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Ingeniería ambiental

Entre esponjas y detergente

Nuevos productos pueden remover el petróleo derramado en el mar

MARK RALSTON/AFPPetróleo en las aguas del Golfo de MéxicoMARK RALSTON/AFP

El derrame de petróleo en el mar es un problema de países como Brasil, que concentra gran parte de la explotación de crudo en el ambiente marino y con tráfico de buques petroleros entre los sitios de explotación y las terminales marítimas. Por eso no fue necesario que ocurriese el mayor accidente del género en el golfo de México, que empezó en abril de este año con la explosión y el hundimiento de una plataforma de British Petroleum (BP), y que resultó en el derrame de más de 4 millones de barriles de petróleo, detenido por completo recién en septiembre, para que investigadores brasileños profundizasen sus estudios sobre soluciones para este tipo de desastre ambiental. Al menos tres grupos presentaron recientemente los resultados de investigaciones que podrán transformarse pronto en productos destinados a descontaminar el océano. Los mismos aportan dos ventajas: la de ser biorremediadores -porque son menos tóxicos para el medio ambiente- y más baratos que los productos químicos utilizados actualmente. La primera tecnología es de un grupo de investigadores de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) compuesto por los profesores Rochel Lago, Flávia Moura y Maria Helena Araújo. Éstos desarrollaron un material capaz de absorber petróleo en accidentes ocurridos en agua o en tierra, denominado nanoesponja hidrofóbica, que repele el agua y tiene gran afinidad con compuestos orgánicos, como es el caso del petróleo.

El grupo fue sondeado recientemente por una empresa estadounidense interesada en utilizar el material en el golfo de México. Pero todavía serán necesarias algunas pruebas de laboratorio para que el producto pueda probarse en el mar. La investigación iniciada en 2005 por Flávia y Lago desembocó en el desarrollo de un material macroscópico granular elaborado con el mineral vermiculita con gránulos de entre tres y cinco milímetros de diámetro, recubiertos con una capa nanoestructurada que le confiere una coloración negra. Este mineral se utiliza desde hace muchos años, y es comercializado por diversas empresas del mundo, incluso en Brasil, para absorber petróleo. En el experimento del grupo de la UFMG se le agrega carbono, lo que transforma a este mineral en un material con una mayor capacidad de absorción. “El carbono hace que la vermiculita tenga más afinidad por el petróleo que por el agua”, dice Maria Helena. El mineral aisladamente, de color claro, cuando se lo calienta adquiere el aspecto de una estructura plisada y liviana, parecida a una esponja que flota en el agua. El problema es que sin las nanoestructuras de carbono, absorbe más agua que crudo. Lo que los investigadores hicieron fue invertir esa característica mediante el uso de la nanotecnología.

Flávia explica que para producir las nanoesponjas hidrofóbicas, la vermiculita, luego de ser exfoliada, es sometida a un proceso de calentamiento controlado en un horno, con la introducción de una fuente de carbono, que puede ser etanol, gas natural o incluso glicerina, que actualmente es un subproducto de la fabricación del biodiesel. “Estas fuentes se descomponen en la superficie de la vermiculita formando carbono de diferentes formas, tales como nanotubos, filamentos, grafito o carbono amorfo”, explica. Este proceso altera las características de la vermiculita. “Luego de la deposición del carbono, el mineral pasa a absorber preferentemente el crudo”, explica el doctorando Aluir Purceno, integrante del grupo. “Su capacidad de absorción de hasta seis gramos de petróleo por gramo de material es superior a la de otros productos disponibles en el mercado.”

Y el producto tiene otras ventajas. “Brasil es uno de los mayores productores de vermiculita del mundo, y cuando se la compara a ésta con otros materiales, tiene un costo muy bajo”, dice Purceno. El carbono empleado para componer las nanoesponjas hidrofóbicas puede extraerse de fuentes abundantes y baratas, como la glicerina. “Además de emplearse para paliar los derrames de crudo, consume parte de la producción de glicerina, que podrá convertirse en un problema ambiental en los próximos años”, dice Miguel de Araújo Medeiros, docente de la Universidad Federal de Tocantins (UFT) que realizó su doctorado en el grupo.

Las nanoesponjas de vermiculita forman parte de una plataforma tecnológica del grupo de la UFMG que obtuvo en septiembre de este año el primer lugar en la etapa latinoamericana de la competencia internacional Idea to Product (“de la idea al producto”), organizada por la Universidad de Texas con sede en Austin, Estados Unidos, y en Brasil organizada por el Centro de Emprendedorismo y Nuevos Negocios de la Fundación Getúlio Vargas (FGV) de São Paulo. Los ganadores participarán en la etapa mundial en noviembre, en Estados Unidos. Éstos contaron con la colaboración de la empresa Verti Ecotecnologias, de Minas Gerais, que tiene como socio al profesor Lago y llevó a cabo el estudio de factibilidad técnica y económica del proyecto. “Presentamos una plataforma tecnológica que, además de la nanoesponja, está compuesta por un producto llamado nanoamphil que contiene nanopartículas de vermiculita, núcleos de hierro y nanoestructuras de carbono. Actúa como desemulsionante, una sustancia que separa el petróleo del agua del mar en las plataformas de explotación. Las nanopartículas mezcladas en el petróleo se adhieren a las gotas de agua. Cuando les acercamos un imán, las nanopartículas magnéticas de nanoamphil son atraídas por el campo del imán y provocan la unión de las gotas. Al cabo de pocos minutos se produce la completa separación del agua del petróleo”, dice Purceno.

UFMGVermiculita natural y a la derecha, con el carbonoUFMG

La tercera tecnología que compone la plataforma es un producto que extrae el azufre del petróleo en las refinerías. Este trabajo rindió cuatro artículos científicos y dos patentes. Los investigadores fueron financiados por la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Minas Gerais (Fapemig) y el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq). A través del Programa de Apoyo a la Investigación en Empresas (Pappe) del Ministerio de Ciencia y Tecnología, la empresa Vermiculita Isolantes Termoacústicos participó en la elaboración de las nanoesponjas de vermiculita. La empresa es productora de esa arcilla y se interesó en la asociación, suministrando el mineral y participando en el proceso de escalonamiento de la tecnología, el paso de la producción en laboratorio a una escala mayor.

Un detergente de bacteria
En el segundo grupo, en lugar de esponjas, investigadores de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), en asociación con el Centro de Investigación y Desarrollo (Cenpes) de Petrobras, desarrollaron un detergente biodegradable producido por una bacteria para su uso en derrames de petróleo. Denominada biosurfactante, esta sustancia reduce la tensión superficial del área fronteriza ubicada entre el agua y el crudo, y así facilita la mezcla de los líquidos y la posterior degradación del petróleo. Este estudio tuvo su inicio en 1999, cuando investigadores de la empresa y de la universidad aislaron una cepa, la PA1, de la bacteria Pseudomonas aeruginosa en aguas residuales de la explotación petrolífera de la región nordeste del país. Este microorganismo ya era conocido pues produce biosurfactante tipo ramnolípido, un detergente natural existente en los pozos petrolíferos, que ya se ha probado en accidentes ambientales en Estados Unidos. En 1989, en el derrame de crudo del buque petrolero Exxon Valdez, en el mar de Alaska, se usó un biosurfactante de P. aeruginosa con buenos resultados, un producto desarrollado por el Centro de Ingeniería y Desarrollo del Campo de Pruebas de Aberdeen del Ejército estadounidense, en colaboración con la Universidad de Illinois. Pero el producto desarrollado con otra cepa no llegó al mercado porque nadie logró producirlo en gran escala, en biorreactores de gran porte. Esta especie de pseudomonas transforma naturalmente fuentes de carbono, como el petróleo, del cual se alimentan, en un detergente biodegradable. El reto de los investigadores consistía en hacer que esos microorganismos produjeran el biosurfactante en escala industrial. Los estudios empezaron por iniciativa de las investigadoras Denise Freire, del Instituto de Química de la UFRJ, y Lídia Santa Anna, de Petrobras.

Denise y el profesor Cristiano Borges, del Programa de Ingeniería Química del Instituto de Posgrado e Investigación en Ingeniería (Coppe) de la UFRJ, dirigieron la tesis doctoral de Frederico Kronemberger, desarrollada entre 2002 y 2007, que tuvo como tema la factibilidad de la producción de esos biosurfactantes en biorreactores. “Desarrollamos un innovador sistema de oxigenación con el uso de membranas poliméricas”, comenta Kronemberger. Hasta ese entonces, el suministro de oxígeno en esos biorreactores -esencial para el crecimiento de las bacterias y para la producción de los biosurfactantes- se hacía mediante inyección de aire, lo que hacía inviable la producción.

Pese al avance, la producción en biorreatores en escala de laboratorio aún no hacía factible la realización de ensayos de aplicación de biosurfactantes en campo. “Con la asociación y el financiamiento de Petrobras, iniciamos el proyecto para el desarrollo de una unidad en escala piloto destinada a la producción de biosurfactantes, con un biorreactor de 200 litros”, dice Kronemberger. “En julio de 2009 se inauguró dicha unidad. Desde entonces se realizan ensayos de producción”. Los investigadores están acumulando el material para transferírselo al Cenpes, que se encargará de hacer los ensayos en el mar. Este trabajo resultó en tres artículos científicos y una patente.

Microesferas de quitosana
Las bacterias también son las principales proveedoras de biosurfactantes en el marco de un proyecto del Parque de Desarrollo Tecnológico (Padetec) de la Universidad Federal de Ceará (UFC). Esta investigación, que contó también con la colaboración investigadores de las universidades federales de Pernambuco y Bahía, desarrolló bajo la coordinación de la profesora Vânia Melo, de la UFC, microesferas de quitosana con células de la bacteria Bacillus subtilis capaces también de absorber y alimentarse de petróleo. La quitosana, un polímero natural, se extrae principalmente del exoesqueleto (caparazón) y de la cabeza de los camarones, descartados por la industria de cría de esos crustáceos. Es un material que ya se utilizaba para absorber crudo, incluso en Estados Unidos. La innovación del grupo consistió en juntar la quitosana y la bacteria también usada para producir biosurfactantes. Esta novedad hizo que el grupo se convirtiese en uno de los ganadores del Premio Inventor 2009 de Petrobras. “Ahora estamos desarrollando un aparato destinado a producir esas microesferas de tres milímetros de diámetro”, dice el profesor Afrânio Craveiro, director presidente del Padetec y uno de los inventores de las microesferas. El grupo pretende ahora generar unos 300 kilos, y en forma de spray, realizar ensayos en el mar y en lagunas. “Éste no es un producto para grandes áreas como el golfo de México, sino para contaminaciones mucho menores”. La empresa que pretende fabricar este producto es Polymar, que fue incubada en el Padetec y actualmente fabrica quitosana para su uso como suplemento alimentario. “Polymar tiene la prioridad, pero existen otras empresas interesadas”, dice Craveiro.

Artículos científicos
MEDEIROS, M.A. et al. Modification of vermiculite by polymerization and carbonization of glycerol to produce highly efficient materials for oil removal. Applied Clay Science. v. 45, n. 4, p. 213-19. ago. 2009.
KRONEMBERGER, F.A et al. Oxygen-controlled biosurfactant production in a bench scale bioreactor. Applied Biochemistry and Biotechnology. v. 147, p. 33-45. mar. 2008.
BARRETO, R.V.G. et al. New approach for petroleum hydrocarbon degradation using bacterial spores entrapped in chitosan beads. Bioresource Technology. v. 101, n. 7, p. 2.121-25. abr. 2009.

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