Nanotecnologia: ciencia impulsora de nuevas creaciones al servicio del medio ambiente

En la Aldea Global ya hemos hablado en varias ocasiones de nanotecnología y sus futuras aplicaciones. En un futuro cercano las posibles aplicaciones para la nanotecnología serán realmente increíbles. Sin embargo, hoy me gustaría tratar la nanotecnología en un ámbito menos conocido pero que resulta ser el más necesario en la actualidad: La energía.

Nuestra sociedad está basada en un porcentaje demasiado elevado en el petróleo y sus derivados, un recurso limitado que tarde o temprano terminará por agotarse. Esto nos lleva al siguiente paso de la evolución tecnológica: El problema energético. Uno de los grandes retos que tiene la Humanidad ante sí: encontrar una energía limpia, barata y autosuficiente.

Cuando pensamos en energía, siempre pensamos en cosas grandes: Grandes turbinas, grandes centrales eléctricas, grandes presas, grandes petroleros... Sin embargo, veremos que existen otras vías posibles al problema energético: La nanotecnología podría ser una de ellas!

Nanotecnología : posible solución energética y medioambiental



Particularmente enfocaremos 3 materiales básicos de la nanotecnologia, ligados no solo a procesos orgánicos sino destinados a menguar los problemas medioambientales:

1. Los nanotubos de carbono

Definimos a un nanotubo como estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro.

Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrolladas sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento(flexibilidad), y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna.

El investigador Sumio Iijima, descubridor de los nanotubos de carbono en 1991 –motivo por el cual ha sido galardonado con el Premio Príncipe de Asturias de Ciencia y Tecnología 2008- ha señalado que la nanotecnología podrá ayudar a desarrollar dispositivos más eficientes capaces de consumir entre 10 y 20 veces menos que los actuales equipos, es decir, ahorrando entre el 90% y el 95%, lo cual redundará en una gran disminución de emisiones de dioxido de carbono que se verterán a la atmósfera.

A continuacion daremos una aplicacion de interes de los nanotubos de carbono:

Como adsorbentes

Los nanotubos de carbono poseen una elevada área superficial, su estructura porosa y en capas es ideal para almacenar diversos elementos y sustancias químicas.
En estudios recientes los nanotubos han sido adsorbentes de: nicotina y alquitrán del humo de los cigarrillos, tintas reactivas, compuestos orgánicos volátiles (n-pentano, n-hexano, n-heptano, n-octano, n-ciclohexano, benceno, tricloroetileno), microcistinas, iones metálicos divalentes y Trihalometanos del agua (CHCl3, CHBrCl2, CHBr2Cl y CHBr3).

Remoción de metales pesados: Entre los adsorbentes de iones metálicos tóxicos (carbón activado, zeolitas, biomateriales, resinas, entre otros) los investigadores están interesándose por los nanotubos de carbono debido a su alta capacidad de adsorción. En los estudios, los nanotubos han mostrado gran potencial en la adsorción, sus futuras aplicaciones se proyectan en el cuidado del medio ambiente; en la remoción de iones tóxicos de las aguas residuales de procesos industriales.14
Para mejorar la eficiencia de adsorción, los nanotubos se someten a una previa oxidación. La oxidación se ha hecho con soluciones de varios agentes químicos como: KMnO4, HNO3, NaOCl, HCl, H2SO4, O3 o H2O2; éstas aumentan el número de grupos funcionales que contienen oxígeno (C=O, COOH, OH) y elevan la carga negativa superficial. Los átomos de oxígeno incrementan la capacidad de intercambio iónico.

Usos de nanotubos de carbono


2. Las nanoesponjas: alternativa de desarrollo sostenible

Cuando hace más de 30 años el economista Fritz Schumacher acuñó la expresión "lo pequeño es hermoso", lo hizo con la esperanza de impulsar las "tecnologías intermedias", que emplean técnicas, conocimientos y materiales locales, antes que soluciones de alta tecnología, para resolver los problemas de los pobres.

Sin embargo, en el último tiempo la frase ha adquirido un significado diferente, a medida que científicos e ingenieros comenzaron a desarrollar la nanotecnología — procesos que controlan la materia a escala atómica o molecular — y demostraron que también este campo puede fomentar el desarrollo sostenible.

En nanotecnología, no hay área más promisoria que el tratamiento del agua. Las técnicas de nanofiltración y las nanopartículas pueden reducir o eliminar contaminantes y contribuir a lograr un Objetivo de Desarrollo del Milenio clave: reducir a la mitad la cantidad de personas que carecen de acceso sostenible al agua potable, hacia 2015.

El desarrollo de nanoesponjas que absorben el agua y atrapan las impurezas sobresale como ejemplo de cómo se podrían resolver los problemas de depuración del agua por medio de la nanotecnología en países como Sudáfrica, si se superan las dificultades relativas a su ensayo y comercialización.

Hay quienes las encuentran parecidas a los panales; otros, a infinidad de tazas de té, cada una de ellas tiene apenas una billonésima parte de un metro de ancho. Pero a la hora de ponerles nombre, no dudaron en llamarlas nanoesponjas.

Este tema, debería interesar a la autoridades peruanas y por qué no de todos los países, ya que es biotecnología de punta, sencilla de aplicar y muy económica.
La idea es que uno puede sujetarlas con unas abrazaderas a una fuente de agua, sea el grifo de la cocina o la cañería que transporta el líquido hasta una central termoeléctrica, y ellas absorben el fluido, atrapando las impurezas en una multitud de minúsculas cavidades, y al mismo tiempo dejando pasar el agua pura.

Desde luego, Sudáfrica abriga la esperanza de que las nanoesponjas resuelvan sus problemas para depurar el agua allí donde los tratamientos convencionales son insuficientes: desde llevar agua limpia a toda la población hasta descontaminar los sistemas de refrigeración para evitar que se pudran las turbinas de las centrales. Sin embargo, todavía no se sabe a ciencia cierta si las nanoesponjas cumplirán su promesa, tanto desde el punto de vista técnico como económico: aún tienen defectos, y su producción es costosa.


Una gran utilidad de las esponjas es limpiar vertidos, y existe un gran interés en fabricar estructuras microscópicas que tengan la capacidad de absorber selectivamente determinadas sustancias. Un grupo de investigadores acaba de publicar en Nature Nanotechnology una técnica para la fabricación de nanoesponjas (estructuras de un tamaño en torno a la millónesima parte de un milímetro). El procedimiento consiste en recubrir una estructura enmarañada de nanocables de óxido de manganeso con una capa de silicona para convertirla en hidrófoba, es decir, que repele el agua.

Estas esponjas son unas láminas cuya microestructura en forma de nanocables es capaz de absorber aceites (hasta veinte veces su propio peso), separándolos del agua gracias a una combinación de capilaridad y superhidrofobicidad. El material puede regenerarse y reutilizarse durante muchos ciclos, y al parecer la preparación a gran escala es bastante factible.

No cabe duda de que una de las posibles aplicaciones tiene que ver con la limpieza de vertidos de petróleo y similares. Podría ser útil también en la separación de mezclas de disolventes, gracias a su selectividad.


3. Fotosistema 1: celda energetica natural

Los vegetales en general poseen la cualidad de captar energía solar mediante una serie de pigmentos que conforman el fotosistema 1 , si nos ponemos a pensar un poco la clave de nuevas fuentes de energía hablando a nivel de nanoescala poseen todas aquellas moléculas que conforman el fotosistema 1, mediante una extracción de estas y una manipulación de sus componentes a través de la nanotecnología podría tener nuevos recursos energéticos muchos mas eficientes , poco contaminantes , que nos beneficiarían no solo a nivel económico sino también en cuanto a la preservación medioambiental, a continuación daremos el mecanismo de funcionamiento del fotosistema 1(captación de energía solar):
¿Cómo es captada la energía luminosa?

La energía de la luz es captada por los pigmentos fotosintéticos situados en la membrana tilacoidal de los cloroplastos. Al incidir un fotón sobre un pigmento fotosintético, desplaza un electrón hacia un nivel de mayor energía. El pigmento excitado puede volver a su estado original de tres formas:
- Perdiendo la energía extra en forma de luz y calor (fluorescencia).

- Mediante una transferencia de energía por resonancia, en la que la energía (pero no el electrón) pasa de un pigmento a otro.

- Mediante una oxidación del pigmento, al perder el electrón de alta energía, que será captado por un transportador de electrones.
El pigmento fotosintético más importante es la clorofila, que absorbe el color violeta, azul y rojo, y refleja el verde.
Todos los pigmentos fotosintéticos se agrupan en fotosistemas que, hipotéticamente, podemos imaginar con forma de embudo. Pueden ser de dos tipos: fotosistema I (con un máximo de absorción de 700 nm) y fotosistema II (con un máximo de absorción de 680 nm).

Determinación de la biomasa microalgal potencialmente acumuladora de lípidos para la obtención de combustible

Si bien, el interés por obtener aceites a partir de organismos vegetales data del siglo pasado, y nace de la necesidad de un emergente desarrollo industrial de la época, actualmente lo que se busca son energías renovables no contaminantes y que mantengan un equilibrio ecológico que implique el conocimiento y manejo del recurso a emplear para tal fin.

Dentro de este contexto, el IMARPE, entidad científica dedicada al estudio del medio acuático en toda su magnitud, apostó por este tema y viene concentrando sus investigaciones en la obtención de polvo algal a partir del cultivo de micro algas a fin de explotar su potencial biotecnológico.


El objetivo del presente estudio es obtener el perfil químico de la biomasa microalgal potencialmente acumuladora de compuestos lipídicos para la producción de combustible, pudiendo así determinar la factibilidad de producir aceite en gran escala a partir de cultivos microalgales.

Los primeros resultados fueron la implementación y equipamiento de los diferentes laboratorios a utilizar en el desarrollo del proyecto.

La segunda etapa es la producción del polvo algal en la sala denominada invernadero, cuya producción, aún experimental, reporta un promedio de 200gr de polvo algal por cosecha.

La tercera etapa está centrada en el análisis bioquímico de perfiles lipídicos para determinar la calidad y cantidad de aceite obtenido.


Carla Aguilar Samanamud, Laboratorio de Biotecnología Acuática
Dirección de Investigaciones en Acuicultura, Gestión costeras y Aguas Continentales
Instituto del Mar del Perú: IMARPE La Punta, Callao, Lima - Perú
Telef: 00-511-625-0800(899, 840) , Email: caguilar@imarpe.gob.pe

Un proceso verde: Ibuprofeno

No siempre se cumplirán los doce principios en la mayor parte de las aplicaciones en el mundo real, pero proveen un objetivo loable pare tratar de conseguirla y pueden hacer que los químicos piensen con más cuidado acerca de las implicaciones ambientales de su trabajo. Las historias de éxito ya están ocurriendo y otras más están en progreso. Ahora se producen aproximadamente 7 millones de libras por año de ibuprofeno (¡6 mil millones de tabletas!) a través de un proceso “VERDE” que produce aproximadamente 99% menos desperdicios que el proceso al que remplaza. Sólo son necesarios tres pasos, el disolvente anhidro HF, utilizado en el primer paso, se recupera y se reutiliza, y el segundo y tercer paso son catalíticos:


PROCESO VERDE PARA EL IBUPROFENO





Gracias por sus comentarios, bueno a su pedido, trataré sobre el ibuprofeno:

El ibuprofeno es un antiinflamatorio no esteroideo (AINE), utilizado frecuentemente para el alivio sintomático del dolor de cabeza (cefalea), dolor dental (odontalgia), dolor muscular (mialgia), molestias de la menstruación (dismenorrea), dolor neurológico de carácter leve, síndrome febril y dolor tras cirugía (postquirúrgicos). También se usa para tratar cuadros inflamatorios, como los que se presentan en artritis, artritis reumatoide (AR) y artritis gotosa. Generalmente la dosis diaria recomendada en adultos es de unos 1.200 mg diarios, dependiendo de la gravedad del trastorno y de las molestias del paciente, pero que no deberá exceder los 2.400 mg diarios.
El ibuprofeno, al igual que otros derivados de 2-arilpropionato (incluyendo ketoprofeno, flurbiprofeno, naproxeno, etc), contiene un carbono quiral en la posición α del propionato:

Los doce principios de la Química Sostenible

1. Es mejor prevenir la formación de residuos que tratar de limpiar tras su formación.
2. Lo métodos sintéticos deben ser diseñados para conseguir la máxima incorporación en el producto final de todas las materias usadas en el proceso.
3. En cuanto posible, se deben diseñar metodologías sintéticas para el uso y la generación de substancias con escasa toxicidad humana y ambiental.
4. Se deben diseñar productos químicos que, preservando la eficacia de su función, presenten una toxicidad escasa.
5. Las substancias auxiliares (disolventes, agentes de separación, etc.) deben resultar innecesarias en lo posible y, cuanto menos deben ser inocuas.
6. Las necesidades energéticas deben ser consideradas en relación a sus impactos ambientales y económicos y minimizadas. Los métodos sintéticos deben ser llevados a término a temperatura y presión ambiente.
7. Las materias de partida deben ser renovables y no extinguibles, en en la medida que esto resulte practicable técnica y económicamente. 8. La formación innecesaria de derivados (bloqueo de grupos, protección/desprotección, modificación temporal de procesos físicos/químicos) debe ser evitada en cuanto sea posible.
9. Los reactivos catalíticos (tan selectivos como sea posible) son superiores a los estequiométricos.
10. Los productos químicos han de ser diseñados de manera que, al final de su función, no persistan en el ambiente, sino que se fragmenten en productos de degradación inertes.
11. Se deben desarrollar las metodologías analíticas que permitan el monitoreo a tiempo real durante el proceso y el control previo a la formación de substancias peligrosas.
12। Las substancias y las formas de su uso en un proceso químico, deben ser elegidas de manera que resulte mínima la posibilidad de accidentes.

BIOTECNOLOGIA AL RESCATE DEL MEDIO AMBIENTE

La biotecnología es la técnica que utiliza células vivas, cultivos de tejidos o moléculas derivadas de un organismo para obtener o modificar un producto, mejorar una planta, animal o desarrollar un microorganismo para utilizarlo con un propósito especifico.
La aparición de nuevas tecnologías, como la ingeniería genética, y un mejor conocimiento de los organismos, han permitido producir medicamentos en bacterias, mejorar cultivos vegetales y emplear microbios y plantas para limpiar el ambiente. Actualmente la industria emplea la biotecnología en áreas como:

Biopolímeros
Como bien se conoce la mayoría de objetos que utilizamos en nuestra vida cotidiana están formados por polímeros; estos derivan prácticamente en su totalidad del petróleo. Estas gigantescas moléculas son hoy en día una grave amenaza para la naturaleza; por ello las investigaciones actuales se centran en la biodegradación y en el reciclaje de todos estos productos de los que parece que ya no podemos prescindir. En la actualidad se está avanzando mucho en la obtención de Polímeros Biodegradables, ya que estos se obtienen de plantas, microorganismos o incluso de algunos animales (como por ejemplo las arañas).
Como hemos visto las cosas en este mundo tienen su tiempo contado, les lleva más o menos tiempo degradarse de una u otra forma. Una manera es la biodegradación, que es cuando algo es deshecho por organismos vivos (principalmente bacterias).
La facultad de algunos materiales de reintegrarse a la tierra por acción de la naturaleza es lo que se llama biodegrabilidad. El término está relacionado con la ecología, el manejo de desperdicios, y más que nada cuando se habla de plásticos, ya que estos tardan cientos de años en ser descompuestos.
En el proceso de biodegrabilidad algunas sustancias químicas (desechos orgánicos, papel, etc) pueden ser empleadas como alimento por los microorganismos, que las utilizan para producir energía y crear otras sustancias como aminoácidos, nuevos tejidos y nuevos organismos. El material orgánico pude ser degradado de forma aeróbica, con oxígeno (al aire libre), o de forma anaeróbica, sin oxígeno (algo enterrado). Hoy en día muchas cosas se fabrican con agentes biodegradables, como pasa con los detergentes.
Los plásticos biodegradables, realizados a partir de almidón de maíz o de trigo se están fabricando, actualmente, a escala industrial y son utilizados, por ejemplo, para las bolsas de residuos. La degradación de estos plásticos requeriría un período de seis a veinticuatro meses, bajo tierra o en el agua, según la tasa de incorporación de almidón. Ahora una empresa llamada Metabolix ha desarrollado un plástico biodegradable apodado Mirel.
El Mirel se degrada en el suelo, en el océano y en tierras anegadizas, o sea que se puede biodegradar casi en cualquier lado. Ya habíamos visto un invento de plástico degradable en agua salada, pero este Mirel es mucho mejor al poder degradarse en cualquier lado
Del mismo modo, los plásticos fabricados a base de centeno o de fibras comprimidas, completamente biodegradables, pueden reemplazar a los plásticos derivados del petróleo. Uno de ellos, a base de almidón de centeno, se presenta en forma de materiales granulados destinados a fabricación de platos.
Por otra parte, en el campo de la agricultura, los materiales biodegradables también ofrecen ventajas innegables. Los materiales biodegradables, después de ser reciclados, incinerados y compuestos, generarán subproductos como el agua, el dióxido de carbono y/o el metano, con la posible producción de una nueva biomasa no tóxica para el medio ambiente. Estos materiales mezclados con otros elementos fermentables permiten obtener abonos compuestos.
Lo que tenemos que mencionar es que la Biotecnología ayudo en sus primeras aplicaciones a la limpieza del agua residual seguida por la purificación del aire y gases de desecho mediante el uso de Biofiltros.
Los biofiltros tienen una matriz (material que sirve de soporte y que deja pasar el flujo de aire a tratar) y microorganismos. Estos microorganismos hacen que la contaminación sea retenida, acumulada o destruida. El material biológico funciona como un catalizador a escala reducida.
Los sistemas vivos usados para degradar la contaminación pueden reproducirse de manera natural. Además, resultan mucho más baratos y, evidentemente, tienen menos efectos negativos sobre el medio ambiente que los de base química.
Un biofiltro usa materiales orgánicos húmedos para absorber y degradar compuestos olorosos. El material, fresco y humedecido, procesa el aire que se inyecta mediante una rejilla de tubos horadados en un lecho de filtración. Los materiales que se usan para la construcción de biofiltros son el compost, la turba, astillas de madera y corteza de árboles, a veces mezclados con materiales biológicamente inertes, como la grava, para mantener una porosidad adecuada y son mantenidos a una humedad adecuada para que tenga lugar el desarrollo microbiano.
La biofiltración de efluentes gaseosos se define como un proceso biológico utilizado para el control o tratamiento de compuestos volátiles orgánicos e inorgánicos presentes en la fase gaseosa. En la biofiltración, los microorganismos son los responsables de la degradación biológica de los contaminantes volátiles contenidos en corrientes de aire contaminado.
Durante el proceso de biofiltración, el aire pasa a través de los poros del material filtrante que sirve de soporte a bacterias en crecimiento. La degradación de los contaminantes ocurre previa transferencia del aire a un medio líquido en donde es utilizado como fuente de carbono y energía (compuestos orgánicos) o como fuente de energía (compuestos inorgánicos). La utilización implica producción de biomasa y la oxidación parcial o total del contaminante. De esta manera, los procesos de biofiltración dan lugar a una descomposición completa de los contaminantes, creando productos no peligrosos.