Isabel Fonts, ingeniera química, contratada Ramón y Cajal 2020. Entrevista.

Desde mis inicios en el mundo de la investigación, siempre me ha ilusionado y apasionado el trabajo que he realizado. Durante los primeros años de mi carrera investigadora (2004-2006), estuve trabajando en grupos de investigación pertenecientes a tres departamentos universitarios diferentes de la Universidad de Zaragoza, el Departamento de Química Analítica, el Departamento de Mecánica de Fluidos y el Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente, lo que hizo que trabajase en temas muy diferentes, como pueden ser la extracción y cuantificación de colorantes presentes en envases alimentarios mediante distintas técnicas analíticas o el desarrollo de software propio para el modelado fluidodinámico de la combustión de combustibles gaseosos.

Personalmente, valoro muy positivamente el haber trabajado en esos comienzos en tres laboratorios diferentes y en temas tan distintos, ya que esto me permitió adquirir diferentes capacidades que he podido desarrollar durante los años posteriores de mi carrera.

Posteriormente y gracias a una ayuda del Ministerio de Educación y Ciencia, realicé mi tesis doctoral sobre pirólisis de lodos de depuradora para la obtención de combustibles líquidos en el Grupo de Procesos Termoquímicos de la Universidad de Zaragoza. El tema de tesis que me propusieron en el grupo de investigación era muy novedoso y se obtuvieron bastantes resultados prometedores, que dieron lugar a varios artículos entre los que se incluye un artículo de revisión que tiene más de 450 citas, según Google Scholar y que sigue obteniendo actualmente un número alto de citas al año (51 en 2021, según Scopus). En mi opinión, los buenos resultados obtenidos en la tesis se pudieron lograr gracias al trabajo y a la dedicación invertidos, pero también gracias al gran apoyo que tuve por parte de mis directoras de tesis y de todo el personal del grupo de investigación.

Desde la realización de mi estancia predoctoral, y actualmente de manera regular, colaboro con investigadores de otros centros nacionales e internacionales como VTT (Finlandia), Washington State University (EEUU), Universidad de Twente (Holanda), Universidad Nacional de Colombia (Colombia), Instituto de Tecnología Química de Valencia (España) o Universidad Michoacana de San Nicolas de Hidalgo (Méjico), lo que siempre enriquece y complementa el trabajo realizado. Estas colaboraciones son necesarias, ya que normalmente cualquier investigación tiene un carácter interdisciplinar y debe ser por tanto abordada desde distintas áreas del conocimiento.

Otro aspecto que considero muy importante para llevar a buen término cualquier trabajo de investigación es realizar una intensa y constante labor de revisión bibliográfica, la cual te permite conocer los posibles huecos de conocimiento que tu línea de investigación puede contribuir a solventar, así como ayudarte a diseñar una correcta estrategia para alcanzar los objetivos que te propones. Fruto de estas revisiones bibliográficas, soy coautora de tres artículos de revisión del estado del arte en el ámbito de la energía, los biocombustibles y los bioproductos, que cuentan con un alto número de citas y que considero muy relevantes dentro de mi currículum, ya que este tipo de trabajos suele ser de gran interés para la comunidad científica.

En el contexto de mis trabajos de investigación, los cuales son eminentemente experimentales, es también muy importante poder diseñar y construir plantas experimentales y disponer de equipos de análisis para poder caracterizar los productos químicos obtenidos, para lo cual es necesario tener financiación. La financiación también es imprescindible para la contratación de personal, ya que las múltiples labores docentes y de gestión a las que se dedican los profesores universitarios comprometen el tiempo que pueden dedicar a sus tareas investigadoras, siendo muchas veces gracias al trabajo de laboratorio de los becarios pre y posdoctorales como se pueden sacar adelante los trabajos de investigación. A este respecto son muy necesarios tanto los contratos predoctorales, como los postdoctorales, tipo Juan de la Cierva y Ramón y Cajal, ya que permiten nutrir de investigadores al sistema de I+D español. En mi caso personal, no puedo estar más feliz de haber sido adjudicataria de una ayuda Ramón y Cajal y ahora solo espero poder devolver con mi trabajo la confianza puesta en mí.

Proyecto de investigación a desarrollar con la ayuda Ramón y Cajal:

El proyecto de investigación en el que voy a trabajar durante mi contrato Ramón y Cajal se enmarca en una de mis principales líneas de investigación, como es la valorización energética de residuos y biomasa mediante procesos termoquímicos de pirólisis y gasificación. En concreto, en este proyecto se plantea sintetizar de manera sostenible amoniaco mediante la gasificación de residuos ricos en nitrógeno, a la vez que dichos residuos son valorizados energéticamente.

El amoniaco (NH3) es el segundo producto químico con mayor nivel de producción en el mundo, 150 toneladas métricas al año, debido a su utilización en la formulación de fertilizantes sintéticos, los cuales permiten alcanzar una elevada productividad agrícola, necesaria para alimentar a la creciente población mundial. Además, actualmente se está investigando el uso de NH3 como combustible, ya que al ser libre de carbono no emite CO2 en su combustión, sino que idealmente se podría emitir únicamente H2O y nitrógeno molecular (N2). Otra aplicación energética del NH3, que también está ganando interés, es su utilización como transportador de hidrógeno (H2). Todas estas aplicaciones dejan patente la importancia del NH3 para el desarrollo de nuestra sociedad.

El NH3 se sintetiza industrialmente mediante el famoso proceso Haber-Bosch (N2 (g)+3H2 (g)⇆2NH3 (g)), el cual es uno de los procesos industriales que más energía demandan (aproximadamente 28 GJ por tonelada de NH3). Esta alta demanda energética tiene su origen en la generación de H2, la cual se lleva a cabo mayoritariamente mediante reformado con vapor de gas natural. Estas altas necesidades energéticas conllevan la emisión de 2.1 toneladas de CO2 por cada tonelada de NH3 producido, lo que teniendo en cuanta la alta producción mundial de NH3, se traduce en unas emisiones anuales de 500 millones de toneladas de CO2 (alrededor del 1,8 % de las emisiones globales de CO2). Además de estos inconvenientes medioambientales, el coste del gas natural representa hasta el 80 % de los costes de producción de los fertilizantes con base de NH3, hasta el punto de que los desorbitados precios actuales del gas natural han provocado el cierre temporal de algunas plantas de fertilizantes, lo que puede repercutir en los rendimientos agrícolas, el precio de los alimentos e incluso en su cadena de suministro.

Los problemas ambientales anteriormente citados vienen derivados del uso de gas natural u otros combustibles fósiles para la síntesis de amoniaco, lo que afecta negativamente al cambio climático. Sin embargo, la excesiva fijación del nitrógeno atmosférico del aire (N2) para sintetizar industrialmente NH3 y su posterior transferencia al medio y transformación en especies nitrogenadas reactivas y contaminantes ha provocado la alteración del ciclo biogeoquímico del nitrógeno, el cual es el segundo problema ambiental en importancia global, por detrás de la pérdida de biodiversidad y por delante del cambio climático. Según los investigadores del Instituto de Medio Ambiente de Estocolmo, es necesario reducir drásticamente la cantidad de N2 fijada para producir NH3 desde 121 hasta 35 toneladas métricas por año, para restablecer el equilibrio en el ciclo biogeoquímico del nitrógeno. Por lo tanto, es de gran interés establecer alternativas ambientalmente sostenibles para la producción de NH3 que impliquen el uso de hidrógeno de fuentes renovables, pero también el uso de una fuente de nitrógeno reactivo en lugar del estable N2 atmosférico, siendo los residuos ricos en nitrógeno una posible fuente de ambos.

Figura 1
Figura 1. Flujos de materias primas y energía en el proceso actual de síntesis de NH3 (Brown ammonia) y en el propuesto (Green ammonia).

Siguiendo esta idea, en trabajos previos a escala de laboratorio, hemos logrado sintetizar NH3 mediante gasificación de un residuo rico en nitrógeno, las harinas cárnicas (10 % en peso en nitrógeno), al mismo tiempo que hemos valorizado energéticamente este residuo. Se ha conseguido que, tras la reacción, el 67 % del nitrógeno de las harinas cárnicas se transforme en NH3, y que además se genere un gas de gasificación con una producción potencial de energía de hasta 102 GJ por tonelada de NH3, convirtiendo así el proceso actual de síntesis de NH3, que es demandante de energía (28 GJ por tonelada de NH3,) en uno productor. Este valor de conversión del 67 % permitiría cubrir el 10 % de la producción anual de NH3 en Europa a partir del proceso propuesto [4].

Figura 2
Figura 2. Efecto positivo del proceso de síntesis sostenible de NH3 propuesto en el equilibrio del ciclo biogeoquímico del nitrógeno.

Teniendo en cuenta estos resultados, la producción conjunta de NH3 y gas combustible mediante gasificación de residuos con alto contenido en nitrógeno podría tener beneficios ambientales, que ayudarían a mitigar los problemas derivados de la alteración de los ciclos biogeoquímicos del carbono (cambio climático) y del nitrógeno (ver Figura 2). Este proceso puede ser también aplicado a otros residuos de origen biológico ricos en nitrógeno, como los lodos de depuradora o los purines, así como a residuos plásticos que contienen nitrógeno como el poliuretano o las resinas de melamina, por lo que podría contribuir también a encontrar una vía de gestión adecuada para residuos tan problemáticos en nuestro país como los purines procedentes de las zonas de ganadería intensiva.

Durante la ayuda Ramón y Cajal, pretendemos estudiar cómo evoluciona químicamente el nitrógeno de los residuos durante la reacción de gasificación y cómo afectan las diferentes condiciones de operación. Conocer estos aspectos es clave para poder optimizar y desarrollar este proceso alcanzando una alta conversión a NH3 y un elevado aprovechamiento energético del residuo.

logo
Investigador/a principal - Acerca del autor/a
Isabel Fonts Amador

Isabel Fonts Amador (Zaragoza, 1980) es Ingeniera Química (2004) y Doctora (2010) por la Universidad de Zaragoza. Su tesis doctoral se centró en el procesado termoquímico mediante pirólisis de lodos de depuradora, recibiendo por ella el Premio Extraordinario de Doctorado. Ha estado trabajando en VTT Technical Research Center of Finland, una de las instituciones de investigación de referencia en Europa, y ha sido profesora del área de Química y Medio Ambiente en el Centro Universitario de la Defensa de la Academia General Militar de Zaragoza. Además, mantiene colaboraciones estrechas con investigadores de otros centros y universidades extranjeras, como Washington State University (EEUU), Universidade Federal de Sergipe (Brasil) o Universidad Nacional de Colombia (Colombia). Fruto de su trabajo tiene numerosas publicaciones en prestigiosas revistas internacionales de investigación, habiendo alcanzado varias de ellas diferentes distinciones por el número de citas y por su interés para la comunidad científica. Ha participado en numerosos proyectos de investigación de financiación tanto pública como privada y ha sido investigadora principal de un proyecto de la convocatoria “Explora Ciencia” del Ministerio de Ciencia e Innovación, la cual financia proyectos con ideas heterodoxas y radicalmente innovadoras. El proyecto de la convocatoria “Explora Ciencia” versaba sobre la producción de amoniaco de forma sostenible, línea de investigación en la que actualmente está trabajando con el contrato Ramón y Cajal.