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INGENIERÍA DE MATERIALES

Un filtro innovador en la agricultura

El vidrio reciclado y molido constituye la base de un compuesto utilizado en pruebas para remover residuos de agrotóxicos

EDUARDO CESARLa membrana tiene poros que miden entre 8 y 16 micrones de diámetroEDUARDO CESAR

Los emprendimientos rurales suman alrededor de 5,8 millones en Brasil, de los cuales 4,3 millones se basan en la agricultura de subsistencia. Éstos ejercen una enorme presión sobre la napa freática, debido a la existencia de fosas asépticas, chiqueros y mataderos, sin contar de que en de los grandes terrenos cultivados se depositan agrotóxicos en el suelo. En estos casos, el agua puede contaminar a los ríos y al subsuelo.

Con esta preocupación, Odílio Benedito Garrido de Assis, físico especializado en ingeniería de materiales de Embrapa Instrumentación Agropecuaria, empresa con sede en São Carlos (interior de São Paulo), acaba de concluir un proyecto que sienta las bases para el abaratamiento y la mejora de los procesos de filtraje de agua en el medio rural.

Assis comenzó el estudio mediante el análisis de datos que mostraban que, en los lugares contaminados, el agua tendría alrededor de 140 millones de partículas de contaminantes por metro cúbico (m3). Un problema para el cual los mejores sistemas convencionales de purificación consiguen remover entre un 90% y un 98%, explica Assis, índice bastante aceptable en términos mundiales.

Pero el camino que resta en esta empresa es arduo. Entre un 2% y un 10% de contaminantes permanece en el agua, y eso puede significar millones de partículas. Limpiar el agua en una franja situada entre un 50% y un 90% es relativamente fácil, dice Assis. A partir de allí, las mejoras de eficiencia empiezan a medirse en unidades cada vez más estrechas y también más caras. Con un 99,99% de filtraje eficiente, el número de partículas disminuye a 14 mil por m3. Y un grado aún mejor sería llegar a un 99,9999%, lo que dejaría al agua con 140 partículas por m3.

Mayor eficiencia
La anterior es una misión no cumplida hasta hoy, debido a la imposibilidad de retener algunos contaminantes del agua, los costos con el tratamiento pueden incrementarse un 400% para obtener una mejora mínima de eficiencia. “Cuando comenzamos a trabajar en el tema, en 1999, estábamos en busca de un sistema que hiciera posible tanto abaratar el filtraje como mejorar su eficiencia, principalmente para la remoción de residuos dejados por los agrotóxicos”, relata Assis.

Y así nació este proyecto. Para empezar, debía usarse un material de fácil acceso y bajo costo. Fue escogido el vidrio reciclado y molido, para funcionar como medio poroso. “Todos los otros materiales (cerámica, metales y polímeros) son más caros”, afirma Assis. Las botellas, recolectadas en lugares públicos, fueron rotas y molidas a una escala de 10 micrones – un micrón es la milésima parte del milímetro -, compactadas y sinterizadas, es decir: las partículas fueron reagrupadas por calentamiento, formando un nuevo material.

Las membranas resultantes adquirieron el formato de una pequeña galleta circular llena de poros de entre 0,6 y 4 milímetros de espesor por 3 ó 4 centímetros de diámetro. Los poros se encuentran dispuestos en intervalos de entre 8 y 16 micrones de diámetro.

Una nueva fase
Estas membranas constituyeron el material de la primera fase de pruebas, el filtraje mecánico, es decir, capaz de retener partículas mediante un obstáculo físico. “Toda partícula que fuera mayor que los poros sería retenida”, explica Assis. Pero las bacterias y los componentes químicos son generalmente menores que los poros de las membranas. Las primeras pruebas demostraron que debían hacerse nuevos arreglos. Se inició una nueva fase en un encuentro de Assis con el professor Sérgio Campana Filho, del departamento de Química y Físico-Química de Macromoléculas del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (USP) de São Carlos.

Desde 1993, Campana investiga compuestos químicos con potencial para establecer aleaciones con varios elementos, entre ellos metales pesados, residuos dejados por los agrotóxicos, e incluso radioisótopos. “Nada precisamente nuevo como idea, pero sí algo poco explotado en términos prácticos, pues se requiere mucho estudio y experimentación”, agrega Campana.

La unión de esas líneas de investigación fue lo que hizo que el trabajo se tornara innovador, con derecho a una presentación de sus resultados con Assis como disertante invitado en el taller Fronteras de la Ciencia de los Materiales, realizado en Trieste, Italia, el año pasado. Además, el trabajo ganó las páginas de publicaciones científicas internacionales. “Nuestro plan consistió en adicionar al filtro mecánico una función bioquímica, recubriendo la membrana de vidrio con films en los cuales hubiera elementos químicos que reaccionaran de manera específica con los contaminantes en un medio acuoso”, recuerda Campana.

Algunos de esos agentes testados fueron la lisozima, una enzima natural de origen animal que, en contacto con las bacterias, destruye la cubierta protectora de esos microorganismos. En la membrana de vidrio también pueden adicionarse algunos tipos de polisacáridos – cadenas de moléculas de azúcares – como la quitosana, un producto obtenido del procesamiento de la quitina, materia prima extraída de la cáscara de crustáceos, que reacciona fuertemente con metales pesados, y la carboximetilcelulosa, que cumple la función de solubilizar los componentes probados.

En una serie de experimentos realizados siempre a escala de laboratorio, los investigadores hicieron pasar agua contaminada con la bacteria Escherichia coli a través de una membrana procesada sin ningún recubrimiento. Después repitieron la operación, pero esta vez usando una membrana recubierta con lisozima. “Los resultados fueron impresionantes”, destaca Assis. “Las placas en las cuales las muestras fueron colectadas muestran dos extremos. Sin lisozima, el grado de permanencia de la bacteria se situó entre un 70% y un 92%. Con la enzima, los resultados también oscilaron, pero en uno de los experimentos, la tasa de eliminación fue cercana al 90%.”

Efectos residuales
Según Assis, los resultados más halagüeños se obtuvieron con la quitosana, que reaccionó, también en niveles bajos, a los agrotóxicos. “Esto fue muy importante para constatar la posibilidad de interacción con agrotóxicos”, dice Campana. Según Assis, el mayor problema es la funcionalidad de los agrotóxicos. Para mostrar resultados económicos, “son hechos para no reaccionar en presencia de elementos que los disuelven, por eso sus efectos residuales son tan poderosos”. En las pruebas realizadas en el marco del proyecto de membranas porosas, el grado de reacción a los poros, y la consecuente eliminación de los contaminantes, fue del orden del 12%, aquende de los índices esperados.

Pese a que este experimento mostró un bajo índice de eficiencia, los investigadores recargaron sus baterías, tanto en Embrapa Instrumentación Agropecuaria como en el Instituto de Química de la USP. Ellos tienen ahora nueve alumnos trabajando en investigaciones que complementan al proyecto inicial, tres en nivel de doctorado y seis de maestría. “Debemos observar nuevas reacciones, probar a escalas mayores”, dice Campana. Una idea es montar un filtro hecho solamente de quitosana en compartimentos.

“En los tests que hicimos aquí en la USP vimos que la quitosana tiene una gran capacidad de absorber bacterias. Debemos desarrollar formas para que, una vez montado ese filtro, formulemos soluciones para el mantenimiento de su formato, pues en contacto con un medio ácido la quitosana se deshace. Cuando logremos llegar a ese formato, podremos usar el filtro de quitosana centenas de veces, pues bastará con eliminar el stock de bacterias que el mismo es capaz de almacenar.”

Pulpa frágil
Para Assis, existe otro camino para sus estudios. Según el investigador, las membranas mostraron que, además de filtrar, funcionan también como sensores. Esto quiere decir que podrán indicar la presencia de elementos químicos indeseables en diversos medios, tales como alimentos que tengan masa permeable o pulpa en forma de masa, como los tomates y las fresas, debido a la interacción directa con los films activos inmovilizados sobre superficies vítreas. Entre estos agentes contaminantes se encuentran los compuestos organofosforados, que son cancerígenos.

El Proyecto
Desarrollo de Membranas Permoselectivas Bioactivadas para su Empleo en la Descontaminación de Aguas Contaminadas
Modalidad
Línea regular de auxilio a la investigación
Coordinador
Odílio Benedito Garrido de Assis – Embrapa
Inversión
R$ 40.199,76 y US$ 22.652,00

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