Junio - Universidad de Castilla

Nº 90 Época IV.
Junio 2013
Monográfico Ciencia Joven
E­mail de contacto: [email protected]
ÍNDICE
Presentación P. 2
Conferencias invitadas P. 3
Química inorgánica P. 6
Química orgánica P. 7
Química analítica P. 8
Tecnología de alimentos P. 9
Química física P. 12
Ingeniería química P. 13
Bioquímicaa P. 17
Química médica P. 18
Matemáticas aplicadas P. 19
Equipo editorial: María Arévalo, Ana Briones, Cristina Gutiérrez, Antonio de la Hoz,
Antonio Rodríguez, Javier Torres
PRESENTACIÓN
El número de Junio recoge el Monográfico de las VII Jornadas de Ciencia Joven que se
celebraron en un nuevo formato los días 23 y 24 de Mayo de 2013. Las jornadas recogieron una
excelente selección de los proyectos de Tesis que se desarrollan en nuestro centro y así como de
antiguos alumnos que desarrollan su investigación en otros centros de investigación. Además se
incluyeron tres ponencias de investigadores de prestigio de centros públicos y privados, Conrado
López de SERVIER, Elena Ibáñez del CSIC y Nazario Martín de la Universidad Complutense.
Para finalizar las jornadas se celebró una mesa redonda sobre la situación de la investigación
y los jóvenes investigadores con la participación del Prof. Nazario Martín, del Decano y del
Vicerrector de investigación.
Antonio de la Hoz Ayuso
REVISTA
MOLÉCULA
2
CONFERENCIA
INVITADA
Investigación y desarrollo de principios activos de nuevos
medicamentos en la industria química
Dr. Conrado López ﴾Director de Planta Servier, Toledo﴿
El desarrollo de una molécula activa, que genere efectos
positivos en el organismo humano, es una larga carrera contra
el tiempo, no exenta de emociones, desencantos, así como de
extraordinarios esfuerzos físicos y económicos.
Si dicha molécula activa va cubriendo positivamente
todas las fases de este desarrollo y alcanza la meta, que no es
otra que su comercialización como medicamento, se habrá
logrado el sueño del equipo de investigadores que han
trabajado en ella y que nos es otro que:
“Dar satisfacción al médico y mejorar la calidad de vida
del paciente”.
A lo largo de esta ponencia se analizaron las fases del
desarrollo de un medicamento, los investigadores implicados
en cada una de ellas, así como el tiempo de duración de las
mismas.
Por último se indicó la implicación de la industria química
en las diferentes fases de este desarrollo y cómo contribuye a la consecución de los objetivos y a su
comercialización. Se comentaron los perfiles de los diferentes investigadores en cada una de las
diferentes etapas y cuáles son los requisitos demandados.
Todo esto se acompañó con claros ejemplos de la implicación de jóvenes investigadores de la
UCLM en la investigación y desarrollo de moléculas activas patentadas por el Grupo Servier en su
centro de Toledo.
REVISTA
MOLÉCULA
3
CONFERENCIA
INVITADA
Nuevas aproximaciones ecológicas a la alimentónica
Elena Ibáñez ﴾Instituto de Investigación de Ciencias de la Alimentación CSIC­UAM﴿
La interacción entre la moderna ciencia de
alimentos y la nutrición con disciplinas como la medicina
y la biotecnología presenta nuevos retos y
oportunidades para el avance del conocimiento
científico. Como resultado de esta interacción, los
investigadores en ciencia de alimentos y nutrición están
empezando a emplear estrategias mucho más
avanzadas tomando prestados métodos perfectamente
establecidos en otros campos como la medicina, la
farmacología y la biotecnología, entre otros. Por tanto,
se
están
empleando
metodologías
analíticas
avanzadas, como las tecnologías ­ómicas y la
bioinformática (junto con ensayos in vitro, in vivo y
ensayos clínicos) para, de una forma integrada, dar
respuesta a algunas de preguntas clave en esta nueva
era de la nutrición y la ciencia de alimentos.
En este contexto, aparece por primera vez la
Alimentómica (definida por nuestro grupo de
investigación como una nueva disciplina que estudia la
alimentación y la nutrición mediante la aplicación de
tecnologías ómicas avanzadas para mejorar el bienestar, la salud y la confianza del consumidor (A.
Cifuentes, J. Chromatogr. A 1216 (2009) 7109; M. Herrero, V. Garcia­Cañas, C. Simo, A. Cifuentes,
Electrophoresis 31 (2010) 205–228)) y, asociada a ella, la que se puede denominar “Alimentómica
Verde” que pretende alcanzar los objetivos de la Alimentómica desde un punto de vista ecológico,
siguiendo las reglas de la química verde. Aspectos tales como selectividad, eficacia, sostenibilidad,
ecología, ausencia de toxicidad, solventes verdes, etc. se unen en esta idea para dar respuesta a los
nuevos retos de la Alimentómica en el diseño de nuevos procesos de extracción de bioactivos a partir
de fuentes naturales.
En esta presentación se mostrarán diferentes ejemplos del empleo de estas tecnologías verdes,
considerando materias primas como plantas, algas y subproductos de la industria alimentaria, para la
obtención de extractos naturales con propiedades para la salud que están siendo evaluados desde una
aproximación Alimentómica. Intentaremos demostrar las posibilidades de ajustar las condiciones de
extracción dependiendo de los compuestos objetivo y de la materia prima de partida.
REVISTA
MOLÉCULA
4
CONFERENCIA
INVITADA
Química supramolecular de nanoestructuras de carbono
Dr. Nazario Martín ﴾Química Orgánica, Universidad Complutense de Madrid﴿
Readily available electron donor (exTTF) and acceptor
(TCAQ) molecules through custom­made molecular tweezers have
proved their efficiency for the design of unprecedented receptors for
fullerenes.[1] In this presentation some of the important
breakthroughs based on these electroactive derivatives as
supramolecular receptors for carbon nanostructures, namely
fullerenes, CNTs and graphene will be highlighted. Bowl and belt­
shaped SWCNT receptors based on this concave­convex
complementarity principle will be presented.[2] The recognition
motives have also been applied to carbon nanotubes with the aim of
modifying their electronic properties, as well as for the hierarchical
organization of nano and mesoscopic 3D helical fibers.[3]
[1] a) Pérez, E. M.; Sánchez, L.; Fernández, G.; Martín, N. J.
Am. Chem. Soc., 2006, 128, 7172. b) Pérez, E. M.; Martín, N.
Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 1512. c) Fernández, G.; Pérez, E. M.;
Sánchez, L.; Martín, N. Angew.Chem., Int. Ed., 2008, 47, 1094. d)
Isla, H.; Gallego, M.; Pérez, E. M.; Viruela, R.; Ortí, E.; Martín, N. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1772.
e) Huerta, E.; Isla, H.; Pérez, E. M.; Bo, C.; Martín, N.; de Mendoza, J. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132¸
5351. f) Grimm, B.; Santos, J.; Illescas, B. M.; Muñoz, A.; Guldi, D. M.; Martín, N. J. Am. Chem. Soc.,
2010, 132, 17387. g) Canevet, D.; Gallego, M.; Isla, H.; de Juan, A.; Pérez, E. M.; Martín, N. J. Am.
Chem. Soc., 2011, 133, 3184. h) Isla, H.; Grimm, B.; Pérez, E. M.; Torres, M. R.; Herranz, M. A.;
Viruela, R.; Aragó, J.; Ortí, E.; Guldi, D. M.; Martín, N. Chem. Sci., 2012, 3, 498. i) For a recent review,
see: Canevet, D.; Pérez, E. M.; Martín, N. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 9248 – 9259.
[2] a) Herranz, M. A.; Ehli, C.; Campidelli, S.; Gutiérrez, M.; Hug, G. L.; Ohkubo, K.; Fukuzumi, S.;
Prato, M.; Martín, N.; Guldi, D. M. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 66. b) C. Romero.Nieto, R. García, M.
A. Herranz, Ch. Ehli, M. Ruppert, A. Hirsch, D. M. Guldi, N. Martín, J. Am. Chem. Soc., 2012, Article
ASAP, DOI: 10.1021/ja211362z.
[3 ]a) López, J. L.; Atienza, C; Seitz, W.; Guldi, D. M.; Martín, N. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49,
9876 – 9880. b) López, J. L.; Atienza, C.; Insuasty, A.; López­Andarias, J.; Romero­Nieto, C.; Guldi, D.
M.; Martín, N. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3857 –3861.
REVISTA
MOLÉCULA
5
QUÍMICA
INORGÁNICA
Complejos de Lantano para la síntesis
de polímeros Biodegradables
Javier Martínez
El constante uso de poliolefinas bioresistentes está siendo un
serio problema para la sociedad. Las alternativas ecológicas, como
los plásticos reciclados, están siendo implantadas pero la
eliminación de los materiales no degradables continúa causando
problemas medioambientales. En un esfuerzo por resolver este
problema, los polímeros biodegradables están recibiendo un
interés científico creciente. Entre ellos, los poliésteres son
considerados como un complemento ecológico frente a las
poliolefinas para el embalaje de dispositivos biomédicos, tales
como suturas y sistemas de administración de fármacos.1,2 Los
polímeros son producidos industrialmente por reacciones de
policondensación entre un diol y un diácido o por la polimerización
por apertura de anillo (ROP) de ésteres cíclicos. La ROP es mucho
más eficiente debido al elevado control que existe en el proceso de
polimerización.1,2
Actualmente, estamos centrando nuestro interés en la
posibilidad de diseñar entidades organometálicas de lantano para estudiar su síntesis, disposición
estructural y su comportamiento en diferentes procesos catalíticos. Con el fin de explorar los efectos
que tiene el número de coordinación de lantano sobre la estructura y observar las propiedades que
tienen los nuevos catalizadores en ROP, hemos desarrollado una serie de nuevos complejos de
lantano soportados por ligandos heteroescorpionato de tipo ciclopentadienilo en su esfera de
coordinación.
1. See for example: Nair, L. S.; Laurencin, C. T. Prog. Polym. Sci., 2007, 32, 762–798.
2. Jérôme, C.; Lecomte, P. Adv. Drug. Deliv. Rev., 2008, 60, 1056–1076.
REVISTA
MOLÉCULA
6
QUÍMICA ORGÁNICA
Espectroscopia de resonancia magnética nuclear: Una
herramienta multidisciplinar
Dra. María Victoria Gómez
La espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear
(RMN) es un fenómeno físico basado en las propiedades
mecánico­cuánticas de los núcleos atómicos. Es una potente
técnica analítica, no destructiva, altamente reproducible, y con
unos tiempos de análisis extremadamente cortos. Su desarrollo
como técnica de identificación estructural ha permitido grandes
avances en estructura molecular, dinámica de procesos y
mecanismos de reacción, muy difíciles de conseguir mediante el
empleo de otras técnicas espectroscópicas como Ultravioleta­
visible, Infrarrojo y Espectrometría de masas.
Como consecuencia de estas características, la RMN
presenta un gran número de aplicaciones en diversos campos.
En la presente comunicación se mostrará su carácter
multidisciplinar con la exposición de distintas aplicaciones que
hemos estudiado en campos como la Medicina, Química de
Alimentos,i Química Supramolecular,ii Química Organometálica,iii
y Cinética Química.iv Para desarrollar estas aplicaciones se han usado diferentes sondas de RMN así
como diferentes técnicas y/o experimentos.
i Maria Moreno, M. Victoria Gomez, Cristina Cebrián, Pilar Prieto, Antonio de la Hoz, Andrés
Moreno, Green Chemistry. 2012, 14, 2584.
ii M. Victoria Gómez, Javier Guerra, Aldrik Velders, Richard M. Crooks. Journal of the American
Chemical Society, 2009, 131, 341­350; M. Victoria Gomez, D. N. Reinhoudt, A. H. Velders, Small, 2008,
4, 1293.
iii Antonio Otero, Agustín Lara­Sánchez, Juan Fernández­Baeza, Carlos Alonso­Moreno, Juan
Tejeda, José A. Castro­Osma, Luis F. Sánchez­Barba, Ana M. Rodríguez and M. Victoria Gomez,
Chemistry­A European Journal, 2010, 16(29), 8615.
iv M. Victoria Gómez, Hein Verputten, Ángel Díaz­Ortíz, Andrés Moreno, Antonio de la Hoz,
Aldrik H. Velders, Chemical Communications, 2010, 46/25, 4514­4516.
REVISTA
MOLÉCULA
7
QUÍMICA ANALÍTICA
Nanociencia y nanotecnología analíticas: Aplicación de
nanopartículas de oro como herramientas analíticas
M. Mar González
Los nanomateriales han supuesto una revolución científica,
tecnológica y comercial en los últimos años. Están ampliamente
distribuidos en diferentes ámbitos (medicina, materiales,
cosméticos, industria energética, industria aeroespacial y
automovilística, tecnologías de información y electrónica, y ciencias
ambientales) y las previsiones son muy optimistas, considerando su
evolución y crecimiento en los años venideros. Son muchas las
investigaciones que actualmente se están realizando para conocer
mejor estos materiales, que presentan propiedades peculiares,
consecuencia del cambio espectacular de las leyes y propiedades
físico­químicas, que rigen la nanoescala.
A su vez, la Química Analítica ha ido incorporando diferentes
avances científico­técnicos, tales como la informática, la
automatización, la miniaturización y la simplificación. Las
posibilidades que surgen al introducir la Nanociencia y la
Nanotecnología en el ámbito químico­analítico son muchas y
variadas. En una primera aproximación hay que tener en cuenta que la consideración del material
nanoestructurado en esté área, puede ser como analitos (objeto a estudiar) o bien, como herramientas
del proceso analítico, por ejemplo, desarrollo de sensores ópticos, de fases estacionarias en
cromatografía, sensores electroquímicos, etc [1].
Actualmente se pueden encontrar multitud de aplicaciones de este tipo de materiales
nanoestructurados en Química Analítica. Una de las investigaciones que se está desarrollando en
nuestro grupo de investigación, es el empleo de nanopartículas de oro, como herramienta del proceso
analítico. Una de las propiedades que presentan estas nanopartículas, es su capacidad de agregación
en presencia de ciertos compuestos químicos. Esta capacidad de agregación se puede traducir en una
señal analítica, que permite desarrollar una metodología analítica para identificar y cuantificar estos
compuestos en diferentes tipos de muestras.
Estudios previos han demostrado la eficacia del empleo de esta metodología, alguno de ellos
tan importante como la detección colorimétrica rápida y simple de melanina en leche [2]. La melanina
es un aditivo ilegal en este tipo de producto, que generó una gran polémica en el 2008 en China,
cuando 6 niños fallecieron y aproximadamente 294.000 fueron afectados con patologías de diferente
gravedad [3]. El empleo de nanopartículas de oro, permite una detección rápida, sensible y fiable, en
un intervalo de concentraciones del orden de partes por billón, empleando para ello, una
instrumentación muy sencilla.
[1] Miguel Valcárcel Cases. “Las Nanoestructuras de carbono en la Nanociencia y
Nanotecnología analíticas”.
[2] Analyst, 2010, 135, 1070­1075.
[3] Rev.Esp.Nutr.Hum.Diet 2012, 16(2): 61­68.
REVISTA
MOLÉCULA
8
TECNOLOGÍA DE
ALIMENTOS
Expresión génica en condiciones óptimas y de
enlentecimiento fermentativo en S. Cerevesiae
rehidratada con activadores metabólicos
Patricia Díaz­Hellín
S. cerevisiae posee un patrón distinto en el consumo
glucosa/ fructosa durante la fermentación vínica. Ambos
azúcares son movilizados por el mismo transportador de
hexosas (HXT), el cual presenta diferente afinidad por glucosa,
por lo que al final del proceso fermentativo la fructosa se
convierte en el azúcar predominante. Para resolver los
problemas que ello conlleva, existen algunos activadores
comerciales en el mercado.
El objetivo de este trabajo fue estudiar la relación entre la
expresión del gen Hxt3 y la discrepancia fructosa/ glucosa en
dos medios distintos (medio óptimo y medio de condiciones de
enlentecimiento fermentativo) inoculados con una cepa
comercial de S. cerevisiae en presencia de tres activadores
metabólicos (ergosterol, ácido tetrahidrofólico y ácido
ascórbico). La cinética fermentativa, vitalidad y metabolitos
mayoritarios fueron también evaluados.
La rehidratación con ergosterol mejoró el
área bajo la curva y la tasa de crecimiento (µmax)
en los dos medios estudiados. Además la
discrepancia fructosa/ glucosa se mejoró con
todos los tratamientos ensayados, destacando la
rehidratación en presencia de ácido ascórbico. El
ácido tetrahidrofólico aumentó notablemente la
expresión del gen Hxt3, especialmente a los 12
días de fermentación; el ergosterol y el ácido
ascórbico, en menor medida, mejoraron este
parámetro.
REVISTA
MOLÉCULA
9
TECNOLOGÍA DE
ALIMENTOS
Caracterización tecnológica de cepas bacterianas aisladas de
quesos de Brasil
Felipe Nael
La producción artesanal del queso Artesanal Catarinense en el
municipio de Lages (Brasil) es una práctica muy antigua. Este queso se
elabora con leche cruda de vaca. El conocimiento detallado de las
características morfológicas, biomoleculares, su acción en relación a
patógenos y características tecnológicas de la microbiota autóctona,
permitirá la producción de informaciones importantes para la definición
de la identidad del queso estudiado.
Se evaluó un total de 755 cepas aisladas de 20 quesos; éstas presentaron mayor antagonismo
para Listeria monocytogenes y menor para Salmonella spp.. El análisis de diversidad por RFLP
agrupó los aislados en 4 géneros: Lactobacillus sp., Leuconostoc sp., Lactococcus sp. y Enterococcus
sp., siendo el género Lactobacillus predominante. Para el estudio de las características tecnológicas,
se seleccionaron 79 cepas, las cuales están siendo objeto de estudio actualmente en la Universidad de
Castilla ­ La Mancha. Concretamente se están evaluando las propiedades acidificante, proteolítica,
lipolítica, aminopeptidásica, autolítica, producción de dextrano, diacetilo y acetoína, producción de
aminas biógenas y resistencia a diferentes tipos de estrés.
Los resultados obtenidos hasta ahora muestran diferencias significativas entre los aislados para
las actividades tecnológicas ensayadas con 9 cepas para la actividad acidificante y 6 cepas para la
actividad proteolítica
REVISTA
MOLÉCULA
10
TECNOLOGÍA DE
ALIMENTOS
Presencia de taninos elágicos en vinos tintos de crianza
María Navarro
La crianza del vino tinto, comporta una suavización de
la astringencia y del sabor amargo. Este efecto se atribuye
mayoritariamente al efecto del oxígeno que provoca la
oxidación del etanol a etanal, que puede reaccionar
posteriormente con los flavanoles para inducir la formación de
un carbocatión muy reactivo. También la degradación térmica
que sufre la madera para producir los aromas característicos
del vino de crianza podría estar liberando oligosacáridos y
polisacáridos procedentes de la hemicelulosa, los cuales
podrían otorgar al vino dulzor y una cierta untuosidad, y
contribuir a la disminución de la astringencia y el sabor
amargo.
Por otra parte, el contacto del vino con la madera de
roble, implica el enriquecimiento del vino en taninos elágicos
que contribuyen a la astringencia, al sabor amargo del vino y
a la sensación de cuerpo. Estos compuestos se liberan
relativamente rápido y posteriormente pueden desaparecer
por hidrólisis ácida en un medio como el vino. Se estudia por tanto, la influencia del contacto del vino
con la madera de roble a fin de identificar como las substancias liberadas pueden afectar la
astringencia y el sabor amargo. Se propone realizar ensayos en condiciones de crianza real en barrica
de roble, utilizando vino y solución sintética, permitiéndonos obtener información sobre la influencia
directa de la madera, la influencia del tipo de madera (origen botánico, grado de tostado) sobre la
astringencia y el sabor amargo. Este proceso se realiza utilizando un vino tinto seleccionado por tener
una astringencia y un sabor amargos ciertamente marcados y también una solución sintética que
reproduzca al vino para facilitar los análisis y la interpretación de los resultados.
Se trabaja con barricas nuevas de roble americano (Quercus alba) y de roble francés (Quercus
petraea) a tres diferentes niveles de tostado (ligero, medio y fuerte), y por duplicados obteniendo un
total de 24 barricas de 225 litros. Tanto el vino
como la solución sintética se mantienen en
crianza durante 12 meses. Se realizan tomas
de muestra y análisis cada tres meses.
Transcurrido el año, los vinos y la solución
sintética serian trasegados, analizados y
degustados. A fin y efecto de estudiar la
influencia de la edad de la barrica, se repetiría
esta experiencia una vez finalizada para de
este modo poder comparar el efecto de las
barricas nuevas con las de segundo año.
REVISTA
MOLÉCULA
11
QUÍMICA FÍSICA
Aldehídos insaturados en la atmósfera: tiempos de vida y su
importancia en la generación de ozono troposférico
Inmaculada Colmenar
Los aldehídos alifáticos e insaturados son especies que juegan
un papel determinante en la química de la baja atmósfera. Las
principales fuentes pueden ser de origen natural consecuencia de
emisiones por parte de árboles, arbustos, plantas herbáceas y
musgos1 y de origen antropogénico como las emisiones de los
vehículos, actividades industriales y calefacciones domésticas.2
A lo largo de estos últimos 30 años se han realizados multitud
de estudios centrados en la reactividad atmosférica de aldehídos,
con el objetivo de valorar y predecir los efectos de su degradación.
Dentro de las líneas de investigación del Grupo de Química y
Contaminación Atmosférica de la UCLM, se destaca la que se centra
en la degradación de compuestos aldehídicos insaturados.
Se ha llevado a cabo el estudio cinético completo de una serie
de aldehídos instaurados: 2­furaldehído, 3­furaldehído, 5­metil­2­
furaldehído, E,2­butenodial y E,E,2­4­hexadienal. Las constantes
cinéticas obtenidas indican que estos compuestos desaparecen de la
atmósfera en escasas horas por procesos de foto­degradación y
reacción con el oxidante atmosférico nocturno más importante, el radical NO3. Con el fin de cuantificar
la contribución de estos compuestos en la generación de ozono troposférico se han estimado los
valores del índice MIR, mostrando que estos compuestos son potenciales generadores de ozono
troposférico. Además, la presencia de aldehídos en la atmósfera y su alta reactividad hace de estos
compuestos una importante fuente de PAN (peroxi acil nitrato) que junto con el ozono son las
principales especies constituyentes del smog fotoquímico.
1 Villanueva­Fiero, I; Popp, C.J y Martín, R.S Biogenic emission and ambient concentration of
hydrocarbons, carbonyl compounds and organic acids from ponderosa pine and cottonwoods tree at
rural and forested sites in New Mexico .Atmospheric Environment,2004, 38,2,249­260.
2 Ballesteros, R; Monedero, E; Guillén­Flores, J. Determination of aldehydes and ketones with
high atmospheric reactivity on diesel exhaust using a biofuel from animal fats. Atmospheric
Environment, 2011, 45, 2690­2698.
REVISTA
MOLÉCULA
12
INGENIERÍA QUÍMICA
Optimización de redes de intercambio de calor
Mauricio Altamirano
El interés industrial por la optimización energética de los
procesos industriales ha existido siempre, pero, debido al alza
en los precios de los combustibles, se ha convertido en un parte
fundamental en el diseño de procesos químicos.
Uno de los métodos por excelencia para la optimización de
redes de calor es el método Pinch, propuesto por Ahmad (1986)
y desarrollado posteriormente por Linnhoff, Ahmand y col.
(1990). El método Pinch utiliza métodos gráficos para realizar los
cálculos MER (minimal energy requirement) y proporciona una
serie de reglas conceptuales para el diseño de la red de
intercambio de calor que pueden resultar complicadas de aplicar
en el caso de procesos complejos. Además, el método asume
cambios de entalpía lineales en las corrientes de proceso,
siendo complicado aplicarlo cuando esta suposición no es
viable.
Para intentar superar estos problemas, se ha realizado una estudio sobre distintos métodos que
pudieran aportar rapidez y eficacia al proceso de optimización de redes de intercambio de calor en
fases tempranas de diseño, que ha derivado en el diseño de una aplicación software basada en
Microsoft Excel® y Wolfram Mathematica® que permite superar dificultades de procedimientos
anteriores.
Los algoritmos de optimización desarrollados se basan en la combinación de cálculos
tradicionales mediante la tecnología Pinch y la utilización de modelos Transshipment aplicados a la
optimización de redes de intercambio de calor. Estos algoritmos permiten la optimización MER
(minimal energy requirement) y MNU (minimal number of units), posibilitando adicionalmente la
optimización económica mediante programación lineal (LP) y programación lineal mixta entera (MILP).
REVISTA
MOLÉCULA
13
INGENIERÍA QUÍMICA
Celdas de combustible microbianas: bacterias que generan
electricidad a partir de residuos
Araceli González
Una celda de combustible microbiana es un
dispositivo
electroquímico
en
el
que
los
microorganismos,
en
condiciones
anaerobias,
eliminan los contaminantes orgánicos del agua
residual y producen electricidad. Estas celdas
disponen de dos compartimentos: ánodo y cátodo. En
el ánodo, los microorganismos oxidan los
contaminantes del agua residual produciendo
electrones y protones. Los electrones llegan al cátodo
a través de un circuito externo, generando corriente
eléctrica. En el cátodo se produce la reacción de
reducción del oxígeno del aire con los protones y los electrones, obteniéndose agua. Así, a la vez que
se lleva a cabo la depuración de aguas residuales, se produce electricidad.
El objetivo de este trabajo de investigación es la valorización energética de efluentes
contaminados con materia orgánica biodegradable mediante celdas de combustible microbianas. Para
ello, se dispone de dos celdas de combustible microbianas. Por una parte, la micro­celda de
combustible microbiana, en la que se estudia la influencia de las variables de una forma más rápida.
La potencia máxima generada es de 40 mW/m2, siendo la depuración del agua residual
aproximadamente un 70 %. Por otra parte, se utiliza una celda de combustible microbiana fotosintética,
que dispone de un cultivo de algas en el cátodo que produce el oxígeno necesario en la reacción de
reducción y fija dióxido de carbono. Así, la producción de electricidad varía a lo largo del día, tal y
como se muestra en la Figura.
REVISTA
MOLÉCULA
14
INGENIERÍA QUÍMICA
Eliminación de CO2 en un fotobiorreactor tubular
piloto con microalgas
Rosa María Sánchez
Durante los últimos doscientos años, desde la revolución
industrial, las emisiones de dióxido de carbono han aumentado
de forma sustancial y han provocado un cambio en el equilibrio
natural del planeta. Este aumento ha provocado el incremento
de la temperatura global y la radicalización del llamado “Efecto
Invernadero”, lo cual supone una de las mayores amenazas
ambientales, sociales y económicas a las que se enfrenta el
planeta.
Uno de los métodos para eliminar el CO2 de los efluentes
industriales, y evitar así su emisión a la atmósfera, se basa en el
uso de microalgas. Este proceso puede ser más rentable y
ambientalmente sostenible cuando se combina con el
tratamiento de aguas residuales. De esta forma, el objetivo
principal de este trabajo consiste en la puesta a punto y el
desarrollo de un proceso experimental a escala de planta piloto,
en continuo, para conseguir la captura biológica de CO2 en
gases de combustión, empleando un medio nutriente basado en un agua residual procedente de un
tratamiento secundario en una EDAR.
Dicho proceso se lleva a cabo en un fotobiorreactor tubular de 150 litros de capacidad,
empleando la microalga Chlorella vulgaris, con la que se han obtenido un crecimiento, en laboratorio,
de 0,12 días­1, lo cual se corresponde con un tiempo de residencia de casi 8,5 días. A pesar de esto, el
tiempo de residencia de las algas en planta piloto se mantuvo en torno a los 6,5 días, puesto que se
observó que la velocidad de crecimiento era mayor que en laboratorio. Con este tiempo de residencia
se alcanza una concentración de sólidos suspendidos totales y volátiles de 800 y 300 ppm,
respectivamente, llegándose a eliminar un 40% del CO2 alimentado (la corriente de entrada contiene
un 15% de CO2). En cuanto a los nutrientes, se alimentaron concentraciones de 41,18 ppm N­NO3­,
obteniéndose porcentajes de eliminación del 100%.
REVISTA
MOLÉCULA
15
INGENIERÍA QUÍMICA
Glicólisis de espumas flexibles de poliuretano
Diego Simón
Desde que en 1937 se descubrieron los poliuretanos,
se han convertido en uno de los más importantes grupos
de polímeros. Éstos son producidos por reacción entre un
isocianato y un alcool multifuncional llamado poliol.
Dependiendo del tipo de poliol e isocionato empleados se
pueden sintetizar diferentes productos destacando entre
todos ellos las espumas flexibles, que abarcan el 29% de la
producción total. Sin embargo, como consecuencia directa
del éxito comercial se ha producido un incremento en la
cantidad de residuos producidos y que deben ser
gestionados. Tradicionalmente estos residuos encontraron
en los vertederos su destino, pero la problemática
medioambiental que esto conlleva apremia a encontrar
soluciones basadas en el reciclaje mediante procesos
físicos o químicos.
Los procesos físicos implican un reproceso del
material, sin un cambio en la estructura interna del
polímero y únicamente pueden ser aplicados en ciertos
tipos de poliuretanos debido a su naturaleza termoestable.
Por otro lado, los procesos químicos se basan en
descomponer el producto en compuestos hidrocarbonados, con el objeto de recuperar una de las
unidades constitucionales del poliuretano, el poliol, un producto de elevado valor añadido. Entre los
procesos químicos se engloba la hidrólisis, la aminólisis, la fosfólisis, la pirólisis y la glicólisis. Este
último proceso consiste en el tratamiento del poliuretano con glicoles de bajo peso molecular, de tal
manera que los grupos hidroxilo finales del glicol producen un intercambio en el enlace uretano,
liberándose el poliol al medio de reacción. En condiciones de elevado exceso de glicol se obtiene un
producto bifásico debido a la limitada solubilidad mutua de los glicoles de cadena corta en polioles de
elevado peso molecular. La fase superior se compone principalmente por el poliol recuperado con una
alta pureza y la inferior por el exceso de glicol y por subproductos de reacción altamente tóxicos, lo
que genera tanto un problema económico como uno medioambiental que debe ser resuelto.
El principal objetivo del presente trabajo consiste por tanto en el estudio del reciclado de
espumas flexibles de poliuretano mediante glicólisis en fase partida y en el posterior proceso de
valorización de los subproductos generados.
REVISTA
MOLÉCULA
16
BIOQUÍMICA
Mecanismos de resistencia a insulina.
¿Posibles dianas terapéuticas?
Cristina Pintado
El envejecimiento tanto en la rata Wistar
como en humanos, está asociado al desarrollo
de adiposidad, hiperleptinemia y resistencia a la
insulina. Trabajos publicados por nuestro grupo
y colaboradores sugieren que la resistencia a
insulina está relacionada con los cambios
corporales asociados al envejecimiento, siendo
el principal de ellos el aumento de adiposidad
visceral, la esteatosis hepática y cardíaca. Se
ha propuesto que el estado de inflamación
crónica, estrés oxidativo y estrés de retículo
asociado con la edad y con el aumento de la
adiposidad, subyace al desarrollo de resistencia a la insulina.
Se conoce que, las acciones de la leptina a nivel central afectan de manera temprana al
metabolismo lipídico periférico por estimulación del Sistema Nervioso Simpático, modulando de este
modo el metabolismo energético global. De manera que, la administración intracerebroventricular (icv)
de leptina permite regular los ácidos grasos circulantes, previene la esteatosis hepática y cardiaca y
mejora la tolerancia a glucosa. Dado que con el envejecimiento disminuye la sensibilidad a las
acciones centrales de esta hormona secretada por el tejido adiposo, es probable que sus efectos
antiesteatóticos se vean alterados con la edad, lo que contribuiría al desarrollo de resistencia a la
acción de la insulina.
Nuestros resultados, indican que la infusión icv de leptina modula, a nivel periférico, la respuesta
inflamatoria, el estrés de retículo y el estrés oxidativo, además de evitar el aumento de la adiposidad
en la rata Wistar. Por lo tanto, la correcta señalización de la leptina nivel central podría prevenir los
efectos tóxicos de la acumulación de grasa e incidir sobre la sensibilidad a la insulina.
Así, la resistencia central a la leptina se convertiría en la alteración primaria que conduce a la
acumulación de grasa en diferentes tejidos en estados de prediabetes, dislipemia e incremento de
adiposidad asociados con el envejecimiento. En este sentido, es importante estudiar los factores
responsables de la aparcición de resistencia central a leptina que se desarollan con la edad y la
adiposidad, asi como, las vías de señalización mediante las cuales la leptina modula las acciones de la
Insulina en tejidos perifericos, para la identificación de nuevas dianas terapéuticas y el desarrollo de
nuevas terapias que pudieran mejorar las acciones de la leptina a nivel del Sistema Nervioso Central y
prevenir el desarrollo de resistencia a ambas hormonas.
REVISTA
MOLÉCULA
17
QUÍMICA MÉDICA
Procesos de desarrollo y descubrimiento de fármacos en
enfermedades neurodegenerativas
Ana María García ﴾Instituto de Química Médica CSIC﴿
La Química Médica es una ciencia multidisciplinar que
engloba diferentes aspectos de la Química Orgánica,
Farmacología, Biología Molecular, Bioquímica y Bioinformática,
entre otras disciplinas; y cuyo objetivo es la búsqueda y desarrollo
de nuevos fármacos. El primer paso para ello es conocer la
enfermedad, entender su patología a nivel molecular e identificar
la diana farmacológica que la produce. Una vez identificada ésta,
se pasa a identificar y optimizar los cabezas de serie (el llamado
“Hit to lead”), proceso del que forman parte la síntesis orgánica,
los ensayos enzimáticos y los ensayos preclínicos en modelos
animales.
Una vez seleccionados los mejores candidatos, se evalúan
las llamadas propiedades farmacocinéticas de los mismos
(Absorción, Distribución, Metabolismo, Excreción y Toxicidad), con
el fin de poder predecir, en la medida de lo posible, el
comportamiento que el fármaco tendrá in vivo. Posteriormente, y si
los resultados de las fases anteriores han sido positivos, es importante optimizar el proceso sintético
para llevarlo a cabo a gran escala, intentando disminuir los costes así como hacerlo más sostenible.
Por último, se llevan a cabo los ensayos clínicos y, en el mejor de los casos, la aprobación del fármaco
por las agencias del medicamento. En nuestro grupo, nos dedicamos a la búsqueda de inhibidores de
diferentes dianas todas ellas implicadas en enfermedades neurodegenerativas tales como Alzheimer,
Parkinson, Esclerosis Múltiple, entre otras.
REVISTA
MOLÉCULA
18
MATEMÁTICAS
APLICADAS
Homogeneización de metamateriales
Hélia Serrano
Los metamateriales son materiales artificiales que
presentan propiedades extraordinarias que no se pueden
encontrar en la naturaleza y que son fruto de una mezcla de
distintos componentes. Su estudio remonta la década de los
40 del siglo XX con trabajos sobre dieléctricos artificiales
(materiales eléctricos aislantes) orientados a la construcció́n
de lentes a frecuencias de microondas.
Nos centramos en el estudio del comportamiento
asintótico de las soluciones de un sistema de ecuaciones
diferenciales parciales proveniente de las ecuaciones de
Maxwell que describen las propiedades electromagnéticas
de metamateriales formados por laminas alternadas de dos
materiales con la misma permeabilidad magnética negativa
y con diferente permitividad eléctrica positiva.
1. D. Cioranescu, P. Donato, An Introduction to Homogenization, Oxford University Press, 1999.
2. T. J. Cui, D. R. Smith, R. Liu, Metamaterials: Theory, design and applications, Springer, 2010.
3. G. Milton, The theory of composites, Cambridge University Press, 2004.
4. H. Serrano, Reiterated homogenization of the vector potential formulation of a magnetostatic
problem in anisotropic composite media, Nonlinear Analyis, 74 (2011), 7380­7394.
5. H. Serrano, A variational approach to the homogenization of laminate metamaterials,
(submitted)
REVISTA
MOLÉCULA
19
MOLÉCULA JULIO
En el próximo número de Molécula...
En el próximo número incluiremos resúmenes de las Tesis doctorales defendidas en los meses de
Junio y Julio, noticias científicas de interés, así como las habituales secciones de investigación,
legados, etc…
REVISTA
MOLÉCULA
20