Un nuevo método podría hacer que la producción del precursor del nailon sea mucho más respetuosa con el medio ambiente, según informan los investigadores.
La industria química y sectores afines se enfrentan a retos como el acceso fiable a suministros de energía, la reducción de residuos, la conservación del agua y la eficiencia energética. La electrosíntesis orgánica, un proceso impulsado por electricidad, energéticamente eficiente y que puede integrarse fácilmente con fuentes de energía renovable, podría ayudar a resolverlos.
En su búsqueda de desarrollar un proceso innovador y respetuoso con el medio ambiente para fabricar adiponitrilo (ADN), el principal precursor del nailon 6,6, los investigadores encontraron una forma de mejorar notablemente la eficiencia de la electrosíntesis orgánica.
Los investigadores atribuyeron su éxito, en parte, a lo que creen que es el primer uso de la inteligencia artificial para optimizar un proceso electroquímico.
Miguel Modestino, catedrático de ingeniería química y biomolecular de la Universtiy de Nueva York, y la estudiante de doctorado Daniela Blanco modificaron la forma en que se suministra la corriente eléctrica a los electrodos catalíticos y luego aplicaron inteligencia artificial (IA) para optimizar aún más la reacción. Con ello lograron una mejora del 30 % en la producción de ADN
Los hallazgos publicados en la Proceedings of the National Academy of Sciences podrían tener importantes implicaciones, ya que el equipo se centra en uno de los mayores procesos de electrosíntesis orgánica de la industria química: la electrohidrodimerización del acrilonitrilo (AN) a ADN.
«La electrosíntesis de ADN es un proceso químico ecológico y eficiente que ses electrolitos a base de agua»
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La demanda de ADN es alta y va en aumento: se prevé que el mercado del nailon crezca un 4 % anual hasta 2023. Actualmente, solo una empresa utiliza un proceso electroquímico inventado por Monsanto para fabricar ADN; la mayor parte del precursor del nailon se produce mediante la hidrocianación térmica del butadieno, un proceso tóxico y de alta intensidad energética.
En cambio, la electrosíntesis de ADN es un proceso químico ecológico y eficiente que utiliza electrolitos a base de agua y puede acoplarse directamente a fuentes de electricidad renovable, como la eólica o la solar.
El proceso electrosintético estándar para el ADN emplea una corriente eléctrica directa «siempre activa» suministrada al sitio electrocatalítico. Sin embargo, los investigadores comprobaron que una corriente directa no maximizaba la producción de ADN y generaba una gran cantidad del subproducto no deseado propionitrilo (PN). Por ello, decidieron diseñar un sistema que suministra una corriente intermitente para reponer constantemente la concentración del reactivo en el sitio electrocatalítico (un fenómeno denominado transporte de masa) y mejorar la producción de ADN.
La pareja alimentó una red neuronal artificial con datos de 16 casos experimentales diferentes de tiempos de pulso.
«Al analizar las técnicas de pulsos electroquímicos con IA, pudimos visualizar la eficiencia de conversión del ADN en un rango de tiempos de pulso sin tener que realizar más que unos pocos experimentos físicos», afirma Modestino. «Este enfoque innovador e integrado dio lugar a una mejora sin precedentes del 30 % en la producción de ADN y a un aumento del 325 % en la proporción de ADN respecto al PN, debido sobre todo a una gran disminución de la producción de este último».
«Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se utiliza la IA para optimizar y un proceso electroquímico.»
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Blanco explica que esta técnica podría impulsar la adopción por parte de la industria de procesos más sostenibles. Eso es precisamente lo que ella y una antigua estudiante del laboratorio de Modestino imaginaron cuando fundaron Sunthetics, una startup de química verde, para comercializar un proceso sostenible de producción de nailon basado en su investigación.
«Queríamos demostrar con esta nueva investigación que podemos hacer más competitivo el proceso electroquímico del ADN», afirma. «Actualmente solo el 30 % de la producción mundial de ADN emplea la electrosíntesis; el resto de la producción implica procesar un reactor catalítico que consume mucha energía y petróleo», añade.
El siguiente paso del equipo será utilizar este enfoque de IA para acelerar sus esfuerzos de investigación. «En lugar de seguir un modelo de investigación clásico que implica largas campañas experimentales, las herramientas de IA pueden ayudarnos a predecir los resultados de los experimentos. Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se utiliza la IA para optimizar un proceso electroquímico», afirma Modestino.
Esta investigación está financiada en parte por la Fundación H&M.
