Equipo de investigación desarrolla proceso para bio

Jul 11, 2023

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Hasta ahora, el nailon se producía a partir de materias primas derivadas del petróleo. Sin embargo, esto es bastante perjudicial para el medio ambiente, porque se utilizan recursos fósiles no renovables, se necesita mucha energía y durante la producción se emite óxido nitroso, que es perjudicial para el clima. Un equipo de investigación del Centro Helmholtz de Investigación Medioambiental (UFZ) y la Universidad de Leipzig ha desarrollado un proceso que puede producir ácido adípico, uno de los dos componentes del nailon, a partir de fenol mediante síntesis electroquímica y el uso de microorganismos. El equipo también demostró que el fenol puede sustituirse por materiales de desecho de la industria maderera. Esto luego podría usarse para producir nailon de base biológica. El trabajo de investigación fue publicado en Green Chemistry.

En camisetas, medias, camisas y cuerdas, o como componente de paracaídas y neumáticos de automóviles, las poliamidas se utilizan en todas partes como fibras sintéticas. A finales de los años 30 se acuñó el nombre de nailon para este tipo de poliamidas sintéticas. Nylon-6 y Nylon-6.6 son dos poliamidas que representan alrededor del 95% del mercado mundial del nailon. Hasta ahora, se producían a partir de materias primas de origen fósil. Sin embargo, este proceso petroquímico es perjudicial para el medio ambiente porque emite alrededor del 10% del óxido nitroso (gas de la risa) perjudicial para el clima en todo el mundo y requiere una gran cantidad de energía. "Nuestro objetivo es hacer que toda la cadena de producción de nailon sea respetuosa con el medio ambiente. Esto es posible si utilizamos residuos de origen biológico como materia prima y hacemos que el proceso de síntesis sea sostenible", afirma el Dr. Falk Harnisch, jefe del grupo de trabajo de Electrobiotecnología del Centro Helmholtz de Investigación Ambiental (UFZ).

Los investigadores de Leipzig dirigidos por Falk Harnisch y el Dr. Rohan Karande (Universidad de Leipzig/Centro de Investigación y Transferencia de Materia Bioactiva b-ACTmatter) describieron cómo se puede lograr esto en un artículo publicado en Green Chemistry. Por ejemplo, el nailon se compone aproximadamente de un 50 % de ácido adípico, que hasta ahora se extraía industrialmente del petróleo. En un primer paso, el fenol se convierte en ciclohexanol, que luego se convierte en ácido adípico. Este proceso que consume mucha energía requiere altas temperaturas, alta presión de gas y una gran cantidad de disolventes orgánicos. También libera mucho óxido nitroso y dióxido de carbono. Los investigadores han desarrollado ahora un proceso mediante el cual pueden convertir el fenol en ciclohexanol mediante un proceso electroquímico. "La transformación química detrás de esto es la misma que en los procesos establecidos. Sin embargo, la síntesis electroquímica reemplaza el gas de hidrógeno con energía eléctrica que tiene lugar en una solución acuosa y sólo requiere presión y temperatura ambiente", explica Harnisch. Para que esta reacción se desarrolle lo más rápida y eficientemente posible, se necesita un catalizador adecuado. Esto maximizaría el rendimiento de electrones necesarios para la reacción y la eficiencia de la conversión de fenol en ciclohexanol. En experimentos de laboratorio, los mejores rendimientos (casi el 70% de electrones y poco más del 70% de ciclohexanol) se obtuvieron con un catalizador de rodio a base de carbono. "El tiempo de reacción relativamente corto, el rendimiento eficiente y el uso eficaz de la energía, así como las sinergias con el sistema biológico, hacen que este proceso sea atractivo para la producción combinada de ácido adípico", afirma el Dr. Micjel Chávez Morejón, químico de la UFZ y primer autor. de El estudio. En investigaciones anteriores, otros dos grupos de trabajo de la UFZ, dirigidos por las doctoras Katja Bühler y Bruno Bühler, descubrieron cómo la bacteria Pseudomonas taiwanensis puede convertir el ciclohexanol en ácido adípico en un segundo paso. "Hasta ahora no había sido posible convertir microbianamente el fenol en ciclohexanol. Hemos solucionado este problema con la reacción electroquímica", afirma el Dr. Rohan Karande, que ahora continúa este trabajo en colaboración con la UFZ de la Universidad de Leipzig.

Los investigadores de Leipzig lograron cerrar otra brecha en la producción de nailon respetuosa con el medio ambiente desarrollando una alternativa al fenol producido a partir de materias primas de origen fósil. Para ello utilizaron monómeros como el siringol, el catecol y el guaiacol, todos los cuales se producen como producto de degradación de la lignina, un producto de desecho de la industria maderera. "Con estas sustancias modelo hemos podido demostrar que juntos podemos llegar hasta el ácido adípico", afirma Harnisch. Rohan Karande añade: "En todo el mundo se producen alrededor de 4,5 millones de toneladas de ácido adípico. Si para ello se utilizaran productos de desecho de la industria maderera, el impacto en el mercado mundial sería considerable".

Sin embargo, aún queda un largo camino por recorrer antes de que el nailon a base de lignina esté listo para comercializarse. Por ejemplo, hasta ahora los científicos han logrado un rendimiento del 57% en el proceso total de 22 horas (es decir, de los monómeros de los residuos de lignina mediante etapas de reacción microbiana y electroquímica al ácido adípico). "Es un muy buen rendimiento", afirma Micjel Chávez Morejón. Los resultados todavía se basan en pruebas de laboratorio en una escala de mililitros. Las condiciones previas para ampliar el proceso se crearán en los próximos dos años. Esta transferencia de tecnología requiere no sólo una mejor comprensión de todo el proceso, sino también, entre otras cosas, el uso de mezclas de lignina reales en lugar de mezclas modelo (como hasta ahora) y la mejora de los reactores electroquímicos. Harnisch y Karande están de acuerdo: "El proceso del nailon a base de lignina ejemplifica el gran potencial de los procesos electroquímicos-microbianos, ya que mediante la combinación inteligente de varios componentes se puede establecer una cadena de proceso óptima".

Micjel Chávez Morejón, Alexander Franz, Rohan Karande y Falk Harnisch: Electrosíntesis y biosíntesis integradas para la producción de ácido adípico a partir de fenoles derivados de lignina. Química verde; 2023

El descubrimiento podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de la fabricación de combustibles, medicamentos y productos químicos.

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Micjel Chávez Morejón, Alexander Franz, Rohan Karande y Falk Harnisch: Electrosíntesis y biosíntesis integradas para la producción de ácido adípico a partir de fenoles derivados de lignina. Química verde; 2023

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