Enzimas en la composicion de detergentes

Como estamos viendo el tema de detergentes abarca grandes temas como sus propiedades, estructura o funcionamiento. Otro apartado importante es la innovación,siempre presente en la creación de detergentes a través de diferentes sustancias.Una de estas sustancias son las enzimas, las cuales están llevando un gran desarrollo en los últimos años,gracias entre otras de sus características a su biodegradabilidad.

Las enzimas más utilizadas son la amilasa,la glucoamilasa,la glucosa isomerasa y varias proteasas.

Las enzimas se usan para eliminar algunos tipos de manchas: las proteasas actúan sobre manchas de origen proteico (sangre, leche, huevos), las amilasas sobre manchas amiláceas (que contienen almidón), las lipasas sobre grasas (aceite, sebo) y las celulasas sobre fibras de algodón.

Para enfocarlo desde el punto de vista industrial, procederemos a describir básicamente su caracterización en la industria,viendo sus características y las fuentes de obtención de las mismas.

CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS INDUSTRIALES.

Para que una enzima sea útil industrialmente debe ser barata en comparación al precio del proceso global y debe ser activa en las condiciones en que se realiza el proceso sin la enzima. Si esto no ocurriese, sería más conveniente emplear otra enzima que sea activa en dichas condiciones en las que efectuamos el proceso.

La enzima debe ser estable (muchas enzimas empleadas en procesos industriales operan a temperaturas que rondan los 50º C), debe estar disponible en cantidades relativamente elevadas y debe ser segura.Además una enzima puede emplearse en más de un proceso.

El empleo de enzimas es ventajoso porque actúan en condiciones de pH, temperatura, presión; además minimiza los requerimientos energéticos del proceso. Las variaciones de las condiciones podrían hacer perder las propiedades deseadas del producto que se pretende obtener.

TIPOS Y FUENTES DE OBTENCIÓN DE ENZIMAS INDUSTRIALES

Enzimas microbianas: Las enzimas producidas por la fermentación de microorganismos representan el 90% de todas las enzimas producidas para los procesos industriales.

Enzimas vegetales: La mayoría de las enzimas vegetales se encuentran disponibles en forma de polvo. También se encuentran disponibles líquidos de papaína de baja actividad. El aumento de la disponibilidad de las enzimas vegetales depende de diversos factores.

Enzimas animales: Aquí se incluyen diferentes grupos de sustancias que pertenecen a las enzimas de animales como por ejemplo: lipasas pancreáticas y proteasas, pepsinas o estereasas pregástricas.

Impacto Ambiental

Los jabones son sustancias que alteran la tensión superficial de los líquidos, especialmente el agua. Este tipo de sustancias se denominan tensoactivas. Los jabones se utilizan como agentes limpiadores debido a la estructura singular de estos iones orgánicos especiales. Cuando un objeto está sucio, casi siempre se debe a la adhesión de capas de grasa o aceite que a su vez contienen polvo y partículas extrañas. Si el objeto es lavado con agua no se elimina gran parte de la suciedad, pero cuando se agrega jabón al agua, puede disolverse para dar iones carboxilato, estos iones tienen un extremo iónico que es muy soluble en agua y un extremo de la cadena larga de hidrocarburos tiene una fuerte atracción para las moléculas de aceite y grasa, los extremos que atraen al aceite penetran en las capas de aceite y grasa y las disuelven y a su vez, los extremos iónicos se siguen disolviendo en agua, éstos tienden a hacer que se desprendan las partículas de grasa y aceite a la solución, de manera que se puedan remover. Esta clase de acción limpiadora se denomina acción detergente.
Los jabones presentan la desventaja de que si se usan en agua dura, tienden a formar sales con los cationes de los metales formando "natas" que neutralizan su acción. Una alternativa a este problema, surgió cuando se empezaron a sintetizar otros compuestos orgánicos a partir de compuestos químicos del petróleo, que tienen acción detergente por lo que se les denomina en forma genérica como detergentes. La mayoría de los detergentes son compuestos de sodio del sulfonato de benceno substituido, denominados sulfatos lineales de alquilos (las), hay otros que son los alquilbencen sulfatos de cadena ramificada (abs) que se degradan mas lentamente que los las. El extremo sulfato es soluble en agua y el extremo del hidrocarburo es soluble en aceite, cumpliendo con ésto las características de los jabones . La ventaja de los detergentes es que no forman natas con el agua dura. Por su amplia utilidad los detergentes se usan tanto en la industria como en los hogares, sin embargo, constituyen una fuente de contaminación del agua. En cuanto a la biodegradabilidad, tanto los detergentes como los jabones son biodegradables, pero la biodegradabilidad se ve limitada si estos compuestos se encuentran en exceso en un cuerpo de agua.
En el mercado se encuentran cuatro tipos de detergentes sintéticos: detergentes aniónicos; detergentes catiónicos, detergentes no iónicos y detergentes biológicos.
Los detergentes aniónicos y especialmente los sulfonatos, son los que se utilizan más, cuestan poco y son estables en aguas duras. Los detergentes catiónicos poseen las mejores propiedades bactericidas y bacteriostáticas, pero son bastante caros y sólo se usan en instituciones de salud para limpieza de utensilios. Los detergentes no iónicos tienen una aplicación industrial algo mayor que la doméstica. Por ultimo los detergentes biológicos, a los cuales se les llama así cuando además de contener uno de los surfactantes (las ó abs) contienen enzimas con lo cual proporcionan mayores ventajas en el lavado de la ropa.
Uno de los principales problemas que causa el uso de detergentes, es que los de tipo comercial deben contener ciertos aditivos que se pueden convertir en graves contaminantes del agua. Entre los principales aditivos están pequeñas cantidades de perfumes, blanqueadores, abrillantadores ópticos, y los agentes espumantes; es importante recalcar que la producción de espuma de un detergente esta determinada por el tipo de surfactante que éste contenga, así de este modo, los surfactantes aniónicos producen abundante espuma, los surfactantes catiónicos producen una cantidad muy limitada de espuma y los surfactantes no iónicos casi no producen espuma, además de que la formación de espuma es ayudada por ciertos aditivos espumantes que se agregan a la fórmula, ya que la gente tiende a relacionar la capacidad de producción de espuma con la capacidad limpiadora, aunque la producción de espuma no tiene nada que ver con la eficacia del detergente.El principal aditivo de los detergentes es un compuesto llamado tripolifosfato de sodio, al que se le denomina en forma genérica como fosfato. Actualmente se encuentran en el mercado los llamados detergentes antibacteriales, los cuales contienen agentes bactericidas, ésto en parte es bueno pero si se usa este detergente en exceso, entonces el agente bactericida llega a los cuerpos de agua y mata una buena proporción de los microorganismos presentes en éste, disminuyendo la capacidad de los microorganismos para degradar al detergente.
El aditivo de fosfato (tripolifosfato de sodio) se le conoce como formador, estos formadores tienen tres funciones básicas: primero, actuando como bases, hacen que el agua de lavado sea básica ésto es, un pH alto necesario para la acción del detergente; en segundo lugar, los fosfatos reaccionan con los iones del agua dura, como los iones calcio y magnesio, en tal forma que éstos no llegan a interactuar con el detergente, no limitando así su acción limpiadora, y en tercer lugar, ayudan a mantener las grasas y el polvo en suspensión para que se puedan eliminar durante el lavado.
El inconveniente empieza cuando ya se ha desechado el detergente fosfatado, los fosfatos son arrastrados por el drenaje y la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas negras no están diseñadas para eliminar fosfatos y por lo tanto, éstos pasan al medio ambiente acuático a través del efluente de las agua negras. Se calcula que alrededor del 50% de los fosfatos de las aguas negras provienen de los detergentes. El problema de los fosfatos, es que actúa como elemento nutritivo para algas y plantas acuáticas, lo que a su vez provoca la degradación de las aguas naturales.
Entre otros aditivos importantes se encuentran los enzimas, los cuales por lo general son sustancias de naturaleza proteínica, que se encargan de catalizar las reacciones en los seres vivos. La tecnología de enzimas en los detergentes se desarrolló como una herramienta más de éstos para atacar ciertos sustratos (generalmente protéicos) específicos.Los detergentes que contienen enzimas se les llama detergentes biológicos.

Proceso para obtener un sulfonato de alquilbenceno lineal

Obtener una mezcla de olefina/parafina a través de deshidrogenación catalítica de parafinas;
1) purificar las olefinas de Ia mezcla formada en Ia etapa i);
2) separar los compuestos no lineales de Ia mezcla obtenida en Ia etapa ii) por medio de un adsorbente selectivo;
3) tratamiento de los compuestos no lineales extraídos en Ia etapa iii) para formar el precursor hidrotrópico;
4) alquilación del benceno con Ia mezcla purificada olefina/parafina obtenida;
5)purificar los alquilbencenos lineales crudos obtenidos;
6) sulfonatar los alquilbencenos lineales obtenidos;
Caracterizado porque dicho tratamiento comprende al menos uno de los procesos seleccionados del grupo consistente de fraccionamiento, hidrogenación y/o adsorción selectiva, añadiéndose dicho precursor hidrotrópico obtenido a Ia corriente de alquilbenceno lineal, y el precursor hidrotrópico, bien antes de las etapas de sulfonación y neutralización, siendo así sulfonatados juntos, o bien siendo sulfonatado y neutralizado el precursor hidrotrópico y subsiguientemente añadido al sulfonato de alquilbenceno lineal purificado obtenido.

Detergentes

El proceso de detergencia

La detergencia podría definirse como la "acción de limpiar la superficie de un material sucio en un baño líquido en el que se disuelven uno o varios solutos -detergentes- que ayudan a la limpieza". Muchos procesos ampliamente distintos contribuyen a la limpieza, y su importancia relativa depende mucho de la naturaleza del sustrato, la naturaleza de la suciedad a ser eliminada y las condiciones de la limpieza (concentración de detergente, temperatura y grado de agitación). Los sistemas más importantes de detergencia emplean agua como solvente.
Cualquier sistema de detergente efectivo debe realizar dos funciones: debe desprender la suciedad de la superficie a limpiar y debe dispersar o disolver la suciedad en el líquido de lavado, de tal modo que el sustrato limpio pueda separarse del líquido de lavado sin que la suciedad se deposite sobre él. La clave de ambos requisitos radica en la naturaleza de las interfases entre el sustrato, la suciedad y el líquido de lavado. Un sistema detergente completamente formulado funciona modificando las propiedades de estas interfases, cambiando así la energía de las interacciones entre la suciedad y el sustrato. Por lo general, la sal de un ácido carboxílico es más soluble en agua que el propio ácido. Cuando la parte hidrocarbonada del ácido es muy grande en comparación con el grupo carboxilato, la parte iónica de la molécula interacciona favorablemente con el agua y tiende a disolverse, pero el resto de la cadena no. Las cadenas hidrocarbonadas de moléculas vecinas se atraen mutuamente por fuerzas de Van der Waals más de lo que lo están por las moléculas polares del agua. De hecho son hidrofóbicas, o repelentes de agua, en su comportamiento. La sal de un ácido de cadena larga, pues, tiene dos regiones: una cabeza hidrofílica, el grupo carboxilato soluble en agua, y una cola hidrofóbica, la parte de cadena hidrocarbonada que es repelida por las moléculas del agua y atraída en cambio por las cadenas hidrocarbonadas de las moléculas vecinas.
La estructura de estos compuestos provoca una orientación particular de sus moléculas en la superficie del agua: las cabezas están en el agua y las cadenas hidrocarbonadas sobresalen hacia el aire. La concentración de moléculas en la superficie del agua provoca que su tensión superficial disminuya. Los compuestos que presentan este comportamiento se llaman compuestos tensoactivos o surfactantes o surfactivos. Los jabones son un tipo de compuestos tensoactivos. Todos los buenos surfactantes tienen estructuras con una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica. Loa ácidos con doce o más átomos de carbono en la cadena hidrocarbonada de la molécula presentan un comportamiento tensoactivo.
Cuando se alcanza una concentración crítica de surfactante, la capa superficial se rompe en unidades más pequeñas, en agrupaciones de iones llamadas micelas. Las micelas son partículas en las que la parte hidrofóbica de la molécula, repelida por el agua, se sitúa en el interior mientras que las cabezas hidrofílicas, cargadas negativamente, se colocan en el exterior de la micela e interaccionan con las moléculas de agua y los iones positivos del medio. La apariencia opalescente de una disolución de jabón, que es coloidal, es una evidencia de que las partículas presentes son mayores que unas simples moléculas individuales. Las partículas en una solución coloidal son suficientemente grandes para que la luz se disperse en vez de transmitirse, como en el caso de las verdaderas soluciones cuyo aspecto es perfectamente transparente.
La grasa se parece en su composición química a las cadenas hidrocarbonadas de la micela. Si se frota una mancha de grasa con una solución jabonosa, se provoca que la grasa se rompa en partículas suficientemente pequeñas para ser englobadas dentro de las micelas. Las partículas pasan a la solución gracias a la porción hidrocarbonada del jabón, que se mantiene en suspensión por la interacción de la superficie iónica de las micelas con el agua que las rodea. Se dice entonces que la grasa se ha emulsionado, o sea que está suspendida en un medio en el que normalmente no es soluble.
Así pues, los jabones suelen ser sales de ácidos carboxílicos de cadena larga. Los jabones ordinarios presentan desventajas en las aguas que se denominan "duras". Las aguas duras contienen iones calcio y magnesio disueltos, de forma que cuando se usa jabón en dichas aguas, las sales cálcicas y magnésicas de los ácidos carboxílicos del jabón precipitan. Este precipitado es la espuma que puede verse a veces en la superficie del agua y que causa un anillo de precipitado alrededor de la bañera. Como es lógico, se han desarrollado varios surfactantes cuyas sales cálcicas y magnésicas son más solubles. Uno de éstos, obtenido a partir de aceites vegetales, es el dodecilsulfato de sodio, la sal sódica del éster del 1-dodecanol con ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico y no un ácido carboxílico proporciona en este caso la parte iónica de la molécula.

La US desarrolla un Detergente Ecológico

El Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Sevilla está investigando formulaciones de detergentes que sean más respetuosas con el medio ambiente. La modificación consiste en sustituir los elementos derivados del petróleo que componen los detergentes por otros compuestos provenientes de aceites vegetales. En concreto, el elemento sobre el que se investiga se trata del componente activo fundamental de los detergentes: los tensioactivos.

Vicente Flores, miembro del grupo de Investigación de Ingeniería Química de la Universidad de Sevilla, asegura que “estos tensioactivos derivados de aceites vegetales son de fácil degradación, lo que minimiza el impacto medioambiental, sin afectar en ningún caso a las capacidades de eliminación de la suciedad”.

Ecología y limpieza
Estos compuestos son biodegradables, respetuosos con el medio ambiente y preparados a partir de materias primas renovables. Por otra parte, poseen una tecnología de fabricación relativamente sencilla y su uso podría aumentar la productividad de terrenos agrícolas poco rentables.

Tradicionalmente, la tendencia en estudios de sustitución de derivados del petróleo ha ido encaminada al terreno energético. Sin ir más lejos, el uso de combustibles derivados de la biomasa es uno de los sistemas más estudiados, ya que palia los daños provocados por la emisión de dióxido de carbono.

No obstante, recientemente han surgido otras líneas de investigación para la producción de tensioactivos a partir de los ésteres metílicos de los ácidos grasos. Con ellos se pretende la obtención de productos con un mayor valor añadido para el sector de los detergentes, con lo que las investigaciones se alejan del terreno energético.

En concreto, en este sector se trabaja para la obtención de una mayor concentración en los productos comerciales, un cumplimiento estricto de la normativa legal vigente, productos más seguros y específicos y formulaciones cada vez más ecológicas.

Por otra parte, hay que tener presente la inestabilidad política de muchos países productores de petróleo y el aumento del precio de éste, siempre ligado a fluctuaciones del mercado que afectan a todos los productos derivados.

El Grupo de Investigación de Ingeniería Química de la Universidad de Sevilla trabaja en este proyecto con la empresa de limpieza Persán, que mantiene un compromiso para controlar y reducir progresivamente los impactos medioambientales negativos de los productos de limpieza.

¿ Un detergente ecológico ?

Investigadores de la UGR trabajan en el desarrollo de un detergente ecológico, efectivo, no tóxico y de bajo coste
- El análisis de la capacidad de biodegradación y del nivel de toxicidad de los tensioactivos comerciales (componentes que ejercen la función de lavado) es una de las partes de este proyecto del que ya han obtenido los primeros resultados- Los alcoholes grasos etoxilados, empleados normalmente en detergentes industriales para superficies duras, son la mejor alternativa ecológica, junto a los alquilpoliglucósidos, entre los cuatro tensioactivos estudiados.
La producción mundial de tensioactivos (componentes que ejercen la función de lavado en los detergentes) ascendió a dos mil millones de toneladas en el año 2001, incluyendo el jabón. Las expectativas de crecimiento de futuro son del tres al cuatro por ciento, un aumento que está íntimamente ligado a la demanda mundial de detergentes, cada vez mayor. Paralelamente a este auge, también crece la preocupación porque estos productos sean ecológicos, no tóxicos, de bajo coste y además efectivos. En el diseño de detergentes biodegradables que respeten el Medio Ambiente, que se adapten a las necesidades de los nuevos tiempos y no tengan efectos nocivos sobre el ser humano, trabaja un equipo de investigadores de la Universidad de Granada cuyo trabajo ya ha dado sus primeros resultados a través de una tesis doctoral, que bajo el título de “Biodegradación y toxicidad de los tensioactivos comerciales”, ha desarrollado Manuela Lechuga Villena, del departamento de Ingeniería Química de la UGR.
Este primer estudio se ha centrado en el análisis de cuatro clases de tensioactivos presentes usualmente en formulaciones de detergentes comerciales: el alquibenceno sulfonato lineal, que se encuentra principalmente en lavavajillas manuales y detergentes textiles y que se sintetiza a partir de materias primas procedentes del petróleo no renovables; los nonilfenoles polietoxilados que se emplean habitualmente en detergentes industriales para superficies duras; los alcoholes grasos etoxilados, que han surgido como un intento de respuesta más ecológica a los nonilfenoles polietixolados y los alquilpoliglucósidos, procedentes de aceites y azúcares, materias primas completamente renovables, que además tienen propiedades detersivas excelentes y pueden ser la alternativa excelente al alquibenceno.
Alternativa ecológica y barataUna vez realizado el análisis de estos cuatro componentes de lavado, reproduciendo las condiciones que se dan en ríos y mares en el laboratorio para determinar la toxicidad de estos productos sobre las bacterias marinas, la investigadora ha concluido que los alcoholes grasos etoxilados y los alquilpoliglucósidos muestran un excelente comportamiento toxicológico y de biodegradación, lo que los convierte en la mejor alternativa ecológica. Además, según explica Lechuga Villena, en un trabajo anterior realizado por los grupos de investigación de la UGR Tensioactivos, Enzimas y Emulsiones e Interfases y Tecnología Bioquímica, se demuestra que la combinación de estos tensioactivos conduce a productos comerciales de capacidad detersiva sobresaliente.
La importancia de este trabajo reside en la extensa variedad de aplicaciones que tienen estos componentes –usos domésticos, cuidado personal, limpieza industrial y textil, hostelería, restauración o alimentación– y por tanto, también en los múltiples efectos que pueden tener a corto y largo plazo no sólo sobre el medio ambiente, sino también sobre el propio organismo humano (acciones dermatológicas, neurológicas, cardiológicas, etc.)
Evitar que la gran proliferación de estos productos químicos acabe afectando al ser humano y a su entorno es precisamente uno de los principales objetivos de este proyecto. Por eso, estos primeros resultados constituyen “un paso imprescindible para la formulación de un detergente que sea capaz de trabajar en medios menos agresivos y que consiga una alta eficacia de lavado”, explica la investigadora, quien añade que “éste es actualmente uno de los grandes retos en el campo de las empresas que se dedican a la comercialización de este tipo de detergentes, que serían muy bien acogidos tanto por los consumidores como por los productores que fabrican la maquinaria específica y necesaria en el proceso de lavado”.

Bienvenida

Este es el blog del Grupo Nº8 de Química Orgánica de la titulación I.T.I. Esp. Química Industrial. Aquí abordaremos el tema "Detergentes".