Anselme Payen

Anselme Payen (1795-1871) fue un químico, científico e industrial polifacético francés que contribuyó significativamente a muchas áreas de las ciencias. Desarrolló el proceso francés para producir bórax a partir de ácido bórico y carbonato de sodio, la utilización de carbono de origen animal como materia descolorante para el azúcar de remolacha, un proceso mejorado de cámara de plomo para la fabricación de ácido sulfúrico, la utilización total de desechos animales, etc.

Dedicó gran parte de su vida al estudio de la fisiología de las plantas y sus muchos logros en esta área incluyen el descubrimiento de la diastasa, la enzima para la descomposición del almidón, la celulosa, la lignina y el papel crucial del nitrógeno en el desarrollo vegetal.

Vida y carrera de Anselme Payen

Anselme Payen nació el 6 de enero de 1795 en Paris, uno de los seis hijos de Marie-Françoise Jeanson de Cour- tenay y Jean-Baptiste Pierre Payen.   Su hermano murió a una edad temprana y una de sus cuatro hermanas falleció a la edad de catorce años.

Infografia Anselme Payen

El padre de Anselme estudió en el Colegio de Navarre de París. A pesar de sus grandes aptitudes para la ciencia y la discusión teológica, el padre de Jean-Baptiste decidió que debía convertirse en abogado y para ello compró el puesto de sustituto del procurador del Rey en Paris. En 1792, Jean-Baptiste perdió esta posición como resultado de la constitución revolucionaria de 1791, y el 6 de julio de ese año utilizó la compensación que había recibido para comprar una antigua casa de caza y unas tierras en Grenelle, junto a las orillas del Sena, entonces en las afueras de París.

Allí estableció, una tras otra, una fábrica de blanqueadores, una imprenta y una planta para la producción de gelatina mediante la digestión de residuos animales, especialmente huesos; un complejo industrial que más tarde se ampliaría para incluir la fabricación de ácido sulfúrico e hidrógeno, bórax, refinado de azúcar, etc. En la década de 1790 producía cantidades sustanciales de sal amoniacal (cloruro de amonio), que luego era exportado a Alemania, a partir de residuos animales, sosa y cloruro de hidrógeno, utilizando los procesos desarrollados por Antoine Baumé y Nicolas Le Blanc.

También comenzó la producción de ácido sulfúrico utilizando el proceso de cámara de plomo, así como el refinado de azufre crudo importado de Sicilia. Después de 1800 comenzó a refinar el tincal (bórax crudo) importado del Lejano Oriente, se unió al esquema de azúcar de remolacha napoleónico (1811), y abrió una fábrica de boneblack (1818).  Todas estas fábricas estaban unidas ya que los productos de una podían ser utilizados por las demás instalaciones.

Fue en esta atmósfera de ciencia que Anselme se crió.  No estaba matriculado en una escuela, su padre era su único maestro hasta que pudo ser enviado a una educación más avanzada. Este tipo de educación ejerció una tremenda influencia en su carácter y lo convirtió en un lobo solitario, bien formado en cuestiones científicas, pero poco sociable y que no buscaba compañía, rasgos que persistieron a lo largo de su vida.

Posteriormente, su padre lo envió a París para estudiar química con Louis Nicolas Vauquelin y Louis-Jacques Thénard, física con Antoine-François Four- croy y matemáticas con François Trémery. El curso de química aplicada de Vauquelin duró tres años y contó con la participación de personas bien educadas, supervisores de talleres y fabricantes.

Anselme asistió a este curso entre 1812 y 1814.  En el laboratorio de Vauquelin, Anselme conoció a Pierre-Jean Robiquet y a Alphonse Chevalier. Robiquet y Payen serían los principales colaboradores de los artículos sobre química y tecnología química del Dictionnaire Technologique, lanzado en 1822. Chevalier y Payen publicaron conjuntamente tres exitosos tratados sobre reactivos, lúpulo y papa a principios de la década de 1820.

Primera página de uno de los tomos de Grand dictionnaire de technologie, donde Anselme Payen colaboró con diversos artículos
Primera página de uno de los tomos de Grand dictionnaire de technologie, donde Anselme Payen colaboró con diversos artículos

Después de terminar su formación con Vauquelin, Anselme comenzó el curso de química analítica y teórica de Thenard para estudiantes avanzados “L’Analyse et la Philosophie Chimique“, impartido en el Collège de France.  Payen siguió este curso y probablemente conoció bien el Traité de Chimie Élémentaire Théorique et Pratique de Thenard, publicado entre 1813 y 1816.

Su padre quería que Anselme entrara en la École Polytechnique para evitar ser reclutado en el ejército revolucionario.  La agitación de los Cien Días y la caída de Napoleón I lo liberó de este problema. A la edad de 21 años su padre lo puso a cargo de la refinería de bórax y después de la muerte de su padre en febrero de 1820, Anselme Payen, entonces de 25 años, tuvo que asumir la responsabilidad total del manejo de las muchas fábricas establecidas por su padre: remolacha azucarera, ácido sulfúrico, cloruro de hidrógeno, azufre, gelatina, negro animal, amoníaco salino y un laboratorio especial para la fabricación de los productos químicos requeridos por la industria farmacéutica.

En 1821 Payen se casó con Zélie-Charlotte-Mélanie Thomas, hija de un conocido empresario. Tuvieron cinco hijos, de los cuales sólo uno sobrevivió.

Su primer trabajo como profesor fue en la Société Philotechnique y su primera publicación fue un breve tratado sobre química, en colaboración con Chevalier. En 1829 Payen comenzó a enseñar química en la École Centrale des Arts et Manufactures, en sustitución de Jean-Baptiste André Dumas y en 1836 fue nombrado profesor en la misma escuela para impartir su propio curso de química industrial.

École Centrale des Arts et Manufactures
École Centrale des Arts et Manufactures, donde Payen impartió diversos cursos

Este curso fue publicado en 1849 bajo el título Précis de Chimie Industrielle , seguido de cinco nuevas ediciones entre 1851 y 1877. En 1839 aceptó una cátedra similar de química aplicada a las artes en el Conservatoire Royal des Arts et Métiers, ocupando una de las cinco nuevas cátedras instituidas por Louis Philippe.

Payen ocupó estos dos puestos docentes hasta su muerte en 1871. A la edad de 40 años Payen decidió renunciar a todas sus actividades administrativas industriales y dedicarse completamente a la investigación científica. Muchas de sus investigaciones estaban relacionadas con aplicaciones industriales, pero siempre dirigidas a la fisiología vegetal. Vendió sus fábricas a Théodore Jouet y en 1839 pudo decir que había abandonado toda la gestión industrial y la responsabilidad comercial”

Su gestión de la fábrica de remolacha azucarera llevó a Payen a interesarse en la química agrícola y en la aplicación de la ciencia en general para la mejora de las prácticas agrícolas. En un libro publicado en 1828, junto con Chevalier, titulado “Traité de la Pomme de Terre”, describió con gran detalle no sólo la preparación de diversos alimentos y piensos para el consumo humano y animal, incluida la producción de azúcar y jarabe, sino también los métodos para la preparación de almidón y alcohol a partir de patatas.

Fotografía de la Casa de Anselme Payen en París, lugar donde realizó muchas de sus investigaciones
Fotografía de la Casa de Anselme Payen en París, lugar donde realizó muchas de sus investigaciones

Fue elegido miembro de la Société Royal et Centrale d’Agriculture (establecida en 1761 y ahora llamada Académie d’Agriculture de France) el 17 de julio 1833 y nombrado su secretario permanente en marzo 4, 1845, cargo que ocupó durante 26 años. Anselme Payen Llevó a cabo una reorganización que resultó en dos divisiones, una división de ciencias agrícolas (agricultura, silvicultura, ganadería) y una división de ciencias aplicadas (física y química, historia natural, mecánica y economía, todas ellas aplicadas a la agricultura). Actuó como editor del Boletín mensual entre 1845 y 1871, y contribuyó regularmente a los memoriales anuales de la sociedad.

Puestos y distinciones de Anselme Payen

Entre los muchos puestos que Anselme Payen ocupo en la vida se pueden destacar los siguientes: La Academia de Medicina lo eligió miembro asociado en 1868, en 1828 fue nombrado Caballero de la Legión de Honor por Carlos X, en 1847 Oficiante por Luis Felipe, y en 1863, Commandeur por Napoleón III. Fue miembro de la Société d’Encouragement Pour l’Industrie Nationale, miembro del Comité de Salut Public et Hygiene, presidente de la Société d’Horticulture de la Seine, y miembro y jurado de seis exposiciones industriales nacionales celebradas entre 1827 y 1850, así como de cuatro exposiciones mundiales celebradas en Londres y París entre 1851 y 1867.  Fue tres veces miembro de la Académie des Sciences, sección Economía Rural, la cual fracasó en 1838.

La División de Celulosa, Papel y Textil de la American Chemical Society otorga cada año el Premio Anselme Payen al mejor trabajo en este campo.   Este premio internacional, que incluye una medalla de bronce y un honorario de 3.000 dólares, se otorga para honrar y alentar las contribuciones profesionales sobresalientes a la ciencia y la tecnología química de la celulosa y sus productos afines. Una pequeña calle en el Arrondisement 15 de París lleva su nombre. En la Séptima Exposición Industrial celebrada en el Louvre en 1827, Payen recibió una medalla de plata por los productos bituminosos que había expuesto.

Últimos años de Anselme Payen

Payen sirvió durante más de cuarenta años como comandante de un batallón de la Guardia Nacional de la ciudad de Grenelle. Su autoridad fue suficiente para mantener el orden durante los turbulentos años que siguieron a las revoluciones de 1830 y 1848.

Payen pasó toda su vida en el mismo barrio pobre de París, muy respetado por sus vecinos de la clase obrera. Durante la hambruna provocada por el asedio de París, trató por todos los medios posibles de hacer comestibles varios materiales inusuales. Payen no se perdió ni una sola sesión de la Academia de Ciencias y de la Academia de Medicina. De repente, el 9 de mayo de 1871, cuando acababa de entrar en la sesión de la Academia de Medicina, perdió el conocimiento, sufriendo un ataque de apoplejía. Durante tres días estuvo sumergido en un profundo letargo, haciendo señales raras con sus manos a su esposa e hija.

Falleció el 12 de mayo de 1871 y fue enterrado en el cementerio de Vaugirard. Pocos de sus amigos pudieron asistir a su funeral porque eran los días de la fundación de la Comuna de París y de la guerra civil que se libraba en las calles de París. Jean Baptiste Huzard Sr. pronunció la oración funeraria escrita por Michel Eugéne Chevreul (1786-1889), amigo y miembro de la Société d’Encouregement Pour l’Industrie Nationale. En sus palabras, Chevreul puso especial énfasis en el hecho de que Payen siempre había combinado el cultivo de la ciencia con el conocimiento industrial que había acumulado como fabricante de productos químicos. La esposa de Payen le sobrevivió durante dos meses.

Contribuciones científicas e industriales

Payen era un industrial y científico polifacético. La amplia gama de sus actividades se refleja en los cerca de 200 artículos que publicó en diferentes revistas. Aquí sólo discutiremos algunos de ellos.

Sal amoniacal (cloruro de amonio)

Antes de 1760, la sal amoniacal se importaba de Egipto, donde se producía a partir del hollín resultante de la quema de los excrementos de varios animales, en particular de los camellos.  El 6 de junio de 1767, el Consejo del Rey concedió a Antoine Baumé un privilegio para establecer una fábrica de sal amoniacal en Gravelle, cerca de París.

El procedimiento de Baumé consistía en la descomposición por destilación del carbonato de amonio producido por la calcinación de materias orgánicas nitrogenadas (trapos de lana, pelo de caballo, restos de cuero, orina y excrementos sólidos), con cloruros de magnesio y calcio obtenidos de las salinas de Lorena, en presencia de tizas que facilitaban la reacción. El lodo resultante se filtra, el filtrado se deja cristalizar y el cloruro de amonio sólido se purifica por sublimación.

Posteriormente Baumé comenzó a producir cloruro de hidrógeno por reacción de sal marina con ácido sulfúrico.  La reacción de la tiza con carbonato de amonio produjo amoníaco, que fue reaccionado con el cloruro de hidrógeno para producir cloruro de amonio muy puro.  El método de Baumé sería utilizado posteriormente por Leblanc y Dizé en su fábrica de carbonato de sodio de Saint-Denis.

Afortunadamente, los socios de Baumé en Gravelle se negaron a comercializar el nuevo método porque lo consideraban económicamente demasiado peligroso. Como resultado, Baumé abandonó a sus asociados y en 1787 interrumpió la operación de su fábrica. Según Anselme Payen, los accionistas perdieron más de cuatrocientos mil francos.  Muchos otros fabricantes copiaron el procedimiento de Baumé y, como consecuencia, estuvo involucrado durante muchos años en una amarga batalla legal para que se reconocieran sus derechos.

En 1802, Jean-Baptiste Payen obtuvo una concesión para cortar árboles en el bosque de los alrededores de París para utilizar la madera en la preparación de cloruro de amonio en su fábrica de Grenelle.  Diez años más tarde, él y otros dos fabricantes, Bernard-Nicolas Pluvinet y Nicolas Bourlier, reabrieron el negocio de Baumé.

Planos esquemáticos de uno de los muchos procesos de producción propuestos y mejorados por Payen
Planos esquemáticos de uno de los muchos procesos de producción propuestos y mejorados por Anselme Payen

Los socios introdujeron el uso de nuevas autoclaves cilíndricas de hierro fundido y mejoraron el proceso hasta tal punto que el sal amoniacal comercial tenía una mejor calidad y un precio más bajo.  Uno de los factores que probablemente contribuyeron a su éxito fue el hecho de que, al utilizar el proceso Leblanc, el sulfato de sodio procedente de la fábrica de sal amoniacal podía convertirse en un valioso subproducto, en lugar de desecharlo como residuo sin valor. Además, la gama de materias primas posibles se amplió considerablemente más allá de los huesos: sangre, carne, cuernos, trapos de lana, trapos de seda, crin de caballo y raspaduras de cuero.

La sosa se desarrolló rápidamente de una subsidiaria interesante a uno de los principales productos químicos de Payen, y por lo tanto comenzó a fabricar el sulfato de sodio requerido para la producción de sosa calentando sal común y ácido sulfúrico. Este fue el proceso empleado por Le Blanc y Jérôme Dizet en su planta de Franciade (Saint-Denis), y aclaró lo mejor de lo mejor disponible por la comisión especial nombrada por el Comité de Salud Pública, en enero 27, 1794.

Negro de carbón

En sus memorias sobre el tema Payen escribió que no mucha gente era consciente del importante papel que jugaba el negro animal (carbón animal) en la fabricación y refinación del azúcar. Se sabía que, en contacto con esta sustancia, los licores de azúcar se purificaban y decoloraban.

Sin su ayuda sería imposible obtener un azúcar blanco cristalino. Pero pocos eran conscientes del hecho de que al principio de la industria azucarera europea el animal negro no se utilizaba en absoluto. La química conocía la acción blanqueadora del carbón de madera, pero no la del carbono obtenido por calcinación ósea.

En 1809, por primera vez, el inteligente dueño de una refinería llamada Guillon, pensó aplicar a la depuración de los jarabes blancos la acción decolorante del carbón de madera. De esta manera, preparaba jarabes blancos de sabor agradable que se consideraban de inmediato para el consumo.

Dos años más tarde, en 1811, Pierre Figuier de Montepellier, llamó por primera vez la atención de los científicos sobre las propiedades del carbón animal, propiedades que eran claramente superiores a las del carbón vegetal. En esa época, Payen fabricaba en Grenelle sal amoniacal calcinando diferentes materiales animales, especialmente huesos, en un recipiente cerrado.

En las retortas de calcinación quedaba un residuo de una sustancia calcárea mezclada con carbón dividido que retenía la forma del hueso calcinado. Este residuo, llamado negro de animal, fue el que Payen pensó aplicar a la decoloración de los azúcares. El éxito comercial no fue instantáneo, las refinerías no estaban ansiosas por reemplazar el carbón de madera por el nuevo producto.

Payen realizó un trabajo adicional con la colaboración de Derosne para tratar de superar la resistencia, y finalmente sus esfuerzos se vieron coronados por el éxito: se establecieron dos fábricas en París para fabricar el nuevo decolorante y, cuando su capacidad fue insuficiente, se estableció una tercera fábrica en Orleans, a la que siguieron otras en todos los lugares donde se cultivaba y procesaba remolacha azucarera.

En 1821 la Société de Pharmacie ofreció una recompensa por una respuesta a las preguntas sobre cómo explicar la acción decolorante del carbón y si fue el estado físico del carbón de origen animal el que causó su mayor poder decolorante. Tres trabajos fueron recompensados: las de Alexandre Bussy, Pierre-Antoine Elie Desfossés y Anselme Payen.

El estudio de Payne fue más allá de los términos de la competencia, analizó los detalles tanto de la producción de negro de hueso como de la regeneración del negro de hueso usado de las refinerías de azúcar.

El primer paso del estudio de Payen consistió en la prueba experimental de que las sustancias que acompañaban al negro de animal, como el fosfato de calcio, no eran responsables de su acción decolorante.  Payen encontró que en realidad había dos tipos de carbón, “plomo negro o grafito”, que es lustroso (carbón brillante), y una variante sin brillo o amorfa (charbon terne). Payen además demostró que sólo la especie brillante era la activa.

Atribuyó esta actividad a ”una especie de división química, un estado particular de carbón que disuade su libertad de actuar energéticamente sobre la materia colorante”.  A partir de numerosos experimentos con carbón vegetal normal, carbón vegetal tratado con cloruro de hidrógeno, carbón de fabricantes de azul de Prusia, carbón de fabricantes de ácido pirolíndrico, carbón de azúcar mezclado con fosfato de calcio, etc., llegó a la conclusión de que el estado físico (forma y estado de agregación) de estos carbones era el que determinaba su poder decolorante.

Bórax

Desde tiempos inmemoriales el bórax ha sido una importante materia prima utilizada sobre todo en las industrias del metal y de la cerámica, en la primera para soldar y en la segunda como fundente para dar a ciertos esmaltes una adecuada fusibilidad. Hasta el siglo XVIII, Europa importó el bórax crudo (llamado en ese momento tinkal) de la India, China, Ceylan, Persia y Perú en forma de pequeños cristales que generaban eflorescencia en contacto con el aire, al perder parte de su agua de cristalización.

Para evitar esta alteración, que se reflejaba en una pérdida de peso, los nativos cubrían los cristales con una capa de material graso que los protegía completamente. La mayor parte del tinkal provenía del Tíbet, de una serie de lagos del Himalaya (Teschu-Lumbu) situados a una altitud de 13.000-15.000 pies. Los crudos cristales de bórax de los lagos tibetanos se transportaban en bolsas atadas a las ovejas, que eran conducidas en caravana sobre los Himalayas hacia el norte de la India.  Desde allí llegó a Calcuta, donde lo recogían comerciantes árabes y después europeos.

La capa protectora significaba que el bórax tenía que ser purificado antes de su uso. El proceso de purificación había sido desarrollado por los venecianos y se había mantenido en secreto durante muchos años. Con el tiempo fue transferido a Holanda, donde se convirtió en un monopolio. Los secretos holandeses fueron revelados por Jacques-Christophe Valmont-de-Bomare, quien visitó los talleres holandeses y publicó el secreto del tinkal en su Dictionnaire Raisonné Universel d’Histoire Naturelle.   Según Payen, fueron los hermanos Lécuyer quienes introdujeron el refinado de tinkal a Francia en 1786.

El secreto de la purificación del bórax es descrito muy pintorescamente por Pierre-Joseph Macquer en su Dictionnaire de Chymie: “Como el bórax no se encuentra en Europa, es traído de las Indias Orientales en un estado que sólo requiere una ligera purificación, que le es dada por los holandeses y venecianos que son sus principales comerciantes. Pero aún no se sabe si se trata de una sustancia natural o artificial, ni de dónde, ni cómo se obtiene. Nuestra ignorancia sobre el bórax se debe ciertamente al interés que tienen los que hacen de él un lucrativo comercio por mantener en secreto todo lo relacionado con su origen”.

El bórax comenzó a ser refinado en Francia sobre 1805, pero en la época de Payen las refinerías francesas sólo podían producir cristales pequeños y mal definidos que el comercio se negaba a aceptar, a pesar de que el precio del bórax refinado en 1815 era de aproximadamente de 7-8 francos por kilo.  A finales del siglo XVIII se descubrió ácido bórico en los soffioni de la región de Larderello en Toscana.

En dicha región, los géiseres de agua, llamados soffioni, fumacchi, fumarole, o mofetti salen del suelo, a una temperatura cercana a 205°C y presiones de hasta 14 bar.  El agua contiene alrededor de 0,4% de ácido bórico, que cristaliza produciendo hasta un 80% de ácido bórico en forma de decahidrato, H3BO3 10H2O. El ácido bórico había sido descubierto en 1702 por Wilhelm Homberg, quien lo había llamado sal narcótica de vitriolo o sal sedante.  El ácido bórico toscano comenzó a entrar en los mercados europeos a principios del siglo XIX.

El padre de Payen se unió al negocio de refinación de bórax a principios del siglo XIX.  Cuando Anselme Payen se hizo cargo de la empresa familiar, consideró, junto con Chartier, la posibilidad de romper el monopolio holandés preparando bórax mediante la reacción entre el carbonato de sodio francés y el ácido bórico toscano.  La posibilidad de esta reacción había sido demostrada a escala de laboratorio por Hyacinthe Théodore Baron en 1750.

En 1827 François-Jacques Larderel desarrolló un nuevo método de extracción utilizando los soffioni como fuente de calor que le permitió multiplicar por diez la producción, abriendo así el camino a Payen.  Payen logró producir dos formas de borato de sodio tanto en su laboratorio de investigación como, después de ampliar el proceso, en su fábrica de bórax.

En 1828 descubrió que la razón por la que el bórax artificial era de calidad inferior al tinkal refinado era su mezcla de bórax octaédrico (pentahidratado) y bórax prismático (decahidratado), en proporciones variables.  Por esta razón los cristales resultantes de la reacción del ácido bórico con la sosa eran pequeños y sin solidez. Por otro lado, los cristales de bórax prismático puro eran voluminosos y tenían las calidades preferidas por el comercio.

Después de una década de experimentación, Payen descubrió que mediante un control cuidadoso de las variables operativas, en particular la temperatura y la densidad de las soluciones, era posible guiar el proceso para producir cualquier tipo de cristales. Como se explica más adelante, encontró que una solución de borato de sodio de una densidad de 30° Bé producía bórax octaédrico puro entre 79° C y 56° C, y que por debajo de 56°C el bórax prismático comenzaba a depositarse en cristales octaédricos. Este descubrimiento es todo un logro, teniendo en cuenta que en ese momento no se conocían los diagramas de fase. Constituye otra prueba de las cualidades analíticas superiores de Payen.

No pasó mucho tiempo hasta que la fábrica de Payen en Grenelle comenzó a ofrecer al comercio cristales más hermosos que los de las mejores refinerías holandesas. Para introducirse en el mercado Payen tuvo que luchar contra la actitud conservadora de los usuarios locales. Sus cristales eran demasiado buenos para ser ciertos, por lo que parecía que el nuevo producto estaba listo para ser lanzado, pero los compradores dudaban de su calidad y lo rechazaba.   En un panfleto de la época se retrató esta situación “El nuevo producto era tan bello que inicialmente el comercio lo rechazó. Para que aceptaran el bórax preparado artificialmente, el Sr. Payen tuvo que impartirle el tono grisáceo del bórax holandés; también tuvo que desgastar los ángulos de los cristales frotándolos contra un tamiz, produciendo así efectos similares a los resultantes del transporte; incluso tuvo que imitar el embalaje extranjero, es decir, cajas hechas de álamo o álamo holandés, con una capacidad de 60 kg, y forradas con hojas de papel índigo”.

El resultado final fue que Francia ganó una nueva industria y los holandeses perdieron su monopolio. El precio del bórax bajó rápidamente a menos de un tercio y para 1871 ya estaba por debajo de 2,50 francos por kilo. Payen describió su proceso de fabricación en los siguientes términos:

“Hemos utilizado como materia prima ácido bórico de la Toscana, que contiene entre 74 y 1.000 toneladas de ácido bórico con 83% de ácido.  Las impurezas presentes son agua, sulfato de amonio, magnesio, carbonato de calcio, alúmina, cloruro de hierro, cloruro de amoníaco y trazas de sulfuro de hidrogeno, arcillas, arena, azufre, un colorante amarillo y una sustancia nitrogenada, soluble en alcohol.  Los sulfatos y cloruros presentes provocan un gasto sustancial en sosa, transformándose en sulfato de sodio y carbonatos de magnesio y calcio. Las trazas de alúmina y óxido de hierro se forman con otras sustancias insolubles en un volumen que no se puede eliminar económicamente de la solución”.

“La preparación del bórax crudo implica la reacción de 1000 kg de ácido bórico con 1200 kg de carbonato de sodio cristalino, en unos 2000 kg de agua. Primero se disuelve el carbonato de sodio en un tanque de madera revestido de plomo y se calienta con vapor por inyección directa. Una vez disuelto el carbonato, la temperatura se eleva ligeramente por encima de los 100°C y el ácido bórico se añade lentamente, en lotes de 4-5 kg. Los gases liberados (dióxido de carbono y pequeñas cantidades de carbonato de amonio) son absorbidos en ácido sulfúrico para recuperar el amoníaco liberado. Una vez añadido todo el ácido bórico, la temperatura se lleva a ebullición, a unos 105°C, de donde la solución tiene una gravedad específica de unos 21°Bé*. Ahora se detiene el calentamiento y se deja reposar la solución durante unas 10-12 horas, mientras se forma un depósito sólido en el fondo del recipiente. El líquido transparente se escurre y se deja cristalizar en cubetas de madera, donde se forman cristales prismáticos en un proceso muy lento y regular.  Después de 25 a 30 días, la temperatura ha bajado a unos 27°C y la cristalización se ha completado; el licor madre sobrenadante claro se lleva ahora a los cristalizadores y al sólido eliminado. El licor madre y el agua utilizada para el lavado de las vasijas se reciclan. Los cristales son llevados a otro recipiente para ser lavados. Si la calidad sigue siendo inferior a la exigida por el comercio. Se consigue una mayor purificación mediante la redisolución y cristalización lenta”

“El principal problema de la operación de refinado es la obtención de cristales voluminosos; su volumen depende de la masa tratada, de la lentitud del enfriamiento y, en particular, de la regularidad de la velocidad de enfriamiento.  El bórax crudo a refinar se introduce en un recipiente de madera revestido de plomo y calentado por vapor.   Se añade agua para disolver los cristales impuros, que se mantienen en una cesta, ligeramente teñidos por debajo de la superficie del líquido.  Por cada 100 partes de bórax se añaden 5 partes de carbonato de sodio cristalino.  Los sólidos se añaden en la misma proporción hasta que la solución tenga una gravedad específica de 22°Bé a 100°C. La solución se deja reposar para aclararla y luego se sifona el líquido caliente transparente a un gran cristalizador, hecho de madera y revestido de plomo, y se construye de tal manera que se evitan las vibraciones. Dependiendo de la temperatura externa, el proceso dura entre 16 y 18 días.  Después de este período de tiempo la temperatura ha descendido a unos 27-28°C. Se tiene cuidado de no dejar que se sitúe por debajo de este rango, ya que de lo contrario otras sustancias también podrían cristalizarse. El licor madre se separa de los cristales lo más rápido posible, y se sifona ( a cristalizadores de fondo plano, donde aparecen pequeños cristales. Los grandes cristales de bórax se secan y se envasan”

La preparación del bórax octaédrico es similar, excepto que la solución es más concentrada, 30° Bé a 100°C. La cristalización del bórax octaédrico se realiza a 79°C y termina a 56°C.  Una vez más, el licor madre se elimina mediante sifonaje.

* los grados de Baumé están relacionados con la gravedad específica G por la relación °Bé = 140/G – 130

Residuos animales

En 1825, la Société Centrale d’Agriculture propuso un primer premio de 1.000 francos y un segundo de 500 francos para las mejores investigaciones sobre “dar a conocer a los agricultores los beneficios que pueden obtener de los animales que mueren en sus campos a causa de una enfermedad, de la vejez o de un accidente”. El programa indicaba que en ese momento los cadáveres de los animales muertos, después de haber sido desollados, eran simplemente enterrados en el suelo o dejados al sol, para ser alimento de aves de presa, perros vagabundos o lobos. La Sociedad tenía la intención de poner fin a estas prácticas. Pero era difícil luchar contra la ignorancia y las costumbres; existía la creencia general de que tocar a un animal muerto induciría enfermedades peligrosas.

El concurso permaneció abierto durante cinco años. Finalmente, el 18 de abril de 1830, la propuesta de Payen fue galardonada con el premio.  Su memorándum de 136 páginas, Notice sur les Moyens d’Utiliser Toutes les Parties des Animaux Morts Dans les Campagnes resumió todas las situaciones posibles relacionadas con el uso de animales muertos, ya sea para la industria o para la fabricación de fertilizantes destinados a la agricultura. En este manual se dieron sugerencias sobre el valor nutricional de las sustancias ricas en compuestos nitrogenados y sobre un procedimiento para evaluar las ventajas relativas de los fertilizantes. Esto último se basaba en la descomposición de la muestra a analizar a alta temperatura, en un aparato hecho de hierro fundido o arcilla. Los productos gaseosos liberados fueron absorbidos en ácido sulfúrico diluido, seguido de la determinación de la cantidad de ácido neutralizado por una solución alcalina. Aunque este método no le dio todo el nitrógeno en forma de amoníaco, puede considerarse un precursor del conocido método Kjeldahl.

Página de Notice sur les Moyens d'Utiliser Toutes les Parties des Animaux Morts Dans les Campagnes, manual escrito por Payen para la utilización de restos animales
Página de Notice sur les Moyens d’Utiliser Toutes les Parties des Animaux Morts Dans les Campagnes, manual escrito por Payen para la utilización de restos animales

La primera parte del manual de Payen estaba dedicada a tratar de convencer a los agricultores de que no tenían nada que temer cuando manipulaban los cadáveres de vacas o caballos. Para ello Payen citó las ideas del conocido veterinario Jean-Baptiste Huzard, de que había una serie de comercios e industrias donde se manipulaban cadáveres de animales o partes de ellos, y que no se consideraban perjudiciales. Entre los ejemplos mencionados se encontraban las fábricas de intestinos, los mataderos, la fabricación de poudrett (heces convertidas en fertilizante granular), la cola, la gelatina y el amoníaco salino (fabricado a partir de partes calcinadas de animales).

Se publicaron versiones condensadas del manual de Payen en revistas francesas, alemanas y americanas.

Los siguientes capítulos contenían sugerencias a los agricultores sobre cómo aprovechar al máximo los animales muertos separándolos en pieles, pelos, pezuñas, grasa, huesos, carne, tendones, sangre y vísceras, y la venta de estos materiales a curtidores, cordeleros, trabajadores de tripas, y a los fabricantes de peines, grasa, velas, jabón, jabón, sales, pegamento y fertilizantes granulares.

Las pezuñas podrían transformarse en material de cuerno listo para ser utilizado por los fabricantes de botones, peines y otros artículos domésticos, las plumas de ganso podrían convertirse relleno para almohadas, la sangre podría secarse y transformarse en una sustancia clarificante ampliamente demandada por las refinerías de azúcar, etc.  Materiales como huesos y sangre pueden ser transformados en fertilizantes in situ y empleados directamente en los campos de los agricultores.  Según Payen, descuartizar un caballo puede hacer ganar al agricultor 60 francos más o menos. Los bueyes y las vacas eran aún más rentables.

El manual de Payen fue muy exitoso. Muchas industrias, tanto de fertilizantes hechos de residuos animales, como de múltiples productos hechos de los cuernos, los intestinos, la sangre, etc., fueron eventualmente construidas siguiendo las recomendaciones dadas en el libro.  Una gran cantidad de productos valiosos fueron producidos a partir de materiales que antes se consideraban una molestia. Quince años más tarde ya no se dejaron cadáveres de animales para que se pudrieran en el campo.

Caucho natural y gutapercha

Payen investigó las características de la vulcanización del caucho natural (caucho) y las propiedades del producto resultante.  La vulcanización se realizaba sumergiendo una lámina de caucho de dos o tres milímetros de espesor en un baño de azufre fundido a 120°C. Inicialmente el líquido penetra en los poros más rápido de lo que lo haría el agua o el alcohol, e hinchó el caucho. Los poros se dilataron y el peso de la muestra se incrementó del 10 al 15%. Curiosamente, las propiedades del material orgánico eran esencialmente las mismas, podía ser moldeado y soldado como el material original y los solventes lo atacaban con la misma fuerza.

Aumentar la temperatura a 130-160°C, durante aproximadamente 30 a 40 minutos, hizo que la reacción fuera más rápida y esta vez el aspecto y las propiedades del caucho se modificaron sustancialmente. El material adquirió un tono amarillo bajo y no pudo ser autosoldado, la elasticidad disminuyó gradualmente hasta que finalmente el caucho se volvió duro y frágil.

Empleando tiempos de reacción más prolongados: se arrugó la cantidad de azufre absorbido y después de 24 horas el peso original del caucho se había duplicado. En cuanto a la reacción química, Payen la consideró como una sustitución del hidrógeno por azufre. Hoy sabemos que la vulcanización consiste en la unión de los dobles enlaces de isopreno con azufre, esto significa que la separación de pequeñas burbujas de sulfuro de hidrógeno observada por Payen se debió probablemente a que el caucho era impuro con aceites y resinas.

No se sabe si Payen notó durante la vulcanización una fase física durante la cual el caucho absorbió azufre, y una fase química en la cual el azufre absorbido reaccionó con el caucho. Payen utilizó un microscopio para hacer un estudio detallado de la estructura del caucho, que había sido cortado en láminas muy delgadas. Observó la presencia de poros múltiples, distribuidos de manera irregular, comunicándose entre ellos, y que se expanden bajo la influencia capilar de líquidos que no disuelven la subposición.

Otra observación interesante se refiere a la acción de diferentes disolventes: “Éter, éter de petróleo, disulfuro de carbono y otras mezclas entre ellos o con otros líquidos, penetran fácilmente en los poros del caucho, se hinchan fuertemente y parecen disolverlo, pero en este caso, lo que normalmente se considera una disolución total, es aliado de la interposición de la parte disuelta en la parte bien envuelta que mantiene el material original amplificado y es fácil de separar”.

Payen también informó que Gérard, en el Grenelle, había observado un nuevo fenómeno que permitía el recorte previo de hilos de caucho de alta tenacidad. Cuando los hilos de caucho, tensados hasta seis veces su longitud inicial, se calentaron a 100°C, la extensión se hizo permanente. El proceso podía repetirse hasta que la longitud final fuera unas 16 veces mayor que la original.  El hilo resultante tenía un diámetro extremadamente delgado, de dimensiones más pequeñas como nunca observadas.

Payen también estudió las propiedades de la gutapercha (resina extraída de la savia de Palaquium gutta). La gutapercha pura tiene un color marrón rosado, se carga eléctricamente por fricción y es un mal conductor de electricidad y calor. A temperatura ambiente (25°C) tiene una tenacidad notable, similar a la del cuero crudo, al calentarlo se vuelve más suave y sensiblemente pastoso alrededor de los 48°C.  A esta temperatura se puede laminar en láminas finas y estirar para formar tubos.  Se moldea fácilmente bajo presión y temperatura y puede reproducir con alta fidelidad el pulido y los detalles finos de los moldes.  Posee una porosidad notable, si se disuelve en disulfuro de carbono y se extiende sobre una placa de vidrio, el disolvente se evapora y deja una lámina blanquecina que, bajo el microscopio, muestra innumerables cavidades. El aire retenido en las cavidades de la gutapercha es responsable de su baja densidad de 0,979.

La gutapercha no es atacada por soluciones alcalinas diluidas o concentradas, ni por amoníaco, ni por soluciones salinas. Los ácidos orgánicos y ácidos minerales diluidos, así como soluciones alcohólicas tampoco tienen efecto en ella.  El ácido sulfúrico concentrado lo ataca liberando cantidades sustanciales de dióxido de azufre. También es atacado por ácido nítrico y soluciones saturadas de cloruro de hidrógeno. Los solventes de orgánicos tales como éter de petróleo, trementina, cloroformo y disulfuro de carbono lo disuelven a temperatura ambiente.

Utilizando el análisis extractivo, Payen determinó que la materia prima podía separarse en tres fracciones:  75-80% de guta pura, 4-6% de una resina amarilla (fluavile), y 14 a 16% de una resina cristalina blanca (cristalbane o albane), y luego procedió a examinar las propiedades de cada fracción. La gutta, la fracción más abundante, tenía todas las propiedades de la materia prima, mientras que las dos resinas eran esencialmente inertes.

Aportes de Anselme Payen a la fisiología vegetal

Entre 1835 y 1842 Anselme Payen presentó a la Academia de Ciencias siete memorias relacionadas con el desarrollo y la composición de plantas y árboles.  Eran de tal calidad que la Academia los hizo publicar en su Recueil des Savants Étrangers (revista editada por la Academia para la publicación de importantes contribuciones científicas de no miembros). Se complementaron con dos memorias adicionales publicadas en 1843 y 1846 con la colaboración de Charles François Brisseau de Mirbel.

Sus estudios científicos más importantes fueron Mémoire sur la Dia- stase (Payen y Persoz, 1833), Composition Élémentaire de l’Amidon (1836) premiado por la Academia de Ciencias en 1840, Memoria sobre la composición del Tissu Propre des Plantes et du Ligneaux (1838), Manuel du Cours de Chimie Organique Appliquée Aux Arts Industrielles et Agricoles (1842-1843) y Traité de la Déstillation des Betteraves Considérée Comme Industrie Annexe des Fermes et des Sucreries (1855).

En este enorme trabajo Payen fue uno de los primeros en establecer que la trama de tejidos de las plantas tiene una composición idéntica en todo el reino vegetal y que las sustancias nitrogenadas acompañan siempre a los organismos vegetales desde su nacimiento.  Como dijo Joseph Decaisne, Payen adelantó las famosas observaciones de Hugo von Mohl.  Se dio cuenta de que las sustancias nitrogenadas son ingredientes esenciales para el desarrollo de los tejidos, y que la celulosa, pura o unida a principios inmediatos que no contienen nitrógeno en su composición, constituye la misma sustancia en todos los tejidos vegetales.

Payen se dedicó a hacer un estudio detallado de estos principios y tuvo tanto éxito que su nombre se ha relacionado íntimamente con la historia de las sustancias amiláceas, la dextrina, el descubrimiento de la diastasa, la enzima separadora de la dextrina, y el estudio de la celulosa y las sustancias incrustantes (lignina) que se encuentran en las fibras vegetales.

En 1820 Payen se interesó por la influencia de los fertilizantes nitrogenados en el desarrollo de las plantas y decidió estudiar si esta influencia se ejercía de forma simultánea en todas las verduras, o sólo en ciertos tejidos.  Unos años más tarde, Joseph-Louis Gay-Lussac llamó la atención de los fisiólogos sobre la presencia de nitrógeno en los granos y en este importante hallazgo Payen encontró la confirmación de sus opiniones. Intentando generalizar sus observaciones, determina la composición de los tejidos vegetales en el momento o durante su nacimiento, y pronto reconoce el papel crucial que desempeñan las sustancias que contienen nitrógeno en la nutrición y el desarrollo de estos tejidos.

A Anselme Payen se le debe el descubrimiento de que las sustancias nitrogenadas, dotadas de una composición cuaternaria similar a la de los productos animales, están desigualmente distribuidas en los tejidos vegetales.  Se acumulan en grandes cantidades en los órganos jóvenes, es decir, en el embrión nasocéntrico, en los radículas y gémulas de los granos, en la esponja de los radículas y en la parte central del brote no desarrollado.  Están presentes en una cantidad muy pequeña en los tejidos maduros; disminuye lentamente de los diferentes órganos a medida que envejecen, y comienzan a acumularse en los frutos, esporas y semillas. Estos hechos permiten una fácil interpretación del papel de las sustancias nitrogenadas: son los agentes esenciales del desarrollo de los tejidos en la fase en la que los órganos deben asegurar su propia nutrición.

Un trabajo siguiente fue el estudio del material amiláceo comúnmente conocido como fécula o almidón.   En ese momento se desconocía el papel que desempeñaba o su composición química. No se sabía si el almidón era una entidad única o si las plantas lo producían en una gran diversidad. En un artículo publicado en 1836, Payen demostró que las sustancias amiláceas extraídas de raíces, tallos y granos de diferentes plantas pueden variar en su forma, dimensiones y estado de agregación, pero todas contenían la misma especie química, teniendo siempre la misma composición, ya sea que provengan de los tubérculos de las papas, de los granos de azúcar de remolacha, de los tallos de los cactus o de la rizoma de caña.

También demostró que los granos de sustancias amiláceas no contenían un producto líquido y que cada uno de ellos estaba formado por una serie de túnicas picadas que se entrelazaban entre sí y aumentaban su cohesión con la edad. Estableció que el almidón nunca se encuentra en el tejido rudimentario, sino que se acumula en los órganos desarrollados donde constituye una reserva de un material asimilable y capaz de contribuir, en determinadas condiciones, a la nutrición de la masa vegetal.  Además, Payen demostró que el material amiláceo no se disuelve en el agua, a menos que se transforme, que el almidón, incluso el más ligero, siempre vuelve a ser una mezcla de agua y gránulos amiláceos, hinchados y dilatados en enormes porciones.

Payen es recordado principalmente por su trabajo sobre los carbohidratos. En 1833 Payen y Persoz descubrieron que el almidón era hidrolizado en azúcar por una sustancia contenida en la malta, a la que llamaron diastasa (el nombre actual es amilasa y se sabe que es una mezcla de enzimas extracelulares), una sustancia especial rica en nitrógeno. La diastasa se genera en el grano durante la germinación y por su propiedad de convertir las sustancias amiláceas en sustancias solubles, las vuelve solubles poco a poco y transporta azúcares nutritivos al tallo naciente que las consolida y forma el tejido.  Estudió cada detalle posible de la transformación del almidón en dextrina y luego en azúcar por la acción de la amilasa y demostró cómo el almidón, una vez soluble, pasaba de un tejido a otro, tanto como para acumularse de nuevo, tanto como para unirse y participar en esta forma en la formación de las membranas celulares en el tejido.  Estableció la teoría de la fabricación de la cerveza, descubrió el proceso utilizado para obtener la dextrina, determinó su composición y demostró que era un isómero del almidón.

Beta amilasa, del grupo de enzimas descritas por primera vez por Payen
Beta amilasa, del grupo de enzimas descritas por primera vez por Payen

Por su descubrimiento de la amilasa Anselme Payen es considerado por muchos como el padre de la bioquímica.

Según Payen, la dextrina o el azúcar atraviesa la estructura celular ya construida, forma nuevos tejidos junto a ella y estas células o vasos se convierten en “los envoltorios protectores, los embalses y los con- ductos a través de los cuales viven cuerpos que los secretan y los moldean fuertemente, y que transportan su alimento, depositando y aislando los materiales excretados”.

Esta es la contribución fundamental del trabajo de Payen.  En 1839, la Academia le otorgó el premio de fisiología experimental por sus trabajos sobre el almidón. El trabajo de Payen muestra que el tejido celular tiene la misma composición que el almidón, y que es el mismo en óvulos y frutos como pepinos, médula y las maderas más duras, y que en los árboles estas células están aglomeradas con una materia especial que es la lignina propiamente dicha.  Payen estableció claramente la distinción entre el tejido isómero con almidón y lignina. El primero resiste el ataque de los muchos agentes que atacan al otro de una manera muy vigorosa.

En otro trabajo Payen mostró que la celulosa era parte de todos los tejidos vegetales, células, fibras y vasos. Unida a material nitrogenado, la celulosa forma la epidermis de tallos y hojas, solidificado por una materia orgánica más rica en carbono, a la que llamó sustancia incrustante (hoy lignina) que forma las fibras de los árboles.

Hasta 1838 se creía que la madera era un simple material de carbohidratos, que contenía proporciones variables de carbono según la especie, pero con la proporción de hidrógeno a oxígeno fijada debido a la proporción de agua. El ligero exceso de hidrógeno encontrado experimentalmente en ciertas especies, particularmente en las maderas duras, no había sido explicado. Gay-Lusac y Thenard habían analizado los robles y hayas y encontrado que la materia leñosa estaba formada por un 53% de carbono y un 47% de agua. Dumas reconoció que Gay-Lussac y Thenard se habían precipitado en su conclusión.

Payen fue el primero en intentar separar la madera en sus componentes y en demostrar que la madera no era un único compuesto único, sino que estaba compuesto de al menos dos partes químicas muy distintas.  Trató la madera con ácido nítrico y obtuvo una sustancia fibrosa, que era relativamente resistente a este reactivo. Payen llamó a esta sustancia celulosa, un término que acuñó e introdujo en la literatura química. Eligió este nombre porque la celulosa era el componente básico de la pared celular de las plantas. Demostró que la celulosa tenía el mismo análisis elemental que el almidón y que aparentemente era isomérica con ella. Descubrió que, independientemente de su origen, la celulosa tenía siempre la misma composición química, que podía representarse mediante la fórmula C6H10O5

También descubrió que al aislar la celulosa tenía que eliminar una sustancia o grupo de sustancias, que tenían un mayor porcentaje de carbono que la celulosa – perder. Anselme Payen llamó a estas sustancias materiales incrustantes, y ahora se sabe que es lignina, y consideró que la celulosa estaba mecánicamente incrustada o impregnada por ellas.  Payen encontró que el árbol contenía 54% de carbono, 6.2% de hidrógeno y 39.9% de oxígeno, es decir, más hidrógeno del necesario para convertir su oxígeno en agua (que corresponde a la fórmula empírica ahora aceptada (C6H10O5) Sus resultados indicaron que la lignina correspondía a una clase de compuestos diferente al almidón que la acompañaba. Payen disolvió esta última materia con soluciones de ácido nítrico e hidróxido de sodio y aisló el material. El residuo contenía 44% de carbono y 56% de agua, mientras que el árbol tenía el análisis anterior. La composición bruta de la materia incrustada era C35H24O10. Tenía alrededor de un 1% más de hidrógeno del que se requería para formar agua con su oxígeno, fue atacada por el ácido nítrico que liberaba vapores, y el ácido sulfúrico concentrado y el cloruro de hidrogeno la colorearon fuertemente. Estos características diferencian claramente la lignina de la celulosa, además de la fórmula empírica.

Para obtener la celulosa más pura posible, Payen se sometió a tratamiento fibra de algodón con cloruro de hidrógeno. Después de lavar y secar, las fibras pueden ser fácilmente pulverizadas. Continuó probando si la materia blanca del material leñoso, la celulosa, que tiene la misma composición elemental de la dextrina, tenía un poder similar para la rotación de la luz polarizada.  Para ello preparó una solución de celulosa por calentamiento lento en ácido sulfúrico concentrado. La solución de dextrina resultante era límpida y no sólo rotaba la luz, sino que el poder rotatorio por unidad de masa era el mismo en valor y dirección que el de la dextrina. Por lo tanto, en las tres sustancias celulosa, almidón y dextrina con diferentes propiedades, la misma sustancia estaba presente en diferentes estados de agregación.

La Academia de Ciencias nombró a Antoine Louis Brongniart, Théophile-Jules Pelouze y Jean-Baptiste André Dumas para examinar y verificar los resultados del trabajo de Payen.  El informe de Dumas confirmó estos resultados en todos los aspectos, afirmando “La madera está formada por células idénticas a la brea de mayor composición y más o menos rellenas de un material más rico en carbono e hidrógeno, que disuelve el ácido nítrico”.

Para más información Anselme Payen