Cafeína sería útil para obtener combustibles menos contaminantes

 Por norma, los combustibles como la gasolina y el diésel deben pasar por un proceso que reduce la cantidad de compuestos azufrados (desulfuración) para que sean menos contaminantes y se puedan comercializar. Como estos procesos son costosos y peligrosos por utilizar compuestos tóxicos, una ingeniera química de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) desarrolló y puso a prueba dos compuestos alternativos obtenidos a partir de la cafeína –que es más económica y fácil de manipular–, los cuales alcanzaron porcentajes prometedores de desulfuración.

La desulfuración se realiza con el fin de que cuando se dé la combustión –es decir cuando los carros, aviones y otras máquinas están funcionando– estos compuestos azufrados no se conviertan en dióxido de azufre, un gas dañino para el medioambiente y la salud, entre otras cosas porque puede desencadenar una lluvia ácida.

“Actualmente existen leyes que regulan que las cantidades mínimas sean de 10 partes por millón (ppm), y aunque también hay métodos tradicionales para lograrlo, estos utilizan compuestos muy tóxicos, son procesos costosos e implican un gran gasto de energía”, explica la ingeniera química Laura Sofía Benavides Maya, estudiante de la Maestría en Ingeniería - Materiales y Procesos de la UNAL Sede Medellín.

Por eso se propuso buscar una alternativa a partir de la creación y el uso de líquidos iónicos y solventes eutécticos profundos, que hacen más sostenible el proceso de desulfuración. “Los líquidos iónicos son sales orgánicas o inorgánicas, compuestas por cationes y aniones (cargas positivas y negativas), con puntos de fusión por debajo de los 100 ºC, lo que ayuda a que se gaste menos energía en calentamientos, entre otras cosas”, continúa.

Así mismo, tienen baja toxicidad, capacidad de regenerarse y son fáciles de preparar porque no requieren etapas de purificación. “Por otro lado, los solventes eutécticos profundos son mezclas que aceptan y donan enlaces de hidrógeno, de manera que al combinar porciones específicas reducen su punto de fusión y dan paso a un líquido con propiedades similares a los líquidos iónicos”.

De un proceso costoso a uno económico

En la actualidad ya se han desarrollado líquidos iónicos a partir de imidazol, un compuesto orgánico que contiene carbono, nitrógeno e hidrógeno, y que aún así suele ser muy costoso (alrededor de 452 dólares por kilogramo), lo que ha limitado su aplicación a gran escala. “De ahí el interés por utilizar cafeína (que ronda los 131 dólares por kilogramo), un compuesto de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno que contiene en su estructura un anillo de imidazol”.

Así pues, la investigadora Benavides, con la asesoría de la profesora Luz Marina Ocampo Carmona, directora del grupo de investigación Ciencia y Tecnología de Materiales, de la Facultad de Minas de la UNAL Sede Medellín, utilizó cafeína comercial para obtener los líquidos iónicos de interés. “Primero hicimos que reaccionara con cloruro de hidrógeno anhidro (sin agua) en una atmósfera inerte, con el fin de convertirla en una sal de amonio cuaternario”.

Así se obtuvo clorhidrato de cafeína, el cual se caracterizó mediante técnicas como espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier. “Buscábamos comprobar que en ese clorhidrato se había formado el enlace nitrógeno-hidrógeno en el anillo de imidazol”, agrega.

Posteriormente agregó tricloruro de hierro –en dos cantidades diferentes– con el fin de obtener un líquido iónico con viscosidad manejable. “Por otro lado, sintetizamos dos solventes eutécticos profundos utilizando etilenglicol (donante de enlaces de hidrógeno) y los pusimos a prueba, al igual que los líquidos iónicos, en la desulfuración de un combustible modelo, es decir creado en laboratorio”.

De este modo evidenció que con el líquido iónico se lograba un porcentaje máximo de desulfuración del 12,9 % mientras con el solvente eutéctico profundo hasta un 17,4 %. “Aunque son resultados prometedores, vimos que los anillos aromáticos de azufre son débiles como aceptores de puentes de hidrógeno, lo que se podría reflejar en los bajos índices de desulfuración”, agrega.

Este análisis es el punto de partida de otras investigaciones que busquen mejorar los procesos de desulfuración actuales. “Dichos aspectos se pueden mejorar aplicando más etapas de extracción en el proceso; reciclando los líquidos iónicos y los solventes eutécticos; evaluando tiempos más prolongados; y considerando otros aniones para la síntesis, por ejemplo”.

La investigación está enmarcada en el proyecto “Desarrollo de líquidos iónicos a base de cafeína para la desulfuración de combustibles”, código Hermes 54126. La profesora Ocampo menciona que “a futuro esperamos consolidar análisis que lleven a cabo un proceso similar, pero obteniendo la cafeína de residuos de café, lo que haría aún más sostenible la actividad”.

Es posible gastar menos energía en la producción de baldosas

 Hasta un 70 % de consumo energético puede ahorrarse mediante el aislamiento correcto de los hornos de quemado. El impacto para el sector de las baldosas sería positivo tanto a nivel económico como ambiental.

Industrias como las dedicadas a la elaboración de cerámica, vidrio, hierro y cemento suelen ser intensivas en el consumo de energía, tanto térmica como eléctrica, lo que implica un alto grado de emisiones de CO₂ o dióxido de carbono al ambiente.

Harol Andrés Córdoba Enríquez, magíster en Ingeniería - Sistemas Energéticos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín, menciona que, en la industria cerámica, concretamente en el subsector de baldosas, el consumo de energía representa el 30 % de los costos de producción.

“Teniendo en cuenta la necesidad de moderar las emisiones de CO₂ en razón del cambio climático, es crucial conocer e implementar las tecnologías y prácticas que llevarían a un ahorro energético eficiente”, afirma.

El proceso de elaboración de baldosas inicia con la preparación de la materia prima, en este caso el barro, que se lleva a punto para que sea trabajable en las etapas siguientes. Posterior a esto, se da comienzo a la “formación”, en la que el barro se cuece y se le da la forma deseada. Luego viene el esmaltado y la decoración y, finalmente, la etapa de quemado, en la que más energía se consume.

Los energéticos usados en la producción de baldosas cerámicas son la energía térmica, proveniente del gas natural. La matriz de consumo energético de este subsector es 80 % térmica y 20 % eléctrica.

“Hablamos de hornos muy grandes, que pueden extenderse, desde la entrada hasta el final, tanto como una cancha de fútbol. Ahí llega el barro crudo, se quema y sale como un producto listo para venderse. Además, está el agravante de que estos sistemas nunca se apagan, permanecen activos las 24 horas del día durante los siete días de la semana”, anota.

Bajo este contexto, el investigador Córdoba emprendió una revisión exhaustiva de literatura, con más dos décadas de antigüedad, enfocada en el ahorro energético con el fin de mejorar el ámbito económico de las empresas.

Señala que, “a las grandes industrias, a las personas como nosotros, nos llega la factura de energía y listo, pero detrás están los equipos y actividades que pueden significar un ahorro o no”.

En búsqueda de la alternativa idónea

En total se recolectaron 103 artículos, de los cuales se seleccionaron 52, teniendo en cuenta criterios como: que presentaran información del sector cerámico, consumos energéticos del proceso de producción de baldosas, tecnologías o medidas de ahorro energético aplicadas al sector cerámico, como también en las industrias intensivas en el consumo energético como por ejemplo cemento, vidrio, hierro - acero y que especialmente contaran con detalles técnicos y valores numéricos o porcentuales de ahorro de energía.

Entre las soluciones rastreadas, la que demostró un mayor beneficio es la relacionada con el aislamiento del horno. “Es importante garantizar que el calor interno se mantenga allí. Esto puede lograrse mediante la utilización de materiales adecuados, como los ladrillos o refractarios de alúmina, sílice o magnesio, que lo aíslen del exterior, evitando incluso que escape aire por la chimenea. Así, en lugar de desecharse al ambiente, puede reemplazar parcial o totalmente la demanda energética de este proceso”.

La recuperación de calor residual permitiría la reducción del 70 % del consumo de gas en el proceso de secado. De otro lado, está la posibilidad de implementar una producción programada, que moderaría el hecho de que el horno trabaje de corrido.

“No siempre hay baldosas quemándose, si falla una parte del proceso, por ejemplo, y hay un retraso, lo ideal sería que el horno no opere, que no queme gas sin necesidad”.

Estas dos estrategias, denominadas “de gestión”, implican, más que una inversión monetaria significativa, la toma de la decisión. “Por otro lado tenemos el cambio de tecnologías, una posibilidad para la que sí se necesita dinero”, añade el magíster.

En este último punto se encuentra entonces la compra de quemadores de alta gama para hacer más eficiente el proceso de combustión, o el ingreso de hidrógeno a los hornos para obtener mayor eficiencia.

Finalmente, un cambio en el método de producción de baldosas de gran tamaño (de alrededor de 1 metro por 1 metro), también representaría beneficio.

“Hay un tipo de proceso que denominamos ‘vía húmeda’, que es el que se utiliza para producir babosas grandes. Las más pequeñas se hacen por la ‘vía seca’. Ahora bien, la húmeda es más intensiva en el consumo de energía porque uno de sus procesos necesita mayor cantidad de agua y, por ende, luego mayor calor para secar. La idea es que se alcance un híbrido entre los dos procesos, lo que implica también cambios en la tecnología”.

Este tipo de cambios y una investigación de revisión de literatura, como la realizada por el magíster, podrían extrapolarse a las demás industrias con el fin de mejorar sus procesos, impactar de manera positiva a la sostenibilidad ambiental.