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Nanoesferas y detalle en microscopía electrónica del catalizador CNK47 ideado en ItajubUNIFEIEl biodiesel, un producto de origen vegetal fabricado con plantas oleaginosas, principalmente la soja, está presente en el 3% del gasoil que se vende en las estaciones de servicio en Brasil y ubica al país en el tercer lugar mundial, con una producción de 557 mil metros cúbicos (m3) entre enero y julio de este año, atrás de Alemania y Estados Unidos. Pero el incremento de la producción no ha venido acompañado de una evolución tecnológica. Incluso en el exterior, el proceso de producción de biodiesel revela aún problemas para un biocombustible que teóricamente debería tener una producción más limpia y eficiente. Dos de esos problemas son el uso excesivo de agua en el proceso y la utilización de catalizadores tales como soda cáustica (NaOH) o hidróxido de potasio (KOH), sustancias usadas para acelerar la transformación del aceite vegetal en biocombustible. Los dos catalizadores son altamente contaminantes del suelo y del agua si no tienen un adecuado descarte. Problema que mereció la atención de dos estudios y, como solución, resultó en nuevos catalizadores. Los mismos pueden transformarse en una alternativa tecnológica a ese proceso, con lo cual la producción se tornará más eficiente y sostenible desde el punto vista ambiental.
En el Departamento de Física y Química de la Universidad Federal de Itajubá (Unifei), el profesor Alvaro Antonio Alencar de Queiroz y el alumno Rafael Silva Capaz, de la carrera de ingeniería ambiental, desarrollaron un catalizador inorgánico nanoestructurado alcalino llamado CNK47. Con él es posible hacer la catálisis en el proceso de producción de biodiesel reutilizando la sustancia en hasta cinco sesiones diferentes de producción, hasta llegar a la saturación. Al contrario que los catalizadores convencionales llamados homogéneos, el CNK47 es sólido y no se mezcla al producto. Puede reutilizárselo varias veces y no es necesario lavar el biodiesel para extraer los restos de catalizadores, tal como sucede en las situaciones convencionales. Con el uso de soda cáustica en la producción de biodiesel, es necesario gastar por ejemplo 500 litros de agua además de los mil litros producidos de biodiesel para que el producto final quede totalmente limpio. Al margen del peligro de contaminación, cualquier remanente de soda en el biocombustible puede convertirse en un fuerte corrosivo en los motores. Así, el cambio de catalizador puede llevar a un ahorro de millones de litros de agua. “El CNK47 está formado por nanoesferas y nanoporos de sílice con elevado contenido de potasio en forma de polvo”, dice el profesor Queiroz, del Instituto de Ciencias Exactas de la Unifei.
El nuevo catalizador va instalado en un reactor con una columna impregnada con el CNK47, en un sistema de flujo continuo en que el aceite mezclado al alcohol (en el proceso de transesterificación necesario para la producción de biodiesel), en este caso el metanol, pasa por el catalizador, que no se disuelve, antes de transformarse en biodiesel y glicerina, un subproducto de la fabricación del biodiesel (lea en Pesquisa FAPESP nº 149). La nanoestructura del producto, como cualquier otro material nanométrico — medida equivalente a una millonésima parte de un milímetro —, posee una gran área superficial, porque gran parte de las moléculas existentes en los nanoporos está en contacto en este caso con la mezcla de aceite y alcohol, facilitando así la reacción química.
Escala industrial
“Nuestro estudios se realizaron en laboratorio con aceite de soja y metanol (los ingredientes más utilizados en el país). Lo ideal ahora es hacer el experimento en proyectos piloto en escala industrial con cantidades mayores de los productos, lo que está a cargo de una empresa paulista. Ellos están realizando los ensayos desde septiembre de este año y, por contrato de reserva, nosotros no podemos divulgar el nombre de la empresa”, dice Queiroz. Luego de la confirmación de los resultados en escala industrial, la Unifei y la empresa solicitarán una patente de nivel internacional. El trabajo se tornó conocido al ocupar el primer lugar en la 16ª Edición del Premio de la Sociedad de Ingenieros de Ciencia y Tecnología de Minas Gerais en 2007.
Investigadores de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y de la Universidad de Ribeirão Preto (Unaerp) inventaron otro catalizador heterogéneo. Con éste también existe la preocupación de que el proceso sea más limpio y que disminuyan las etapas de la producción de biodiesel, eliminando así el uso de agua. Está formado por un compósito de silicatos, arcillas, aluminio y zeolitas, un tipo de mineral poroso que sirve de base para el catalizador. “Las zeolitas poseen poros nanométricos como una zaranda molecular donde se produce la reacción química”, dice el profesor Dílson Cardoso, del Departamento de Ingeniería Química de la UFSCar. Cardoso trabaja desde hace 28 años con catálisis principalmente ligada a procesos industriales de las áreas de combustibles y química fina.
“Hace nueve años empezamos a trabajar con catalizadores para combustibles líquidos y desarrollamos uno que aumenta el octanaje de la gasolina, factor que mejora la calidad de este combustible”. Es un producto para su utilización en refinerías, en la obtención de una gasolina que mejora el desempeño del vehículo. “En 2006, con el inicio de la producción de biodiesel en Brasil, resolvimos utilizar las zeolitas también en la reacción de transesterificación, necesaria para la producción de ese combustible, porque poseíamos experiencia en el uso de ese mineral e teníamos incluso una patente de un catalizador con base en las zarandas zeolíticas para las industrias químicas y farmacéuticas. Desarrollamos otro catalizador para la producción de biodiesel y solicitamos una patente en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI)”, dice Cardoso, quien cuenta como coautores con los alumnos de doctorado Leandro Martins, becario de la FAPESP, y Demian Fabiano, del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq). “Ahora estamos trabajando en la estabilidad del producto para que pueda reutilizárselo varias veces”, dice Cardoso.
Los catalizadores heterogéneos formulados por Queiroz y Cardoso presentan muchas ventajas en relación con los productos convencionales, como por ejemplo que no requieren usar agua en el proceso y eliminan los efluentes perjudiciales al ambiente, pero también muestran algunas dificultades que deben aún sortearse. Entre las desventajas, Queiroz apunta la necesidad de temperaturas elevadas para llevar a cabo el proceso desarrollado en la Unifei, que necesita 80° Celsius (C) para funcionar, un factor que exige un gasto de energía eléctrica o de otras fuentes. El catalizador de Cardoso funciona a 50°C. El proceso de síntesis de dichas sustancias también exige altas temperaturas. El catalizador CNK47 fue sintetizado en 600°C durante 24 horas. “Aún es caro hacer eso en el país, principalmente en pequeñas cuantidades”. Aun con dificultades, el futuro de la producción de biodiesel es prometedor y depende de nuevas tecnologías y de la evolución de las investigaciones e inventos, tal como lo demostraron los estudios recientes de esos dos grupos de investigadores.
El Proyecto
Proceso catalítico basado en zarandas moleculares para reacciones de transesterificación, útiles en la producción de biodiesel (nº 06/60875-7); Modalidad Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (Papi); Coordinador Dílson Cardoso — UFSCar; Inversión R$ 6.000,00 (FAPESP)
