Avelino Corma: “Nuestros catalizadores convierten residuos de biomasa en biocombustibles”

Avelino Corma lleva 30 años investigando en catálisis aplicada a diversos ámbitos, pero con un objetivo común: “El proceso catalítico acelera una reacción y, como resultado, obtenemos más producto -el que sea en cada caso-, en menos tiempo y generando menos residuos”. Esta es la función de los catalizadores sostenibles que desarrolla en el Instituto de Tecnología Química (ITQ, UPV-CSIC) que él mismo fundó en 1990. El adjetivo ‘sostenibles’ es crucial en un momento en el que la ciencia busca soluciones para lograr una economía baja en carbono y mitigar el cambio climático. En este punto, la catálisis tiene mucho que decir: procesos industriales más sostenibles, reutilización de residuos o generación de energía limpia como el hidrógeno verde son algunas de las líneas de investigación de esta disciplina.

Galardonado con numerosos premios nacionales e internacionales, Corma es autor de más de 900 artículos en revistas de investigación y más de 200 patentes, muchas de las cuales ya se utilizan en procesos industriales. Este científico sostiene que es una obligación reducir el consumo de energía, pero también es optimista respecto al reto de transitar hacia un modelo energético más sostenible: “La humanidad ha creado problemas y es en la ciencia y la tecnología donde hemos encontrado las respuestas y las soluciones”.

Pregunta: A diario consumimos innumerables productos que se han fabricado mediante catálisis. Sin embargo, este concepto aún es bastante desconocido para el público general. ¿Cómo podemos definirlo?

Respuesta: Con frecuencia escuchamos expresiones como ‘así podemos catalizar las relaciones entre las personas’. En este caso, catalizar significa facilitar; si hablamos de reacciones químicas, catalizar quiere decir aumentar la velocidad de la reacción. Sin catálisis, muchas reacciones tardarían en realizarse horas, días y hasta meses. Cuando utilizamos un catalizador, este tiempo se puede reducir y obtener así el producto deseado en minutos, a veces incluso en segundos. Muchos de los procesos que se llevan a cabo en química utilizan catalizadores para hacer la reacción lo más rápido posible o, dicho de otra forma, producir el máximo número de kilogramos o toneladas por unidad de reactor. Para explicar la catálisis, el modelo de los enzimas -nuestros catalizadores biológicos- es fantástico: no solo aumentan la velocidad de la reacción que se produce en nuestro organismo, sino que la dirigen a los productos que se quieren obtener. De lo contrario, si los enzimas no fueran selectivos, generaríamos en nuestro cuerpo muchísimos subproductos que al final nos envenenarían. Esto es exactamente lo que buscamos en los procesos químicos: llevarlos a cabo de manera rápida, eficaz y eficiente, dirigiéndolos al producto deseado y evitando la formación de subproductos.

P: ¿Hasta qué punto la catálisis está en todas partes? ¿Puede poner algunos ejemplos?

R: Hay muchísimos. En la fabricación de polímeros y fibras sintéticas [todos los materiales plásticos industriales] se utilizan catalizadores; también en la fabricación de la mayoría de los productos farmacéuticos; y otro tanto sucede con gran parte de los procesos de refino y petroquímica [rama de la química centrada en la transformación del petróleo crudo y el gas natural para obtener productos o materias primas útiles]. Además, la catálisis está en todo tipo de jabones y perfumes. Igualmente, usamos catalizadores en las conversiones que estamos haciendo de biomasa [materia orgánica presente en determinados residuos que puede utilizarse como fuente de energía] en productos químicos, y en la obtención de hidrógeno a partir del agua. También los necesitamos para reducir el CO₂ emitido a la atmósfera en la fabricación de combustibles o productos químicos.

P: Su investigación se ha centrado en el diseño y desarrollo de catalizadores heterogéneos y sostenibles para diferentes aplicaciones. ¿Qué significan esos dos adjetivos?

R:Pretendemos conseguir un diseño molecular y síntesis de los catalizadores para realizarlos a demanda, es decir, según la reacción que queramos catalizar, encontrar el catalizador que sería más adecuado para ella, por su elevada actividad y selectividad al producto deseado. Nuestros catalizadores son heterogéneos porque están en distinta fase que los reactivos empleados. Concretamente preparamos catalizadores sólidos para llevar a cabo reacciones con reactivos que están fase gas o en fase líquida o líquido-gaseosa. La ventaja que tienen es que pueden trabajar de forma constante: se alimentan de manera continua los reactivos a la entrada del reactor y se extraen de manera continua los productos obtenidos. Cuando decimos que son catalizadores sostenibles nos referimos a que no solamente buscamos que los métodos para prepararlos sean lo más sostenibles posible, sino que además con estos catalizadores vamos a llevar a cabo una química cada vez más sostenible.

P: Algunos de estos catalizadores que ha desarrollado ya se utilizan en la industria. ¿Puede poner algún ejemplo?

R: Sí. Por ejemplo, para la fabricación de biodiésel [biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de aceites vegetales o grasas animales]. Alimentamos los ésteres de los ácidos grasos y en el catalizador eliminamos el oxígeno de la molécula; así obtenemos un hidrocarburo proveniente de la biomasa y que puede ser utilizado directamente como combustible.

P: Decía que con sus catalizadores se logra una química más sostenible. ¿Por qué? ¿Cómo se relaciona su investigación en catálisis con la transición energética y la búsqueda de procesos industriales más eficientes desde un punto de vista energético?

R: Diseñamos catalizadores multifuncionales, es decir, con distintos centros activos para llevar a cabo reacciones en cascada. Esto supone que reacciones catalíticas para obtener productos que usamos a diario, y que ahora se llevan a cabo en 2, 3 o 4 etapas, pueden realizarse en una sola: el reactivo A se transforma en el B, que a su vez se transforma en el C, que a su vez se transforma en el producto final D. Todo esto ocurre en un reactor con un solo catalizador. Así se logra un ahorro de energía muy importante. En un proceso normal en tres etapas, después de cada etapa habría que hacer separación de productos, purificación, alimentación al segundo reactor, llevar a cabo la reacción, de nuevo separación y purificación, llevar el producto a un tercer reactor, etc. Pensemos en la cantidad de energía que se necesita para esto. Si se hace en una sola etapa, entra el producto A y sale el producto D.

En aplicaciones de la catálisis en procesos de energía sostenible, me he centrado en el desarrollo de catalizadores que permitan convertir residuos derivados de la biomasa (residuos forestales, agrícolas, orgánicos, urbanos) en biocombustibles de aviación, así como la obtención de moléculas que se utilizan en la fabricación de fibras y polímeros, surfactantes, etc.

P: Esto permite el reaprovechamiento o reutilización de determinados residuos y enlaza con la noción de economía circular.

R: Sí, enlaza con la economía circular por la utilización de residuos y la disminución de las emisiones de CO₂ por combustión de hidrocarburos fósiles.

P: ¿Pueden los avances en catálisis aportar soluciones a la crisis energética y contribuir a la transición hacia otro modelo más sostenible, por ejemplo, basado en el uso de hidrógeno?

R: Sí. De hecho, actualmente, para obtener hidrógeno mediante electrólisis del agua se emplean catalizadores. Esta tecnología se utiliza para la producción de hidrógeno verde.

P: El despliegue de esa tecnología responde al objetivo de descarbonizar la economía y que el hidrógeno nos suministre la energía limpia que necesitamos. Pero, de momento, la producción del denominado hidrógeno verde, aquel que se obtiene de energías renovables y sin generar emisiones contaminantes, no está muy extendida.

R: Esta tecnología no está muy desarrollada en el sentido de que aún no está muy explotada comercialmente, porque no compite en precio con la que produce hidrógeno derivado del gas natural. Pero ahora que se quiere obtener hidrógeno verde, el sistema que va a funcionar es precisamente ese: el uso de electrolizadores, que ya existen, para lograr, mediante un proceso catalítico -la electrólisis-, la disociación del agua en hidrógeno y oxígeno.

P: En los próximos años, ¿podría darse una evolución similar a la que hemos visto en otras energías renovables, en el sentido de que poco a poco se vayan abaratando los costes de esta tecnología y pueda obtenerse hidrógeno verde a gran escala?

R: Claro que sí. Al final el problema es tener energía renovable accesible y barata. Si tenemos la energía, con ella generamos electricidad y disociamos el agua para producir hidrógeno. En estos momentos se está llevando a cabo un esfuerzo de investigación en la obtención de células fotovoltaicas más eficientes.

P: La catálisis puede aportar soluciones para realizar la transición energética, pero ¿serán suficientes? ¿O la ciencia y la investigación se quedan cortas y es necesario un cambio de modelo más profundo, que pase por menos consumo y menos crecimiento?

R: Muchos de los recursos son limitados. ¿Qué sucede con el agua? Que cada vez consumimos más y más. Está claro que la solución no es solamente la que se persigue en estos momentos: buscar más yacimientos y explorar más reservas que no habíamos considerado. Esto tiene un límite. Tenemos que disminuir el consumo. Y lo mismo sucede con la energía. Si queremos ir hacia un mundo más sostenible, lo primero que tenemos que hacer es ahorrar energía. Probablemente podríamos tener el mismo nivel de vida consumiendo un 15% menos de energía. Eso está ya a nuestro alcance, depende de nosotros, no de la ciencia y la tecnología. Para el resto, sí creo en la ciencia. La humanidad ha creado problemas y es en la ciencia y la tecnología donde hemos encontrado las respuestas y las soluciones.

P: ¿Cuáles serían los grandes retos de futuro en la investigación en catálisis?

R: Tenemos varios desafíos. Uno de ellos es activar moléculas que son más difíciles de activar, por ejemplo, activar y transformar el CO2 de manera eficaz y eficiente. Eso ya se hace, pero ni mucho menos está en su óptimo, es necesario investigar más porque ahí hay potencial. Otro ejemplo es el nitrógeno. Hoy la energía que se gasta para la fabricación de amoniaco es tremenda. Si tuviéramos métodos catalíticos para activar ese nitrógeno de manera más sencilla, hacerlo reaccionar con el hidrógeno y obtener amoniaco con menos consumo de energía, sería un avance. El segundo reto, que es permanente, es disminuir la producción de residuos con catalizadores más selectivos. Y el tercero sería mejorar la intensificación de procesos mediante la catálisis.

P: ¿Podemos afirmar que para lograr una química verde o sostenible necesitamos sí o sí una catálisis sostenible?

R: Sí, por eso hablábamos antes de catalizadores sostenibles. Por ejemplo, hay muchas reacciones que se pueden llevar a cabo utilizando ácido sulfúrico o ácido clorhídrico, pero para preparar estos ácidos se necesita una gran cantidad de energía. Para el segundo, tienes que utilizar cloro, y para el sulfúrico, tienes que usar dióxido de azufre y además no es fácilmente manejable, mientras que si tenemos un catalizador sólido-ácido, que no es agresivo y es capaz de hacer la misma catálisis que esos ácidos, el proceso será más sostenible.

P: ¿En qué proyectos relacionados con catálisis y energía trabaja actualmente

R: Estamos trabajando en el proyecto europeo EBIO, que pretende, a partir de residuos de biomasa y a través de la combinación de un proceso electroquímico -en la electroquímica hay catálisis- y un proceso catalítico clásico (con catalizadores sólidos), obtener moléculas para la industria química y biocombustibles. El objetivo es producir combustibles sostenibles con alto contenido energético a partir de biomasas procedentes de las industrias agroalimentaria y papelera. También tenemos un proyecto nacional, HIDROSAF, que va dirigido a obtener combustible de aviación a partir de residuos forestales y urbanos. Además, estamos trabajando en varios proyectos relacionados con la conversión de residuos de biomasa y residuos plásticos para producir biocombustibles y moléculas para la industria química en general, y en otro proyecto más para atrapar CO2 procedente de emisiones y transformarlo en hidrocarburos, en el que colaboramos con varias compañías.

P: ¿Estamos a la vanguardia en investigación en catálisis? ¿Qué posición ocupa el CSIC?

R: Yo diría que sí, España está muy bien situada internacionalmente en el campo de la catálisis. Y, desde luego, los centros del CSIC que trabajan en catálisis ocupan un lugar prominente.

Mónica Lara del Vigo / CSIC Comunicación