Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPTubitos de hidrogel de unos 5 milímetros de longitud, inmersos en biodiésel en el laboratorio de la UnicampLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
A principios de la década de 2010, investigadores de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Campinas (FEQ-Unicamp) notaron que, como el porcentaje de biodiésel añadido al gasoil de origen fósil se incrementaría, sería necesario adoptar tecnologías para controlar el contenido de agua en el combustible, ya que el biodiésel tiene una gran afinidad con el agua. En aquel entonces, la mezcla incorporaba un 5 % de biodiésel y el Consejo Nacional de Política Energética (CNPE) preveía un aumento gradual de este porcentaje en los años siguientes. El gasoil tradicional se utiliza como combustible en camiones, ómnibus y algunos automóviles. Ocurre que, para que los motores funciones correctamente con la mezcla de diésel y biodiésel, sería necesario eliminar el agua presente en el biocombustible, que en Brasil se produce, principalmente, a partir de soja o grasa animal. El alto contenido de agua, entre otros inconvenientes, puede causar corrosión en tanques y tuberías, como así también obstrucciones en los picos inyectores, causando problemas en los vehículos.
“El primer paso fue entender la afinidad de cada uno de los combustibles con el agua”, comenta el ingeniero químico Leonardo Fregolente, uno de los miembros del equipo y desde 2017 docente de la FEQ-Unicamp. Uno de los primeros trabajos del grupo, compuesto también por las investigadoras Maria Regina Wolf Maciel y Patrícia Fregolente, salió publicado en 2012 en la revista Journal of Chemical and Engineering Data. El estudio demostró que el biodiésel puede contener entre 1.500 y 1.980 miligramos (mg) de agua por kilogramo (kg) de combustible, unas 10 a 15 veces más que el gasóleo fósil, dependiendo de su temperatura: cuanto más caliente, mayor es su capacidad de absorción. Además, el biodiésel tiene una alta capacidad de absorción de la humedad ambiental, 6,5 veces más que el diésel.
Según el estudio publicado en Journal of Chemical and Engineering Data, al cabo de 10 días, el combustible queda saturado con el agua que extrae del aire. Sin embargo, si durante este proceso o posteriormente la temperatura desciende, su capacidad de retención del agua disminuirá y parte de la misma se separará del combustible, acumulándose en el fondo de los tanques y otros dispositivos.
A principios de junio de este año, el profesor Fregolente no ocultó su satisfacción al mostrar a Pesquisa FAPESP el resultado de más de una década de trabajo: unos pequeños tubos o pélets transparentes, de unos 5 milímetros (mm) de largo, sumergidos en un líquido, un tipo de biodiésel. Técnicamente conocidos como rellenos, los tubitos de hidrogel pueden fabricarse con un polímero sintético ‒poliacrilamida‒, perteneciente a un grupo de compuestos químicos que se caracterizan por su capacidad para atraer moléculas de agua.
En el laboratorio, el material fue sometido a una reacción química llamada hidrólisis: se le aplicó hidróxido de sodio (NaOH), también conocido como soda cáustica, y su capacidad de absorción de agua libre aumentó casi 27 veces ‒de 37 gramos (g) de agua por cada g de hidrogel a 987 g de agua‒, como se describe en un artículo publicado en 2023 en la revista Chemical Engineering Science.
En principio, los rellenos de hidrogel podrían utilizarse para reducir la humedad durante la producción, el transporte, en las gasolineras o directamente en los tanques de combustible de los vehículos. “Si se controla el contenido de agua es posible mantener la calidad de la mezcla del biodiésel con el gasoil por más tiempo”, dice Fregolente y, por añadidura, el material puede utilizarse varias veces.
La ingeniera química Letícia Arthus, quien trabaja con el investigador, explica que el tipo de hidrogel que pueden fabricar puede modelarse dependiendo de su aplicación y de la cantidad de agua que se necesite remover. “La acrilamida, principal materia prima del hidrogel de poliacrilamida, cuesta 5 reales el kg, y 1 g de hidrogel puede absorber hasta 35 g de agua”, dice. “Si el hidrogel se fabricara a partir de acrilato de sodio, que cuesta alrededor de 400 reales el kg, su capacidad de absorción de agua aumenta a casi 1 kg de agua por cada gramo de hidrogel”. Se está llevando a cabo un estudio de costos de la innovación, que se encuentra en fase de prototipo, y cuya importancia reside en que revelará el impacto de su adopción sobre el costo final del combustible. El grupo ya ha solicitado el registro de cinco patentes.
El contexto nacional favorece este tipo de innovaciones. En Brasil, se consumen unos 700 millones de litros (l) de biodiésel por mes. La proporción obligatoria de biodiésel en el gasóleo llegó a un 14 % en marzo de 2024 y podría aumentar a un 15 % en 2025. El CNPE estima que esta disposición evitará la emisión de 5 millones de toneladas de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera y se ahorrarán 7.200 millones de reales en importaciones de gasoil.
Menor contaminación, empero, implica más residuos en los tanques de almacenamiento de biodiésel. Al ser más densa, el agua se deposita en el fondo. En la zona limítrofe con el aceite combustible, proliferan hongos y bacterias que forman una masa oscura y espesa, denominada borra o lodo, que puede obstruir las tuberías, los filtros y los picos de inyección de combustible de los motores, además de ocasionar corrosión en los tanques de combustible. En 2021, cuando el mínimo exigido por ley era de un 12 % de biodiésel, el 60 % de los 710 empresarios entrevistados por una encuesta informó acerca de un incremento de los problemas mecánicos.
El biodiésel se produce a partir de una reacción del aceite vegetal con el alcohol en presencia de un catalizador. Esta reacción genera glicerol, una materia prima con múltiples usos. Sin embargo, las moléculas del biodiésel y otros contaminantes, como el sodio, pueden combinarse formando jabón. Entonces el biodiésel se lava con agua y se centrifuga para remover el catalizador, restos de alcohol y glicerol. Una de las formas que ya se utilizan industrialmente para extraer el agua consiste en calentar el combustible al vacío mediante un proceso de destilación, que consume una gran cantidad de energía.
La Agencia Nacional del Petróleo, Gas Natural y Biocombustibles (ANP) establece que el biodiésel debe salir de la central con un máximo de 250 mg de agua por kg de combustible. Teniendo en cuenta que absorberá humedad, la tolerancia es de hasta 350 mg por kg en el distribuidor, lo que impone una carrera contra el tiempo.
“Las usinas lo producen y lo envían a las distribuidoras en pocos días. Las distribuidoras operan de igual forma, con stocks que suelen venderse en menos de un mes”, informa el ingeniero químico Antônio Carlos Ventilli, asesor técnico de la Asociación de Productores de Biocombustibles de Brasil (Aprobio). “La remoción del exceso de humedad en los tanques de las distribuidoras evitaría que el combustible que no cumpla con las normas tenga que ser sometido a un proceso industrial de secado, que es caro e implica el traslado del biocombustible”, dice Ventilli. A su juicio, una innovación como el hidrogel solo se hará realidad si su costo fuera menor que el mero descarte del biodiésel fuera de norma y el reabastecimiento del camión de gasoil.
“Las tecnologías tradicionales de remoción del agua, un problema que presentan todos los tipos de combustible, enfrentan limitaciones técnicas y económicas”, dice el químico Fauze Ahmad Aouada, de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), quien trabaja con hidrogeles y nanocompuestos híbridos naturales para su uso en el sector agrícola y sanitario. Según él, una de las ventajas principales del hidrogel de la Unicamp reside en que puede extraer el agua en un tiempo relativamente breve con un material barato y que puede reutilizarse.
Proyectos
1. Desarrollo de lechos de hidrogel injertado con nanomateriales de celulosa obtenidos mediante manufactura aditiva para la separación del agua en el biodiésel y el gasoil (no 21/08438-1); Modalidad Becas en Brasil ‒ Doctorado Directo; Investigador responsable Leonardo Vasconcelos Fregolente (Unicamp); Becaria Letícia Arthus; Inversión R$ 182.369,52.
2. Desarrollo de nuevos procesos de separación de agua en biodiésel y mezcla biodiésel/gasoil aplicando hidrogeles sintéticos injertados con nanocristales de celulosa (no 21/03472-7); Modalidad Ayuda de Investigación ‒ Programa Bioen; Investigador responsable Leonardo Vasconcelos Fregolente (Unicamp); Inversión R$ 206.224,80.
Artículos científicos
ARTHUS, L. et al. Facile tuning of hydrogel properties for efficient water removal from biodiesel: An assessment of alkaline hydrolysis and drying techniques. Chemical Engineering Science, v. 282, 119224. 5 dic. 2023.
FREGOLENTE, P. et al. Water content in biodiesel, diesel, and biodiesel-diesel blends. Journal of Chemical and Engineering Data. v. 57, p. 1817-21. 17 may. 2012.
