El Dr. David Serrano, Director del Instituto IMDEA Energía y Catedrático de Ingeniería Química en la Universidad Rey Juan Carlos, ha sido galardonado con el Premio de Investigación Miguel Catalán 2023 de la Comunidad de Madrid en la modalidad de carrera científica.

Este importante reconocimiento pone en valor sus logros científicos, su contribución a la formación de investigadores y creación de escuela y la repercusión nacional e internacional de sus trabajos durante toda su trayectoria profesional.

Licenciado en Ciencias Químicas (1985) y Doctor en Química Industrial por la Universidad Complutense de Madrid (1990). Investigador Visitante en el Instituto Tecnológico de California y en la Universidad de California en Santa Bárbara. Profesor Titular en la Universidad Complutense de Madrid, trasladándose a continuación a la Universidad Rey Juan Carlos, donde obtuvo una plaza de Catedrático en el área de Ingeniería Química en el año 2002. En esta universidad también ha desempeñado diferentes cargos académicos: Coordinador de Ciencias Ambientales, Vicerrector de Investigación e Innovación Tecnológica y Director del Departamento de Tecnología Química, Ambiental y de los Materiales.

En el año 2007 es designado director del Instituto IMDEA Energía, cargo que ha desempeñado desde la fundación de este centro de investigación hasta la actualidad. Recientemente, y contando con su liderazgo, IMDEA Energía ha conseguido la prestigiosa acreditación como Unidad de Excelencia María de Maeztu, otorgada por el Ministerio de Ciencia e Innovación.

Ha participado en aproximadamente 85 proyectos y contratos de investigación y es autor de más de 260 publicaciones en revistas científicas indexadas, con un impacto medio de más de 50 citas por publicación (índice h = 68, Scopus). Asimismo, en las diferentes ediciones del ranking elaborado por la Universidad de Stanford aparece dentro del 2% de los científicos más influyentes a nivel mundial.

Sus contribuciones científicas más relevantes se han centrado en el desarrollo de catalizadores con aplicaciones en economía circular, producción de hidrógeno y biocombustibles avanzados y valorización de CO₂. Entre sus logros, se encuentra el desarrollo de nuevas estrategias para la síntesis de zeolitas de porosidad jerarquizada y elevada accesibilidad, siendo uno de los investigadores líderes a nivel internacional en esta línea. Recientemente, ha conseguido una prestigiosa “ERC Advanced Grant” en la que ha propuesto un concepto disruptivo de zeolitas dotadas de una nanoestructura dendrítica con potenciales aplicaciones en campos muy diversos. Asimismo, su grupo de investigación ha sido pionero en la utilización de catalizadores zeolíticos y mesoestructurados en procesos de reciclado químico de residuos plásticos, contribuyendo a disminuir su impacto ambiental y promoviendo su circularidad.

David Serrano ha agradecido el galardón destacando que su consecución no es sólo un éxito personal, sino que ha sido posible gracias a la extraordinaria y entusiasta contribución de un numeroso grupo de investigador@s con l@s que ha tenido la oportunidad de colaborar a lo largo de su paso por diferentes instituciones, en particular por la Universidades Complutense de Madrid, la Universidad Rey Juan Carlos y el Instituto IMDEA Energía.

La Dra. Patricia Horcajada, responsable de la Unidad de Materiales Porosos de IMDEA Energía, ha sido reconocida en los Premios a la excelencia investigadora “Doctora de Alcalá” 2023 de la Universidad de Alcalá en la categoría de Investigadora Joven en Ciencias Experimentales.

El galardón considera la excelencia de las contribuciones científicas, el impacto de las mismas, la capacidad de liderazgo, así como el equilibrio y calidad que presenta la trayectoria investigadora.

Horcajada posee una formación científica multidisciplinar. Licenciada en Farmacia (2001) y Doctorada en Ciencia de los Materiales (2005) por la Universidad Complutense de Madrid, en 2005 se incorporó al Institut Lavoisier (Francia), primero como investigadora postdoctoral y luego como investigadora del CNRS en el año 2007.

Desde 2016, Patricia es Investigadora Senior y Jefa de la Unidad de Materiales Porosos Avanzados en IMDEA Energía. Su actividad investigadora se centra en el desarrollo de nuevos materiales multifuncionales y su aplicación en áreas como la energía, el medio ambiente o la salud.

Ha sido galardonada con varios reconocimientos, como el Joven Talento Femenino de la Real Academia de Ciencias 2022, Jóvenes Investigadores Lideres de Grupo de la Real Sociedad Española de Química RSEQ 2020, Leonardo award 2017 o el Premio de Investigación de la Comunidad de Madrid Miguel Catalán 2016. Además, se encuentra entre el 2% de los mejores investigadores del mundo según la clasificación elaborada por la Universidad de Stanford.

Gracias a la ciencia y desarrollo de la tecnología la mayoría de las sociedades actuales han alcanzado unos estándares de confort y salud que bien hubieran podido parecer de ciencia ficción para nuestros antepasados no muy lejanos. Pero este nivel de vida, sustentado por un sistema de economía lineal, y basado en la obtención de un beneficio rápido mediante la producción de bienes de “usar y tirar”, ya no es sostenible. El impacto que dicho modelo ha tenido deteriorando el medio ambiente, y poniendo el riesgo crítico la disponibilidad de algunos recursos, ha puesto en evidencia la necesidad de llevar a cabo acciones para amortiguar, o en la medida de lo posible, revertir la situación.

La economía circular propone un nuevo modelo productivo, donde la máxima sea la sostenibilidad para asegurar la preservación del medio y de los recursos a las generaciones futuras. Para ello se busca la mejora o el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan aumentar su eficiencia, así como el uso de energías respetuosas con el planeta.

Una de las acciones más innovadoras es la de convertir los residuos en materias primas que puedan reintroducirse en los ciclos productivos el máximo tiempo posible y minimizar así su gestión final como desecho. En este contexto, la Unidad de Procesos Termoquímicos de IMDEA Energía trabaja en el desarrollo de catalizadores y procesos adaptados para la valorización de residuos sólidos orgánicos, convirtiéndolos en combustibles líquidos o productos químicos de interés comercial.

En particular, apuesta por la tecnología de pirólisis catalítica, donde los residuos son descompuestos por efecto de la temperatura, en ausencia de oxígeno, y con la asistencia de un catalizador. Como resultado de la pirólisis se obtiene habitualmente tres tipos de productos: un gas, constituido mayormente por CO2, CO e hidrocarburos volátiles; un sólido carbonoso con diferentes usos potenciales; y un líquido orgánico, fuente de hidrocarburos combustibles y/o de compuestos químicos comerciales. La proporción y propiedades de los productos de pirólisis dependen de diversos factores que han de ser explorados y optimizados, destacando, el tipo de residuo, las condiciones de operación y el tipo de catalizador empleado.

Entre los residuos evaluados por la Unidad de Procesos Termoquímicos, se encuentran los restos alimenticios y de poda de jardines, habituales en los biorresiduos urbanos. Éstos han sido seleccionados porque la gestión de biorresiduos urbanos es una de las grandes preocupaciones ambientales en la actualidad. Por ejemplo, en la Unión Europea representan la fracción individual más grande entre los desechos sólidos municipales (34% en promedio del flujo total de residuos) con una tasa de generación de aproximadamente 88 toneladas cada año. Mediante ensayos de coprocesado conjunto de ambos tipos de residuos, y utilizando un catalizador zeolítico bajo condiciones de reacción optimizadas, el equipo de investigación ha logrado mejorar de manera significativa el rendimiento a productos de gran interés comercial, como son los compuestos monoaromáticos (tolueno, xileno y alquilbencenos).

Más información: https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107738

Los productos agroquímicos, principalmente fertilizantes y pesticidas, son compuestos fundamentales en agricultura, ya que sin ellos sería imposible satisfacer la enorme demanda de alimentos del mundo actual. Aunque el uso de agroquímicos es una práctica antigua, en la actualidad su uso excesivo está deteriorando la calidad de los ecosistemas, lo que repercute en la salud pública e incluso conduce al desarrollo de nuevas cepas resistentes.

En los últimos años se han propuesto diferentes estrategias con el fin de reducir la cantidad de agroquímicos necesarios para garantizar protección y el crecimiento de los cultivos, entre ellas el desarrollo de nanomateriales capaces de mejorar la solubilidad y estabilidad de los agroquímicos, liberarlos de forma controlada y dirigida y mejorar su biodisponibilidad y adhesión.

En este contexto, una nueva clase de materiales porosos, conocidos como Polímeros de Coordinación Porosos o MOFs (de las siglas en inglés Metal-Organic Frameworks) ha suscitado un creciente interés para la eficiente incorporación y posterior liberación controlada de moléculas activas. Comparados con los materiales porosos clásicos (carbones, sílicas), los MOFs presentan una serie de ventajas en agricultura, dado que son muy porosos, presentan centros reactivos donde pueden interaccionar diferentes agroquímicos, son estables en agua y pueden modificarse para conseguir las propiedades deseadas (p. ej. adherencia a la planta).

AgroMOFs, una vía prometedora para conseguir agroquímicos multifuncionales

En IMDEA Energía, la Unidad de Materiales Porosos Avanzados está compuesta por expertos en la síntesis y caracterización de nuevos materiales porosos y su aplicación en campos diversos, como la energía o el medioambiente. En colaboración con la Universidad de Granada, se ha desarrollado un nuevo material tipo MOF llamado GR-MOF-7, basado en dos ingredientes activos: el herbicida de origen natural (glufosinato) y cobre, como nutriente y con actividad antibacteriana. Hay que destacar que es la primera vez que se sintetiza un MOF utilizando como precursores compuestos agroquímicos (glufosinato y cobre), lo que hemos definido como AgroMOFs.

En primer lugar, y teniendo en cuenta que los plaguicidas se suelen pulverizar en forma de solución acuosa o en suspensión en los campos, en este trabajo se demuestra la estabilidad de GR-MOF-7 en agua durante al menos cinco días. Además, se ensayó su actividad agroquímica (bactericida y herbicida) frente a dos tipos de bacterias que provocan infecciones en plantas (Staphylococcus aureus y Escherichia coli), y la mala hierba Raphanus sativus, especie invasora en cultivos de bayas y vid. GR-MOF-7 es efectivo frente a ambos tipos de bacterias, incluso mejora la actividad antibacteriana de sus precursores individuales. Por otro lado, la actividad herbicida de GR-MOF-7 también mejora a la de sus precursores, ya que es capaz de secar en ocho días la mala hierba Raphanus sativus, mientras que el glufosinato permanece inactivo.

Estos resultados ponen en evidencia que la construcción de MOFs basados en herbicidas y antibacterianos es una estrategia prometedora para conseguir agroquímicos multifuncionales, abriendo nuevas vías en la aplicación segura y eficiente de MOFs en agricultura.

Más información: 10.1021/acsami.2c07113

Los oleoquímicos son compuestos químicos derivados de los lípidos que pueden utilizarse como materia prima y como moléculas plataforma en una amplia variedad de industrias. En el sector del transporte, por ejemplo, el biodiesel producido a partir de lípidos podría reemplazar al combustible diésel.

Además de los combustibles, los ácidos grasos y sus derivados tienen una amplia gama de aplicaciones y pueden utilizarse como precursores de productos químicos agrícolas como plaguicidas, compuestos con fines nutricionales y farmacéuticos y otros productos como saborizantes, detergentes, lubricantes, disolventes o plastificantes, etc.

Alternativas ‘verdes’ para la industria química

Sin embargo, el uso de aceites vegetales no es suficiente para cumplir con la creciente demanda de productos oleoquímicos del mercado. En ese contexto, los aceites microbianos se presentan como alternativas “verdes” para poder así ampliar la disponibilidad de fuentes oleaginosas para la industria química.

La Unidad de Procesos Biotecnológicos de IMDEA Energía trabaja en la producción de aceites microbianos mediante levaduras oleaginosas a partir de residuos orgánicos. Los métodos actuales para medir estos lípidos en las levaduras son tediosos y presentan baja reproducibilidad, lo que hace la comparación de resultados entre laboratorios muy difícil.

En ese contexto, los investigadores de la Unidad de Procesos Biotecnológicos del instituto en colaboración con investigadores de la Unidad de Procesos Fotoactivados han desarrollado un rápido y preciso método fluorimétrico para la cuantificación de lípidos de levaduras. Los resultados destacan la necesidad de utilizar el rendimiento cuántico de fluorescencia para estimar los lípidos intracelulares, lo que a día de hoy no es la tendencia común en este tipo de estudios.

Los resultados de esta investigación se han publicado recientemente en la revista Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, referente mundial en el campo de la producción de Bioproductos y Biocombustibles.

Más información: https://doi.org/10.1186/s13068-022-02135-9

Dentro de la problemática actual de la gestión de los residuos plásticos, los procedentes de equipos eléctricos y electrónicos se están convirtiendo en uno de los temas candentes de la comunidad científica. El consumo de este tipo de equipos se ha incrementado significativamente en los últimos años, ya que contribuyen a alcanzar altos niveles de vida y su producción a gran escala los hace asequibles a gran parte de la sociedad. Pero al ser productos de vida corta, rápidamente se convierten en desechos y, debido a su heterogeneidad química y estructural, los sistemas de gestión actuales se han vuelto prácticamente insostenibles.

Las tecnologías actuales disponibles para la gestión de residuos plásticos son el reciclaje mecánico y químico, la incineración y, como opción final, la disposición en vertederos. Dentro del reciclaje termoquímico, la pirólisis se explora actualmente como alternativa principal para producir combustibles u otros productos químicos valiosos a partir de plásticos que no se pueden reciclar mecánicamente.

La pirólisis consiste en la descomposición térmica de plásticos en ausencia de oxígeno a temperaturas en el rango de 400-600 ºC, produciendo típicamente hasta cuatro fracciones: gas, líquido (oil o aceite de pirólisis), ceras y un sólido carbonoso (char). Optimizando las condiciones de reacción y en presencia de un catalizador (pirólisis catalítica), se pueden maximizar los rendimientos del oil. El papel del catalizador en este caso es doble: por un lado impulsar las reacciones de craqueo, lo que permite una mayor despolimerización de la materia prima en hidrocarburos más livianos, y promover otras reacciones que reduzcan la composición del aceite en productos químicos específicos y valiosos (por ejemplo, monoaromáticos).

Entre los catalizadores investigados en el proceso de pirólisis hasta ahora, las zeolitas exhiben un excelente desempeño debido a su acidez única y arquitectura de poros. En concreto, la zeolita ZSM-5 es reconocida como uno de los catalizadores más prometedores debido a su alta actividad de craqueo y menor generación de coque que otras zeolitas. Además, sus propiedades ácidas y de accesibilidad se pueden modificar para mejorar aún más su rendimiento en reacción.

Reciclaje de cables del sector electrónico

Los estudios de pirólisis catalítica con plásticos modelo son numerosos, sin embargo, no se encuentran tantos ejemplos cuando se trata de muestras reales con diversidad de polímeros en su composición, aditivos y material inorgánico. Las muestras que contienen PVC son especialmente problemáticas dado su alto contenido en cloro (hasta el 57% en peso), elemento que tiene que ser eliminado prácticamente en su totalidad para su introducción en las refinerías.

En este contexto, la Unidad de Procesos Termoquímicos del Instituto IMDEA Energía junto con investigadores de la Universidad de Calabria han estudiado la conversión de plásticos reales, mezclas de compuestos de polietileno (PE) y PVC, procedentes del reciclaje de cables del sector electrónico.

La estrategia seguida por ambas instituciones se ha basado en un proceso de pirólisis en dos etapas. En la primera de ellas, exclusivamente térmica, se somete a los residuos plásticos a una temperatura relativamente baja (350 ºC), liberándose en la mayor parte del cloro contenido en las moléculas de PVC en forma de ácido clorhídrico gas, reteniéndose este de forma segura en una disolución acuosa tras la reacción. Posteriormente, se somete a los plásticos resultantes a una segunda etapa a mayor temperatura, convirtiendo el plástico en vapores a la temperatura de reacción y haciéndolos pasar a través de un lecho de catalizador de zeolita ZSM-5 modificada para mejorar sus propiedades tanto de accesibilidad como de acidez.

Los resultados obtenidos demuestran que esta combinación es una estrategia eficiente para la producción de una fracción significativa de petróleo con una alta aromaticidad y alto índice de octano. Asimismo, se ha conseguido que el contenido de cloro sea lo suficientemente bajo como para ser finalmente procesado en unidades de refinería, tanto para producir combustibles de transporte como productos químicos.

Más información:  10.1016/j.cattod.2021.11.033