay que separarlo por filtración.

Finalmente, Tonetto comenta que en conjunto con Ferreira estudian la elaboración de triglicéridos estructurados a partir de glicerol. Modifican los componentes de la estructura del aceite común para que puedan ser utilizados para complejos nutricionales y dietas hipolipídicas.

“Desde la parte de catalizadores heterogéneos trabajamos con óxidos sólidos muy económicos que también se pueden filtrar, no son corrosivos y a su vez lo estamos haciendo con catálisis enzimática que tiene la gran ventaja de que permite obtener un producto selectivo. Es interesante porque partir de algo barato, obtenemos algo muy caro como un aceite con funciones especiales”, concluye.