Marcelo Radurean, becario de la UNNE, estudia de qué manera ciertos materiales microporosos aceleran la transformación de materia orgánica en productos de valor industrial. Con química computacional reconstruye los pasos de reacción no detectables por técnicas de laboratorio.
Hojas, troncos, aserrín, cáscaras: lo que habitualmente se descarta como residuo puede convertirse en combustibles, fármacos o plásticos. La biomasa —término técnico para referirse a la materia orgánica de origen vegetal— es una fuente de recursos con mucho potencial. Sin embargo, transformarla en productos útiles no es sencillo. Para que esa conversión ocurra de forma eficiente, se utilizan sustancias llamadas catalizadores: materiales que aceleran las reacciones químicas sin consumirse en el proceso.
Si bien hoy se sabe que ciertos catalizadores funcionan para estas transformaciones, no se comprende con precisión qué ocurre a nivel molecular durante el proceso. Es decir, se conocen los resultados pero no los pasos intermedios que los generan.
Conocer esas instancias es el objetivo del trabajo de investigación que lleva adelante Marcelo Javier Radurean, profesor en Ciencias Químicas de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura (FaCENA) de la UNNE, bajo la dirección de la doctora María Fernanda Zalazar, del Instituto de Química Básica y Aplicada del Nordeste Argentino (IQUIBA-NEA).
El proyecto, titulado «Procesos sostenibles de conversión de biomasa: estudio de mecanismos de adsorción y reacción sobre catalizadores sólidos heterogéneos», forma parte de una Beca de Estímulo a la Investigación Tipo I de la UNNE y se desarrolla en el Laboratorio de Estructura Molecular y Propiedades (LEMyP) del IQUIBA-NEA, CONICET-UNNE.
«Comprender los mecanismos de adsorción y reacción de moléculas derivadas de biomasa en catalizadores es un desafío porque los datos de laboratorio a menudo no logran capturar los intermediarios de corta duración», explica el plan de trabajo del proyecto. Dicho de otra forma, algunas etapas del proceso son tan rápidas y los intermediarios reactivos existen durante tiempos tan breves que su detección y caracterización experimental es muy compleja. Allí es donde entra la química computacional.
Simulación computacional. En la investigación se utilizan herramientas de química computacional para modelar, a escala atómica, cómo las moléculas derivadas de la biomasa interactúan con la superficie de catalizadores sólidos, permitiendo identificar los sitios activos, los mecanismos de adsorción y reacción, y las etapas que determinan la eficiencia del proceso.
Los catalizadores que se estudian son las zeolitas: materiales cristalinos microporosos con una red ordenada de canales y cavidades de dimensiones moleculares, que funciona como un laberinto a escala nanométrica. Estos poros internos actúan como pequeños reactores donde las moléculas se adsorben, difunden y reaccionan sobre sitios activos del catalizador. El tamaño y la forma de esos canales, junto con la distribución de los sitios activos, influyen directamente en las transformaciones químicas que pueden ocurrir, así como en la eficiencia y la selectividad del proceso.
Lo que Radurean busca conocer es, concretamente, qué mecanismo de reacción sigue una molécula cuando interactúa con una zeolita y cómo las características del catalizador influyen en ese proceso. En el caso de la conversión de bioetanol a biobutanol, por ejemplo, existen dos rutas posibles documentadas en la literatura: una directa, donde dos moléculas de etanol se unen en un solo paso, y otra indirecta, con varios pasos intermedios. Cuál de las dos predomina depende de las características del catalizador, y esa relación aún no está claramente establecido.
Objetivos de la investigación. El plan de trabajo se organiza en cuatro ejes de principales:
Predecir cómo las moléculas derivadas de la biomasa se adsorben a la superficie de distintos catalizadores sólidos, en función de las propiedades de cada material.
También describirá los mecanismos de reacción, es decir, la secuencia de pasos moleculares que ocurren desde que los reactivos entran en contacto con el catalizador y que conduce a los productos.
Paralelamente, el becario obtendrá información sobre las interacciones específicas entre los grupos funcionales de las moléculas orgánicas y los sitios activos del catalizador, que son las regiones específicas de la superficie donde ocurre la transformación química.
Finalmente relacionará esas propiedades con la actividad del catalizador, con el objetivo de entender por qué algunos materiales funcionan mejor que otros para una reacción dada.
Cómo se realiza la investigación. La metodología combina dos enfoques. El primero es puramente computacional: se emplean métodos de química cuántica para modelar, a escala atómica, la estructura electrónica de las moléculas y de los catalizadores sólidos, así como las interacciones entre ambos.
Estas simulaciones permiten reconstruir las etapas elementales de las reacciones catalíticas, identificar especies intermedias y estados de transición de vida muy corta —difíciles de caracterizar experimentalmente— y calcular las barreras energéticas asociadas a cada paso del mecanismo de reacción.
El segundo enfoque es experimental y sirve para validar los resultados computacionales. Se utilizarán diversas técnicas combinadas, como la espectroscopía infrarroja (en particular FTIR), que aporta información sobre las interacciones químicas que se establecen entre las especies adsorbidas y la superficie del material.
Los datos experimentales se comparan con las predicciones computacionales para verificar que los modelos representen adecuadamente los fenómenos que se observan en el sistema real.
El trabajo se enmarca en el ámbito del laboratorio, que reúne a un equipo de investigación integrado por los doctores Emilio Angelina, Darío Duarte; Rosana Ramirez, Gonzalo Romero, la ingeniera Sofía Tenev Monicault, y los profesores Nicolás Esquenazi, Germán Conti, y Carlos Galarza, quienes desarrollan distintas líneas de trabajo, en particular que involucran a la química computacional.
Impacto que se espera de los resultados. Los resultados, si bien corresponden a investigación básica, tienen relevancia directa en procesos industriales vinculados con las biorrefinerías y de valorización de biomasa. Estas instalaciones aprovechan recursos de origen vegetal para producir combustibles, productos químicos y materiales de valor agregado, contribuyendo al desarrollo de procesos más eficientes y sostenibles. El conocimiento generado sobre los mecanismos de adsorción y reacción en catalizadores podría aportar herramientas para el diseño y la optimización de estos procesos de transformación.
Se espera que la investigación genere múltiples aportes. En primer lugar, los resultados publicados en revistas científicas ayudarán a definir debates que hoy están abiertos en la comunidad internacional sobre cómo ocurren exactamente ciertas reacciones con catalizadores sólidos. En segundo lugar, los conocimientos obtenidos podrán orientar a los investigadores que trabajan en el laboratorio —con equipos y materiales físicos— sobre qué características deben tener los catalizadores para maximizar la eficiencia de estas reacciones.
En un horizonte más ambicioso, el proyecto apunta a que sus conclusiones sirvan como guía para el diseño de catalizadores a medida: materiales fabricados con las propiedades electrónicas y estructurales necesarias para favorecer reacciones específicas y mejorar la eficiencia de los procesos de valorización de biomasa.
Los resultados se presentarán en revistas científicas internacionales y en congresos nacionales e internacionales, contribuyendo a la visibilidad de la Universidad Nacional del Nordeste y del CONICET en el área de la catálisis, química computacional y valorización de biomasa.
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