Un futuro prometedor para el cacao. Así lo demuestran las cerca de 57.000 toneladas de este grano producidas por Colombia el año pasado, en una coyuntura del posconflicto en la que este producto se perfila como un sustituto de los cultivos ilícitos, según fuentes de la Presidencia de la República.
Precisamente, el Semillero de Investigación Sostenibilidad en Procesos de Utadeo ha centrado su mirada en los residuos del cacao, tales como la cascarilla y la cáscara de este fruto, para transformarlas en materiales que pueden ser aprovechados en los sectores energético y agroindustrial, entre otros.
Secado de la cascarilla de cacao.
Desde el semillero liderado por la profesora Laura Rosa Conde, en colaboración con el profesor Franz López, del Departamento de Ingeniería, se busca modificar la cascarilla en materiales adsorbentes, catalizadores y supercapacitores, a partir de la obtención de carbones activados. Aunque países como China, Japón, India y España han trabajado en la transformación de material lignocelulósico, como se le conoce a los desechos de origen vegetal, el planteamiento de los investigadores tadeístas es único en su tipo al aplicarlo a los residuos del cacao.
En el caso de los catalizadores, se trabaja en conjunto con el Semillero en Bioprocesos y Biorrefinerías, liderado por la profesora Yineth Piñeros, para utilizar los carbones activados en la transformación de hemicelulosa (fibra vegetal) en furfural, un compuesto químico de origen renovable que puede sustituir a derivados del petróleo en la fabricación de plásticos y como base de algunos herbicidas e insecticidas, entre otras aplicaciones. En este proyecto participan las estudiantes Paola Gutiérrez, Paula Perilla y Geraldine Piñeros.
Por su parte, como supercapacitores, los carbones pueden albergar en sus poros y microporos, iones que participan en la liberación de electrones (energía eléctrica), convirtiéndose en un componente sostenible que puede incorporarse en diferentes tipos de baterías. Allí, las estudiantes Lilian Ramírez, Leidy Ibagon y Marcela Molina lideran el proceso.
Proceso de separación del agente activante.
Algo similar ocurre con la función de los carbones activados como adsorbente, pues los poros y microporos posibilitan el almacenamiento de moléculas en un área entre 500 y 2.000 metros cuadrados, equivalente a una superficie entre 10 y 40 apartamentos convencionales, en tan solo 1 mililitro del material. En dichos poros se pueden albergar diversos tipos de gases como hidrógeno , metano o dióxido de carbono, así como contaminantes como metales pesados o pesticidas.
Así mismo, otro grupo de estudiantes trabaja en la modificación de la química superficial de la cascarilla como uno de los insumos para la fabricación de empaques biodegradables de alimentos.
Activación química de la cascarilla.
Así se obtienen carbones activados
El proceso inicia con la recolección de la cascarilla de cacao proveniente de la Compañía Nacional de Chocolates. Luego, se somete a un proceso de lavado y posteriormente de secado hasta la obtención de su peso real o constante, usando hornos de convección, similares a los empleados en los grandes restaurantes, a una temperatura entre 100 a 110 °C.
En tercer lugar, la cascarilla es triturada en un molino de paletas hasta obtener un tamaño de partícula entre 1 y 3 milímetros, el cual se somete a un proceso de separación por tamizado, permitiendo así obtener el tamaño de partícula que los investigadores requieren, que es de 1 milímetro.
Para la producción de carbones activados que sirvan como electrodos para supercapacitores, el material se somete a un proceso de impregnación a una temperatura de 85 °C, que consiste en sumergir o humectar las partículas con un agente químico líquido durante un determinado tiempo, en un dispositivo que permita mantener las partículas en constante agitación. En esta aplicación, el agente químico que se emplea es el hidróxido de potasio, encargado de romper enlaces químicos al interior de la partícula, para facilitar la formación de los poros que le confieren su principal característica, que es la de almacenamiento.
Secado cascarillas de cacao, paso inicial para acondicionar la cascarilla de cacao.
Posteriormente, el material vuelve a someterse a un proceso de secado, a 100 °C en un horno, y luego se dispone en un reactor con un flujo constante de nitrógeno a temperaturas que oscilan entre 500 y 800 °C, proceso que se conoce como carbonización. Finalmente, el material se lava con agua para retirar residuos del agente químico, y se seca. El producto final es un carbón activado con propiedades de supercapacitor. Desde el semillero se busca establecer cuál es el desempeño de este tipo de carbones activados como almacenadores de iones, así como su ciclo de capacitancia o vida útil.
Para el caso de la obtención de un material adsorbente de gases o precursor de catalizador, el proceso es exactamente igual hasta la fase de impregnación, pues a diferencia del anterior método, aquí se utiliza ácido fosfórico, a una temperatura de 80 °C. Posterior a ello, el material pasa al proceso de carbonización en atmósfera de nitrógeno, a una temperatura entre los 400 y los 800 °C, empleando un reactor tubular.
La apertura de los poros y microporos, que pueden tener diámetros de unos dos nanómetros, es decir dos mil millonésimas partes de un metro, es posible en la carbonización gracias a que, mediante el calentamiento, se liberan moléculas que al salir dejan orificios cuyas paredes quedan disponibles para absorber gases u otros tipos de moléculas.
La investigación busca establecer cuál es el área superficial o capacidad que el carbón activado puede tener para almacenar gases, a partir de la medición del volumen adsorbido de nitrógeno sobre su superficie, aplicado en diferentes presiones, lo que se conoce como isoterma de adsorción de nitrógeno.
