¿Qué son los sistemas catalíticos estructurados?

Empezaremos por definir lo que entendemos por catalizador. Si acudimos a la definición que proporciona la Real Academia Española (RAE), comprobamos que, en su primera acepción, un catalizador es:

“1. adj. Quím. Dicho de una sustancia: Que, en pequeña cantidad, incrementa la velocidad de una reacción química y se recupera sin cambios esenciales al final de la reacción” (1).

Un catalizador, básicamente, facilita la ruptura de ciertos enlaces químicos entre átomos existentes en las moléculas que reaccionan y favorece la formación de otros nuevos enlaces, permitiendo así la generación de nuevas moléculas, esto es, de los productos de la reacción.

Un aspecto importante, como bien se deduce de la definición de la RAE, es el hecho de que, una vez completada la reacción, el catalizador debe poder recuperarse y encontrarse disponible de nuevo para volver a catalizar la reacción de más moléculas, sin haber sufrido alteraciones notables. Idealmente, el catalizador debiera de recuperar su estado inicial tras de haber participado en el proceso de reacción acelerándolo. En la práctica, hay múltiples casos en los que la sustancia o el material que actúa como catalizador sufre paulatinamente cambios en sus propiedades físicoquímicas o en su estructura. Esto provoca que, a menudo, el catalizador se encuentre sometido a alteraciones notables que pueden hacerle perder eficacia en su acción catalizadora e, incluso, verse inutilizado por completo transcurrido un cierto tiempo.

Así pues, los catalizadores son sustancias que facilitan el desarrollo de reacciones químicas al contribuir a acelerar notablemente el proceso de reacción, pero sin ser uno de los elementos reaccionantes. En multitud de reacciones llevadas a cabo a nivel industrial, se utilizan catalizadores para poder obtener los productos de reacción en un tiempo razonable y en una cantidad apreciable. Incluso en nuestra vida diaria, nuestros actos más cotidianos pueden requerir del empleo de catalizadores para facilitarnos las cosas o para lograr mantener un entorno de vida más saludable y menos expuesto a sustancias nocivas.

Un ejemplo sencillo lo podemos encontrar en los convertidores catalíticos de los gases de escape de nuestros vehículos de combustión. En dichos vehículos, los gases de escape son obligados a atravesar un dispositivo con una geometría particular en cuyas paredes internas se encuentra depositada la capa de material que actuará como catalizador de varias reacciones químicas. Estas reacciones químicas permiten que, tras haber atravesado este pequeño reactor catalítico, los gases que se emiten por el tubo de escape sean mucho menos nocivos. En pleno funcionamiento del convertidor catalítico, las únicas sustancias que se emiten por el tubo de escape son nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

Motor Diagrama esquemático del interior de un convertidor catalítico de un automóvil. Adaptado de (2).

Existen múltiples catalizadores para infinidad de reacciones químicas. Así, podemos encontrar toda clase de catalizadores que presentan numerosos formatos: los hay desde sustancias líquidas que pueden mezclarse con otros reactivos líquidos, pasando por otros en forma de lecho de partículas sólidas granulares que se ponen en contacto con reactivos en un medio fluido, ya sea líquido o gaseoso, hasta llegar a materiales catalíticos muy avanzados, como los de los convertidores catalíticos de la imagen anterior. Estos últimos, por encontrarse depositados sobre un sustrato con una estructura geométrica dada, son los que denominamos catalizadores estructurados, y los reactores químicos en los que se colocan son, por lo tanto, reactores catalíticos estructurados.

Estos catalizadores y sistemas de reacción estructurados representan un notable avance en el campo de la ingeniería de reactores, ya que combinan una serie de características que los convierten en tecnologías altamente innovadoras y eficientes. Entre sus principales ventajas, cabe destacar que permiten una mejor gestión del calor intercambiado en el proceso de reacción, así como una mejora en la transferencia de materia durante la reacción química, facilitando así el contacto entre los reactivos y el material catalítico y también el proceso de liberación de los productos de la reacción, por lo que estos pueden abandonar el reactor mucho más rápidamente.

En el desarrollo de este tipo de materiales avanzados, se precisa una aproximación multidisciplinar. Así, es necesario combinar una serie de saberes y disciplinas que involucran, entre otras, a la química, la ingeniería química, la ingeniería térmica y de materiales, la mecánica de fluidos, las matemáticas e, incluso, la informática. Ello supone una oportunidad magnífica para que científicos y profesionales de diferentes ámbitos de la ciencia y la tecnología participen, de manera conjunta, en el desarrollo de estas pequeñas obras de arte que mejoran nuestra calidad de vida y nos permiten obtener, de manera mucho más eficiente y rápida, numerosos productos que nuestra sociedad necesita y demanda.

 

(1) Definición de catalizador, Diccionario de la lengua española de la Real Academia de la Lengua Española (RAE): https://dle.rae.es/?w=catalizador

(2) Universidad de California en Berkeley (EE.UU.), 2009:

http://www.cchem.berkeley.edu/molsim/teaching/fall2009/catalytic_converter/bkgcatcon.html

 

Esta entrada al blog ha sido elaborada por Fernando Bimbela Serrano, investigador del Grupo de Reactores Químicos y Procesos para la Valorización de Recursos Renovables del Instituto de Materiales Avanzados (InaMat) de la Universidad Pública de Navarra (UPNA)

Bioplásticos a partir de lana y plumas para una economía circular

Los avances en la petroquímica durante el siglo XX dieron lugar a una gran familia de nuevos materiales: los plásticos. El desarrollo de este material, polímeros derivados del petróleo fósil,  ha dado lugar, durante la pasada centuria, a un gran progreso económico basado en el desarrollo de numerosas áreas, como el envasado de alimentos, el transporte, la aeronáutica, la automoción, la medicina, la electrónica de consumo, el textil o las actividades deportivas, por poner algunos ejemplos. Sin embargo, este desarrollo también tiene una “cara b” asociada al fin de la vida útil de los materiales plásticos, que, en gran medida, son depositados en vertederos, incinerados o vertidos en cuencas naturales por comodidad e inconsciencia.

Además, los plásticos derivados del petróleo tienen otro factor negativo como es su huella de carbono. Esta se vincula a la cantidad de CO2 emitida a lo largo de su extracción, procesado, transporte, gestión o incinerado (Figura 1). Por si fuera poco, estos plásticos tienen inherente una alta huella energética.

Debido a los efectos perjudiciales en el clima, derivados de una emisión indiscriminada a la atmósfera de CO2 y otros gases, desde el comienzo del siglo XXI, la comunidad científica trabaja con el objeto de desarrollar procesos y materiales con una menor huella ecológica. Aquí surgen conceptos como química verde, materiales renovables o, más recientemente, economía circular. Para esta disciplina, los residuos de ciertas actividades también tienen valor (Figura 1) y trata de paliar las nefastas consecuencias de una “economía lineal”, aquella caracterizada por una explotación irreversible de los recursos.

En este contexto, entran en juego los bioplásticos, unos materiales poliméricos de origen renovable, con baja huella de CO2 y fácilmente integrables en el medio tras su vida útil. Algunos bioplásticos actualmente disponibles en el mercado en forma de bolsas biodegradables son los derivados del almidón de patata o maíz. No obstante, la implementación masiva de esta vía podría dar lugar al encarecimiento del precio de los alimentos (por la competitividad en el suelo agrario) y a la deforestación, tal y como ha ocurrido en el caso de los biocombustibles derivados de plantas.

En los laboratorios del Instituto de Materiales Avanzados (InaMat) de la Universidad Pública de Navarra (UPNA), dentro de un proyecto financiado por la Obra Social “la Caixa” y la Fundación Caja Navarra, se trabaja en una alternativa fundamentada en la reconversión de residuos agroindustriales, como la lana y el plumaje, en bioplásticos. Este concepto, al igual que en el caso de los bioplásticos derivados de las plantas, daría lugar a una minimización de la huella de CO2, puesto que las plantas y la hierba de la cual se nutren estos animales absorben el dióxido de carbono a través de la fotosíntesis. A su vez, también aprovecharía la energía del sol para su biosíntesis y los bioplásticos desarrollados serían fácilmente re-integrados en el medios tras su compostaje (Figura 1).

La investigación se ha centrado en desarrollar un método “verde” de extracción de las queratinas (unas proteínas). Para ello, se siguen los principios de la Química Verde, en donde se minimizan el uso de reactivos tóxicos y la generación de residuos. También se ha demostrado la posibilidad de desarrollar biopelículas derivadas de la queratina de la lana (Figura 2) con propiedades plásticas.

La investigación se centra ahora en tratar de comprender las posibilidades de procesar estos bioplásticos por vías térmicas, semejantes a las empleadas a día de hoy por la industria del plástico convencional. También, en los laboratorios de la UPNA, se está buscando metodologías para dotar a estos bioplásticos de propiedades funcionales análogas a los plásticos actuales derivados del petróleo. De conseguir desarrollar bioplásticos competitivos y unas vías de procesado escalables a nivel industrial, el proyecto solucionaría dos problemas a la vez: buscaría una alternativa para la gestión de residuos de lana y plumaje, y mitigaría el impacto del vertido en el medio de plásticos derivados del petróleo.

 

Esta entrada ha sido elaborada por Borja Fernández-d’Arlas Bidegain, investigador posdoctoral en el Instituto de Materiales Avanzados (InaMat) de la Universidad Pública de Navarra (UPNA)

 

Probabilidad y el triste caso de Sally Clark

El 15 de marzo de 2007 murió Sally Clark, natural de Cheshire y abogada de 42 años, por un fallo cardíaco provocado por una excesiva ingesta de alcohol, después de haber sido acusada erróneamente de matar a sus dos hijos: Harry, de 8 semanas (muerto en 1988) y Christopher, de 11 semanas  de edad (muerto en 1996). Habían pasado cuatro años desde que fuera acusada de asesinato por asfixia de sus dos hijos. Fue juzgada en Inglaterra el 9 de noviembre de 1999.

En realidad, se trataba de la muerte súbita de dos bebés en una misma familia, situación calificada de altamente improbable por el tribunal de Chester que la juzgó a cadena perpetua con ocho votos a favor y dos en contra, ya que interpretó que, si la muerte súbita de un bebé es de 1/8543, la de dos bebés es 1/8543*1/8543 es decir de 1 entre 73 millones.  En aquella época, el número de nacimientos en Inglaterra, Gales y Escocia era de 700.000 nacimientos al año, por lo que la probabilidad de ocurrencia por azar de este suceso era de 1 cada 100 años.

Tres años después, fue puesta en libertad al revocarse la sentencia, que fue calificada de uno de los mayores errores judiciales de la historia moderna de Gran Bretaña. Era el error denominado como “prosecutor fallacy”, es decir, el error probabilístico cometido en los juzgados por un falso razonamiento científico. En octubre de 2001, la Real  Sociedad Estadística Británica expresó públicamente su preocupación por el mal uso de la estadística en los juzgados. En enero de 2002, su presidente escribió a Lord Chancellor, ministro de la Corona, comunicándole su interés en replantear el uso adecuado de la evidencia estadística en el sistema judicial. Como consecuencia de ello, se revisó el caso.

Estudios posteriores pusieron en evidencia que la muerte del primer hijo de Sally fue provocada por una infección respiratoria y que la muerte de su segundo hijo se debió a una infección bacteriana. Pero para Sally fue demasiado tarde. Había pasado tres años en prisión. El error judicial consistió en interpretar que la muerte súbita de un bebé nada tenía que ver con la de su hermano, aunque fuese de la misma familia. Es decir, se interpretaron ambos sucesos como independientes, lo que llevó a pensar que era prácticamente imposible que ambas muertes fueran accidentales. Esta fue la interpretación que hizo el pediatra Sir Roy Meadow, ignorando que pudiera existir una correlación entre ambos sucesos, en cuyo caso cambiaría drásticamente la probabilidad de ocurrencia de muerte súbita.  Como consecuencia de su erróneo razonamiento, Roy Meadow fue eliminado del registro británico de médicos.

De hecho, el pediatra no conocía que, si existe algún defecto genético, la probabilidad de muerte súbita del segundo hermano habiendo sucedido la del primero, era  aproximadamente de 1 entre 100, por lo que la probabilidad de muerte súbita de los dos bebés era de 1/85000, es decir 86 veces superior a la inicialmente estimada. Esta estimación se debió a Ray Hill, un estadístico de la Universidad de Salford. Ray Hill concluyó que la probabilidad de dos muertes súbitas seguidas era entre 4,5 y 9 veces más probable que dos infanticidios seguidos.

El caso de Sally Clark no fue el único. Angela Cannings fue encausada por la muerte de dos de sus hijos, de los tres que habían fallecido por muerte súbita. En su juicio, no se utilizó explícitamente el razonamiento estadístico, aunque sí se dijo que la muerte súbita de los tres niños era muy muy rara. Afortunadamente, Angela también fue liberada en 2003 gracias a la investigación que se hizo de varias muertes súbitas acaecidas con sus mismas bisabuelas paternas y maternas.

Trupti Patel, una farmacéutica de origen paquistaní, fue igualmente condenada por la muerte de tres de sus hijos, cuando en realidad habían fallecido por muerte súbita.

Una muerte súbita es 17 veces más frecuente que un asesinato. Dos muertes súbitas son 9 veces más probables que dos asesinatos y tres muertes súbitas suceden solamente dos veces más que tres asesinatos, pero eso no significa que necesariamente tres muertes súbitas sean asesinatos.

La probabilidad refleja un grado de creencia de la ocurrencia de un suceso y, por pequeña que sea, siempre ha de tenerse en cuenta. Es ahí donde radica la calidad de un razonamiento científico.

Esta entrada ha sido elaborada por Ana Fernández Militino, catedrática del Departamento de Estadística, Informática y Matemáticas e investigadora del Instituto de Materiales Avanzados (InaMat) de la Universidad Pública de Navarra