Caso de éxito: cómo COSMOsuite y TURBOMOLE ayudan a optimizar la remediación de aguas contaminadas por bisfenoles
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En un contexto en el que la contaminación de aguas por disruptores endocrinos, como el bisfenol A (BPA) y sus sustitutos, representa un desafío creciente, un grupo de investigación ha apostado por herramientas avanzadas de modelado molecular para diseñar procesos de extracción más eficientes y sostenibles. Gracias a la integración de COSMOsuite y TURBOMOLE, han logrado reducir significativamente el tiempo y los recursos necesarios para seleccionar disolventes ecológicos y optimizar experimentalmente la remediación de aguas.
Este trabajo [1] ha sido desarrollado por el equipo investigador formado por Luz Alonso Dasques, Plácido Galindo Iranzo, Rosa Lebrón Aguilar y Jesús E. Quintanilla López, pertenecientes al Instituto de Química-Física “Blas Cabrera” (IQF-CSIC), e Iván Sacristán y Belén Gómara, pertenecientes al Instituto de Química Orgánica General (IQOG-CSIC), ambos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). La combinación de sus perfiles investigadores ha permitido abordar el reto desde una perspectiva integral, incluyendo modelado molecular, diseño de disolventes y validación experimental.
Los objetivos del grupo eran claros: maximizar la eliminación simultánea de ocho bisfenoles de aguas contaminadas, reducir el número de ensayos experimentales necesarios para la optimización del proceso, seleccionar disolventes con un perfil toxicológico y de biodegradabilidad favorable y desarrollar un proceso robusto, escalable y alineado con los principios de la Química Verde.
El cribado in silico de más de 100 terpenoides condujo a la elección de la carvona como biodisolvente más prometedor para la extracción de bisfenoles de muestras de agua. Posteriormente, se desarrolló y optimizó experimentalmente un proceso de extracción líquido-líquido mediante diseño experimental (DOE), se validó su rendimiento y eficiencia en aguas medioambientales de distinta procedencia y se evaluó la posibilidad de reutilización del biodisolvente.
El uso de este enfoque permitió:
El modelado molecular permitió la elección racional del mejor disolvente, interpretando el papel de los distintos tipos de interacciones (puentes de hidrógeno, electrostática, Van der Waals) y reduciendo la carga de trabajo experimental, pudiendo focalizar así los esfuerzos en las variables del proceso como la proporción entre las fases o el tiempo y velocidad de agitación.
Este trabajo [1] ha sido desarrollado por el equipo investigador formado por Luz Alonso Dasques, Plácido Galindo Iranzo, Rosa Lebrón Aguilar y Jesús E. Quintanilla López, pertenecientes al Instituto de Química-Física “Blas Cabrera” (IQF-CSIC), e Iván Sacristán y Belén Gómara, pertenecientes al Instituto de Química Orgánica General (IQOG-CSIC), ambos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). La combinación de sus perfiles investigadores ha permitido abordar el reto desde una perspectiva integral, incluyendo modelado molecular, diseño de disolventes y validación experimental.
Retos iniciales y motivación
Tradicionalmente, la selección de disolventes para la extracción de bisfenoles se basa en protocolos de ensayo y error, un enfoque que consume mucho tiempo y recursos y que no garantiza resultados óptimos frente a mezclas complejas de contaminantes y condiciones variables de pH o temperatura. Con cientos de terpenoides como potenciales candidatos a disolventes, surgió la necesidad de un cribado rápido y fiable que permitiera identificar los más adecuados antes de realizar experimentos costosos.
Fig. 1. Valores de capacidad solvente ($C^\infty$, mapa de calor) y capacidad solvente acumulada ($\Sigma C^\infty$, gráfico de barras) para bisfenoles en los diferentes terpenoides estudiados.
Los objetivos del grupo eran claros: maximizar la eliminación simultánea de ocho bisfenoles de aguas contaminadas, reducir el número de ensayos experimentales necesarios para la optimización del proceso, seleccionar disolventes con un perfil toxicológico y de biodegradabilidad favorable y desarrollar un proceso robusto, escalable y alineado con los principios de la Química Verde.
Integración de COSMOsuite y TURBOMOLE en el flujo de trabajo
El flujo de trabajo combinado se diseñó de la siguiente manera: primero, se seleccionaron potenciales extractantes, tipo terpenoide, atendiendo a criterios de sostenibilidad. A continuación, TURBOMOLE optimizó las geometrías 3D de los bisfenoles y los terpenoides mediante DFT (BP86/TZVP), generando los ficheros .cosmo necesarios. Con COSMOsuite y COSMOTherm se calcularon los coeficientes de actividad, la capacidad solvente, las constantes de partición y las funciones termodinámicas de exceso.El cribado in silico de más de 100 terpenoides condujo a la elección de la carvona como biodisolvente más prometedor para la extracción de bisfenoles de muestras de agua. Posteriormente, se desarrolló y optimizó experimentalmente un proceso de extracción líquido-líquido mediante diseño experimental (DOE), se validó su rendimiento y eficiencia en aguas medioambientales de distinta procedencia y se evaluó la posibilidad de reutilización del biodisolvente.
Fig. 2. Energía libre de Gibbs de exceso ($G^E$, línea negra) y contribución de las fuerzas de van der Waals (VDW, barra verde), fuerzas electrostáticas de desajuste (MF, barra roja) y puentes de hidrógeno (HB, barra azul) a la entalpía de exceso ($H^E$) a 298,15 K estimadas mediante COSMOTherm para bisfenoles en carvona (A y C) y agua (B y D), para una relación molar disolvente:bisfenol de 0,500:0,500 (A y B) y 0,999:0,001 (C y D).
Resultados y beneficios
Fig. 3. Gráficos de superficie de respuesta (A, B y C) del diseño de experimentos (DOE) para la extracción de bisfenoles de agua utilizando carvona. Diagrama de Pareto estandarizado (D) para el efecto de las variables estudiadas sobre la eficiencia de extracción (EE), mostrando la línea vertical correspondiente al nivel de significancia de 0,05.
El uso de este enfoque permitió:
- Reducir el número de ensayos experimentales: solo fue necesario trabajar con carvona, descartando otros terpenoides con menor probabilidad de éxito.
- Optimizar la sostenibilidad: la carvona, de origen natural, no bioacumulativa y fácilmente biodegradable, permitió reemplazar a otros disolventes orgánicos clásicos. Además, los resultados demostraron que era posible su reutilización durante ocho ciclos de extracción, manteniendo una eficiencia media del 98,1%.
- Minimizar el consumo energético y de recursos: las condiciones suaves de extracción optimizadas por el DOE (≈5,35 min de agitación a temperatura ambiente) alcanzaron eficiencias de extracción cercanas al 100%, incluso con relaciones fase orgánica/agua muy bajas.
- Resultados cuantificables: coeficientes de partición agua-carvona entre 2,5 y 6,4; eficiencia de extracción experimental global del 99,3% (siendo mayor del 99% para casi todos los bisfenoles) y entre el 98 y 100% en muestras reales de aguas contaminadas artificialmente a concentraciones de hasta 20 mg L⁻¹.
El modelado molecular permitió la elección racional del mejor disolvente, interpretando el papel de los distintos tipos de interacciones (puentes de hidrógeno, electrostática, Van der Waals) y reduciendo la carga de trabajo experimental, pudiendo focalizar así los esfuerzos en las variables del proceso como la proporción entre las fases o el tiempo y velocidad de agitación.
Fig. 4. Eficiencia de extracción (EE, %) para bisfenoles individuales con carvona en la Muestra 1 fortificada a tres niveles de concentración: 5 (barra azul), 10 (barra roja) y 20 mg L⁻¹ (barra verde). Los bigotes indican la desviación estándar (n = 3).
