Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDAD DE GRANADA
FACULTAD DE CIENCIAS
DEPARTAMENTO DE QUIacuteMICA ANALIacuteTICA
DETERMINACIOacuteN DE TENSIOACTIVOS
ANIOacuteNICOS EN MATRICES AMBIENTALES
COMPORTAMIENTO DEL JABOacuteN EN UNA
PARCELA AGRIacuteCOLA
TESIS DOCTORAL
ANTONIO SAMUEL CANTARERO MALAGOacuteN
GRANADA 2010
Editor Editorial de la Universidad de GranadaAutor Antonio Samuel Cantaro MalagoacutenDL GR 2386-2010ISBN 978-84-693-1319-0
DETERMINACIOacuteN DE TENSIOACTIVOS
ANIOacuteNICOS EN MATRICES AMBIENTALES
COMPORTAMIENTO DEL JABOacuteN EN UNA
PARCELA AGRIacuteCOLA
por
ANTONIO SAMUEL CANTARERO MALAGOacuteN
DEPARTAMENTO DE QUIacuteMICA ANALIacuteTICA
UNIVERSIDAD DE GRANADA
MEMORIA presentada para aspirar
al Grado de Doctor Europeo en
Quiacutemica por la Universidad de
Granada
VISADA en Granada a 11 de Enero
de 2010
Fdo Dr Joseacute Luiacutes Viacutelchez Quero
Catedraacutetico del Departamento de
Quiacutemica Analiacutetica de la Universidad
de Granada
Fdo Dr Alberto Navaloacuten Montoacuten
Catedraacutetico del Departamento de
Quiacutemica Analiacutetica de la Universidad
de Granada
Fdo A Samuel Cantarero Malagoacuten
Licenciado en Quiacutemica
Fdo Dr Oscar Ballesteros Garciacutea
Profesor Titular del Departamento
de Quiacutemica Analiacutetica de la
Universidad de Granada
A mis padres Ana y Francisco
A mi sobrina y ahijada Alba
AGRADECIMIENTOS
Agradecimientos
Durante estos uacuteltimos antildeos muchas son las personas que de manera
directa o indirecta han contribuido en el desarrollo de la presente Tesis y
que llegado este momento es justo recordar en unas breves liacuteneas su
inestimable y casi siempre desinteresada ayuda
Quiero expresar en primer lugar mi maacutes sincero agradecimiento a mis
directores el Dr D Joseacute Luis Viacutelchez Quero el Dr D Alberto Navaloacuten
Montoacuten y el Dr D Oacutescar Ballesteros Garciacutea por su dedicacioacuten y su
constancia las cuales fueron imprescindibles para la consecucioacuten de la
presente Memoria
A todo el personal de Cepsa Quiacutemica SA Puente Mayorga
antiguamente llamada Petresa SA muy especialmente al personal del
laboratorio Ignacio Ceacutesar Coral Juan Carlos Joseacute Luis Almeida Joseacute
Luis Berna Paco Esauacute y al resto de compantildeeros por su acogida su
apoyo sus consejos su amistad que han sido y son parte
fundamentalmente no soacutelo de la presente Tesis sino de mi crecimiento
personal y profesional Al principio solamente fueron compantildeeros o
tutores pero con el paso del tiempo y tras tres antildeos repletos de aneacutecdotas
y vivencias se han convertido en amigos y colegas a los que siempre
guardareacute una profunda admiracioacuten y respeto
A mis compantildeeros del grupo FQM-338 del Departamento de Quiacutemica
Analiacutetica sobre todo a Bartolomeacute Marcio Inma Jalila Alberto Ana y
Karim Sin olvidar las caras nuevas como Fernando Esther Noemiacute y
Arno o la estancia breve pero intensa de Pedro de Guatemala A todos
gracias por vuestro aacutenimo
Agradecimientos
Al DrD Guillermo Crovetto y al Dr D Cristoacutebal Valenzuela sin olvidar
a Bartolomeacute y a Inocencio por su esencial contribucioacuten en el desarrollo
del estudio de campo de la presente Tesis
A los profesores DrD Marco P Seabra Dos Reis y Dr D Pedro Manuel
Saraiva de la Universidad de Coimbra y al profesor Dr D Joseacute Carlos
Marques de la Universidad de Madeira por hacer posible mi inolvidable
estancia europea en Coimbra Agradezco no soacutelo los conocimientos
adquiridos sino tambieacuten la amabilidad y la hospitalidad mostrada por
todos los miembros del grupo de investigacioacuten en especial de Cristina
A mis actuales compantildeeros de Denga SA por la paciencia y el apoyo
mostrados durante estos cruciales uacuteltimos meses de redaccioacuten
Mencioacuten especial merecen mi familia y mis amigos a los cuales tengo
que agradecer tantas cosas que con un simple ldquograciasrdquo no es suficiente
para expresar todo lo que han aportado aportan y aportaraacuten en mi vida
En definitiva a todos los citados y a los que faltan por mencionar muchas
gracias
IacuteNDICE
Iacutendice i
OBJETO DE LA TESIS 1
ACROacuteNIMOS 7
CAPIacuteTULO 1- INTRODUCCIOacuteN 13
1- AGENTES TENSIOACTIVOS 15
11 - Antecedentes histoacutericos 15
12 - Definicioacuten y propiedades 20
13 - Clasificacioacuten 25
14 - Consumo y usos 30
15 - Constitucioacuten de los detergentes 32
16 - Los tensioactivos y el ambiente 33
161 - Concepto de Biodegradacioacuten 33
162 - Ecosistemas 36
163 - El impacto ambiental de los tensioactivos 40
164 - Legislacioacuten ambiental 43
2- TENSIOACTIVOS ANIOacuteNICOS JABOacuteN Y SULFATO DE ALQUILBENCENO
LINEAL (LAS) 46
21 - Descripcioacuten y propiedades del LAS y el jaboacuten 46
211 - Descripcioacuten propiedades fiacutesicas y quiacutemicas del LAS 46
212 - Descripcioacuten del jaboacuten 49
213 - Propiedades fiacutesicas y quiacutemicas del jaboacuten 51
214 - Capacidad detersiva del jaboacuten y del LAS 56
22 - Siacutentesis 59
221 - Siacutentesis del LAS 59
222 - Siacutentesis del jaboacuten 65
23 - Consumo y aplicaciones 78
231 - Consumo y aplicaciones del LAS 78
232 - Consumo y aplicaciones del jaboacuten 81
24 - Comportamiento ambiental del jaboacuten y del LAS 84
241 - Biodegradabilidad del LAS 84
242 - Eliminacioacuten del LAS 96
243 - Estudios de monitorizacioacuten 97
ii Iacutendice
244 - Actividad ambiental del LAS 103
245 - El LAS y la salud Humana 105
246 - Biodegradabilidad del jaboacuten 109
247 - Eliminacioacuten y monitorizacioacuten del jaboacuten 116
248 - Actividad ambiental del jaboacuten 118
25 - Meacutetodos para la determinacioacuten del LAS y el jaboacuten 119
251 - Meacutetodos para la determinacioacuten del LAS 119
252 - Meacutetodos para la determinacioacuten del jaboacuten 131
3- LA VEGA DE GRANADA 136
31 - Antecedentes histoacutericos 136
32 - Caracteriacutesticas fiacutesicas y socioeconoacutemicas de la Vega de Granada 137
33 - Calidad de las aguas subterraacuteneas en la Vega de Granada 138
CAPIacuteTULO 2- MATERIALES Y MEacuteTODOS 141
1- INTRODUCCIOacuteN 143
2- DISOLUCIONES REACTIVOS Y DISOLVENTES EMPLEADOS 143
21 - Disoluciones 143
22 - Reactivos 146
23 - Gases 147
24 - Disolventes 147
3- MATERIAL DE LABORATORIO E INSTRUMENTACIOacuteN 148
31 - Material de laboratorio 148
32 - Instrumentacioacuten 150
321 - Cromatoacutegrafo de liacutequidos 150
322 - Sonda ultrasoacutenica digital 151
323 - Equipo de extraccioacuten 151
324 - Otros aparatos e instrumentos 152
4- PROGRAMAS INFORMAacuteTICOS 153
Iacutendice iii
5- OPTIMIZACIOacuteN DE VARIABLES 154
51 - Meacutetodos univariantes 154
52 - Meacutetodos multivariantes 155
521 - Disentildeos experimentales 156
522 - Idoneidad del modelo 159
6- CALIBRACIOacuteN Y PARAacuteMETROS ANALIacuteTICOS DEL MEacuteTODO 164
61 - Rechazo de valores anoacutemalos 167
62 - Funcioacuten de calibracioacuten 168
63 - Paraacutemetros de calidad del meacutetodo analiacutetico 171
631 - Rango dinaacutemico lineal y Linealidad 172
632 - Precisioacuten 173
633 - Sensibilidad o Resolucioacuten analiacutetica 173
634 - Liacutemites de deteccioacuten y cuantificacioacuten 175
7- VALIDACIOacuteN DEL MEacuteTODO ANALIacuteTICO 184
71 - Ensayos de recuperacioacuten 184
72 - Metodologiacutea de adicioacuten de patroacuten 185
CAPIacuteTULO 3- DETERMINACIOacuteN DE TENSIOACTIVOS POR HPLC
OPTIMIZACIOacuteN DE LAS VARIABLES 191
1- INTRODUCCIOacuteN 193
2- DETERMINACIOacuteN DE JABOacuteN POR HPLC OPTIMIZACIOacuteN DE LAS
VARIABLES 194
21 - Siacutentesis del jaboacuten 194
211 - Patrones individuales 194
212 - Patroacuten de jaboacuten proveniente del aacutecido graso de coco 198
22 - Optimizacioacuten de las variables implicadas en el proceso cromatograacutefico 201
221 - Seleccioacuten de la fase estacionaria 202
222 - Optimizacioacuten del gradiente y del flujo 209
223 - Composicioacuten de la fase moacutevil 213
224 - Temperatura de la columna y la ganancia del fotomultiplicador 221
225 - Optimizacioacuten de la longitud de onda de excitacioacuten y de emisioacuten 225
iv Iacutendice
226 - Optimizacioacuten de la composicioacuten del vial y el volumen de inyeccioacuten 226
227 - Resultados oacuteptimos 230
23 - Optimizacioacuten de la reaccioacuten de derivacioacuten para fluorescencia 232
231 - Justificacioacuten de la reaccioacuten de derivacioacuten 232
232 - Eleccioacuten de la reaccioacuten de derivacioacuten 233
233 - Eleccioacuten del patroacuten interno 235
234 - Eleccioacuten del disolvente para la reaccioacuten de derivacioacuten 235
235 - Optimizacioacuten del tiempo y la temperatura de reaccioacuten 237
236 - Optimizacioacuten del volumen de reaccioacuten y de la cantidad de reactivos 244
237 - Cantidad maacutexima de analito a derivar 250
238 - Estudio de la estabilidad de la reaccioacuten de derivacioacuten 251
239 - Resumen del protocolo de derivacioacuten optimizado 252
2310 - Prueba de derivacioacuten en muestra real 253
24 - Optimizacioacuten de la reaccioacuten de derivacioacuten para ultravioleta 254
241 - Justificacioacuten y eleccioacuten de la reaccioacuten de derivacioacuten 254
242 - Meacutetodo cromatograacutefico Seleccioacuten de la λ maacutexima de absorcioacuten 256
243 - Eleccioacuten del dte de la reaccioacuten de derivacioacuten y del patroacuten interno 258
244 - Optimizacioacuten del tiempo y la temperatura de reaccioacuten 260
245 - Optimizacioacuten volumen de reaccioacuten y de la cantidad de reactivos 265
246 - Estudio de la estabilidad de la reaccioacuten de derivacioacuten 269
247 - Resumen del protocolo de derivacioacuten optimizado 269
248 - Prueba de derivacioacuten en muestra real 270
3- DETERMINACIOacuteN DEL LAS POR HPLC OPTIMIZACIOacuteN DE LAS
VARIABLES 271
31 - Contextualizacioacuten 271
32 - Eleccioacuten del patroacuten interno 274
33 - Composicioacuten del vial de inyeccioacuten 275
34 - Aplicacioacuten en muestra real 277
CAPIacuteTULO 4- TRATAMIENTO DE MUESTRA 279
1- INTRODUCCIOacuteN 281
2- TRATAMIENTO DE MUESTRA PARA LA DETERMINACIOacuteN DE JABOacuteN 282
Iacutendice v
21 - Antecedentes previos y justificacioacuten 282
22 - Variables implicadas en el proceso de extraccioacuten con eacuteter de petroacuteleo 284
221 - Soxhlet 287
222 - Ultrasonidos 290
223 - Microondas 296
224 - Conclusiones 299
23 - Variables implicadas en el proceso de conversioacuten de jaboacuten caacutelcico 301
24 - Variables implicadas en el proceso de extraccioacuten del jaboacuten potaacutesico 308
241 - Soxhlet 310
242 - Ultrasonidos 311
243 - Microondas 314
244 - Conclusiones 316
245 - Estudio de la etapa de centrigufacioacuten 317
246 - Resumen del tratamiento de muestra 318
3- TRATAMIENTO DE MUESTRA PARA LA DETERMINACIOacuteN DE LAS 322
31 - Antecedentes previos y justificacioacuten 322
32 - Variables implicadas en el proceso de extraccioacuten 323
311 - Soxhlet 325
312 - Ultrasonidos 326
313 - Microondas 327
314 - Conclusiones 328
33 - Estudio del proceso de extraccioacuten en fase soacutelida 330
CAPIacuteTULO 5- TRATAMIENTO DE MUESTRA 333
1- INTRODUCCIOacuteN 335
2- METODOLOGIacuteA DE CUANTIFICACIOacuteN CAacuteLCULO DE LOS PARAacuteMETROS
ANALIacuteTICOS EN LA DETERMINACIOacuteN DE JABOacuteN 336
21 - Justificacioacuten y propuesta de la metodologiacutea de cuantificacioacuten 336
22 - Evaluacioacuten del efecto matriz y de la recuperacioacuten 340
221 - Soxhlet 342
222 - Ultrasonidos 348
223 - Microondas 354
vi Iacutendice
224 - Comparacioacuten entre teacutecnicas de extraccioacuten 360
225 - Conclusiones 362
23 - Caacutelculo de los paraacutemetros analiacuteticos 363
231 - Verificacioacuten del modelo 365
232 - Liacutemite de deteccioacuten y cuantificacioacuten 365
233 - Rango dinaacutemico lineal y linealidad 367
234 - Precisioacuten 369
235 - Sensibilidad o Resolucioacuten analiacutetica 369
3- METODOLOGIacuteA DE CUANTIFICACIOacuteN CAacuteLCULO DE LOS PARAacuteMETROS
ANALIacuteTICOS EN LA DETERMINACIOacuteN DEL LAS 370
31 - Justificacioacuten y propuesta de metodologiacutea de validacioacuten 370
32 - Evaluacioacuten del efecto matriz y de la recuperacioacuten 372
321 - Soxhlet 372
322 - Ultrasonidos 378
323 - Microondas 384
324 - Comparacioacuten entre teacutecnicas de extraccioacuten 390
325 - Conclusiones 391
33 - Caacutelculo de los paraacutemetros analiacuteticos 392
331 - Verificacioacuten del modelo 394
332 - Liacutemite de deteccioacuten y cuantificacioacuten 394
333 - Rango dinaacutemico lineal y linealidad 395
334 - Precisioacuten 396
335 - Sensibilidad o Resolucioacuten analiacutetica 397
4- INTERCOMPARACIOacuteN ENTRE TEacuteCNICAS DE EXTRACCIOacuteN 397
41 - Contextualizacioacuten 397
42 - Intercomparacioacuten de teacutecnicas de extraccioacuten para el jaboacuten 399
43 - Intercomparacioacuten de teacutecnicas de derivacioacuten para el jaboacuten 401
44 - Intercomparacioacuten de teacutecnicas de extraccioacuten para el LAS 402
45 - Conclusiones 404
CAPIacuteTULO 6- DETERMINACIOacuteN DE TENSIOACTIVOS EN LODOS 405
1- INTRODUCCIOacuteN 407
Iacutendice vii
2- DETERMINACIOacuteN DE LAS EN LODOS DE EDAR 408
21 - Contextualizacioacuten 408
22 - Caracterizacioacuten de las muestras 410
23 - Tratamiento de muestra 413
24 - Resultados 414
25 - Tratamiento estadiacutestico 419
26 - Discusioacuten 424
3- DETERMINACIOacuteN DE JABOacuteN EN LODOS DE EDAR 427
31 - Contextualizacioacuten 427
32 - Caracterizacioacuten de las muestras 428
33 - Tratamiento de muestra 430
34 - Resultados 432
35 - Tratamiento estadiacutestico 435
36 - Discusioacuten 437
4- COMPARACIOacuteN DE RESULTADOS ENTRE EL JABOacuteN Y EL LAS 439
CAPIacuteTULO 7- DETERMINACIOacuteN DE TENSIOACTIVOS EN SEDIMENTOS
MARINOS 443
1- INTRODUCCIOacuteN 445
2- DETERMINACIOacuteN DE LAS EN SEDIMENTOS MARINOS 446
21 - Contextualizacioacuten 446
22 - Caracterizacioacuten de las muestras 447
23 - Tratamiento de muestra 450
24 - Resultados 451
25 - Tratamiento estadiacutestico 455
26 - Discusioacuten 457
3- DETERMINACIOacuteN DE JABOacuteN EN SEDIMENTOS MARINOS 458
31 - Contextualizacioacuten 458
32 - Caracterizacioacuten de las muestras 459
33 - Tratamiento de muestra 461
viii Iacutendice
34 - Resultados 462
35 - Tratamiento estadiacutestico 465
36 - Discusioacuten 467
4- COMPARACIOacuteN DE RESULTADOS ENTRE EL JABOacuteN Y EL LAS 468
5- DETERMINACIOacuteN DE JABOacuteN EN TIERRA 469
51 - Contextualizacioacuten 469
52 - Caracterizacioacuten de las muestras 470
53 - Tratamiento de muestra 471
54 - Resultados 471
55 - Discusioacuten 473
CAPIacuteTULO 8- ESTUDIO DE CAMPO 475
1 - INTRODUCCIOacuteN 477
2 - CARACTERIZACIOacuteN DEL SUELO Y DEL AGUA EMPLEADOS EN EL
ESTUDIO 478
21 - Estudio del suelo empleado 478
211 - Propiedades fiacutesicas del suelo 479
212 - Propiedades quiacutemicas del suelo 487
22 - Estudio del agua de pozo empleado 496
3 - ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADSORCIOacuteN DESORCIOacuteN DEL JABON EN
LABORATORIO 500
31 - Experiencia en discontinuo (tanque) 500
311 - Relacioacuten suelodisolucioacuten 501
312 - Aplicacioacuten de modelos simples al estudio de adsorcioacutendesorcioacuten 505
313 - Control del pH 512
314 - Establecimiento de las Isotermas 512
315 - Aplicacioacuten de un modelo complejo a la adsorcioacuten desorcioacuten 522
32 - Experiencia en continuo (columna) 544
321 - Descripcioacuten de la instalacioacuten experimental 544
322 - Columnas ensayadas 547
Iacutendice ix
4 - EXPERIENCIA EN CAMPO 550
41 - Descripcioacuten de las parcelas experimentales 550
42 - Ensayo con jaboacuten 552
421 - Puesta a punto de la metodologiacutea de toma de muestras de suelo 552
422 - Estudio estacional 553
423 - Estudio comparado de los resultados de campo 576
CONCLUSIONS 585
SUMMARY 597
x Iacutendice
OBJETO DE LA TESIS
Objeto de la Tesis 3
El objeto de la presente Memoria de Doctorado es el estudio del
comportamiento ambiental de los dos tensioactivos anioacutenicos de mayor
consumo a nivel mundial el jaboacuten y el sulfonato de alquilbenceno lineal
(LAS)
Este estudio forma parte de los proyectos de investigacioacuten
ldquoESTUDIO DE LIXIVIACIONDEGRADACION DE TENSIOACTIVOS
DE INTEREacuteS COMERCIAL EN SUELOS AGRIacuteCOLASrdquo (Ref P06-FQM-
01529) y ldquoEVOLUCIOacuteN QUIacuteMICA DE TENSIOACTIVOS DE INTEREacuteS
COMERCIAL EN AGUAS SUELOS Y SEDIMENTOS ACUAacuteTICOS
IMPLICACIONES AMBIENTALESrdquo (Ref CTQ2007-61503PPQ)
financiados por el Ministerio de Educacioacuten y Ciencia y la Junta de
Andaluciacutea respectivamente
Ambos proyectos se llevan a cabo en el grupo de investigacioacuten de
Quiacutemica Analiacutetica de la Universidad de Granada FQM-338 QUIacuteMICA
ANALIacuteTICA Y CIENCIAS DE LA VIDA Con el apoyo de la empresa
CEPSA QUIacuteMICA el mayor fabricante de Alquilbenceno Lineal (LAB
precursor del LAS
La creciente preocupacioacuten de la Unioacuten Europea en materia de regulacioacuten
de tensioactivos conjunto con la escasez de informacioacuten ambiental
relevante del jaboacuten debido entre otras cosas a la falta de metodologiacuteas
analiacuteticas capaces de determinar el jaboacuten en diferentes matrices
ambientales y su indudable importancia econoacutemica justifican por siacute
mismos el estudio medioambiental del jaboacuten Del mismo modo y a pesar
de la existencia de numerosas publicaciones acerca del comportamiento
ambiental del LAS el intereacutes del mismo radica en las novedosas
4 Tesis Doctoral
conclusiones que se pueden derivar de su estudio y monitorizacioacuten
conjunto con el jaboacuten en diferentes matrices ambientales
Para la realizacioacuten del estudio de campo se ha seleccionado un suelo de
especial intereacutes como es la Vega de Granada que ademaacutes de poseer una
gran relevancia agriacutecola reuacutene las condiciones idoacuteneas para llevar a cabo
la investigacioacuten propuesta pues estaacute regada con aguas residuales de
procedencia urbana y por tanto con escasa o nula contaminacioacuten
industrial con lo que no se introducen agentes toacutexicos que puedan alterar
su microbiota Ademaacutes presenta una gran variedad climaacutetica a lo largo de
todas las estaciones del antildeo lo que la hace especialmente uacutetil y versaacutetil a
la hora de obtener conclusiones
Con este estudio se pretende por una parte mejorar la metodologiacutea
existente para la deteccioacuten y determinacioacuten de los tensioactivos y por
otra profundizar en el conocimiento de los diferentes mecanismos
(adsorcioacuten precipitacioacuten movilidad fotodegradacioacuten biotransformacioacuten
aerobia biotransformacioacuten anaerobiahellip) que pueden contribuir a facilitar
o dificultar en su caso la biodisponibilidad de estos productos en el suelo
La comparacioacuten de los resultados obtenidos en el laboratorio con los
ensayos de campo posibilitan realizar las correspondientes interrelaciones
y poder establecer los diferentes mecanismos que justifiquen su
comportamiento real en la zona
Para alcanzar el objetivo central hemos trazado una serie de objetivos
operativos
1- Desarrollo de las metodologiacuteas analiacuteticas Atendiendo a las
propiedades analiacuteticas de los compuestos objeto de estudio se han
seleccionado las teacutecnicas analiacuteticas separativas de cromatografiacutea de
Objeto de la Tesis 5
liacutequidos con deteccioacuten fluorescente y con deteccioacuten ultravioleta-visible
siempre llevando a cabo los oportunos tratamientos previos de muestra y
derivacioacuten de los analitos
2- Aplicacioacuten de las metodologiacuteas propuestas en diferentes matrices
ambientales suelos lodos de EDAR y sedimentos
3- Estudio comparativo de los resultados obtenidos para ambos
tensioactivos
3- Estudio del jaboacuten en el laboratorio
21- Estudios en tanque (Batch) Establecimiento de las cineacuteticas e
isotermas de adsorcioacuten
22- Estudios en columna
23- Establecimiento de los modelos de comportamiento
4- Estudio del jaboacuten en campo Estudio del comportamiento del jaboacuten
en la zona saturada y no saturada de una parcela agriacutecola de la Vega de
Granada a lo largo de todas las estaciones del antildeo
6 Tesis Doctoral
ACROacuteNIMOS
Acroacutenimos 9
a Ordenada en el origen
ACN Acetonitrilo
AE Alcohol etoxilado
AEDT Aacutecido etilendiaminotetraaceacutetico
ANOVA Anaacutelisis de la varianza
AOCS American Oil Chemist Society
ASTM American Society for Testing and Materials
b Pendiente de la funcioacuten de calibrado
BAB Alquilbenceno ramificado
BABS Sulfonato de alquilbenceno ramificado
BrMMC 4-Bromometil-7-metoxicumarina
CE Electroforesis capilar
C0 Concentracioacuten inicial
Ce Concentracioacuten en equilibrio de un compuesto en disolucioacuten
CESIO Comite Europeen Des Agents De Surface Et De Leurs Intermediaires Organiques
CMC Concentracioacuten miscelar criacutetica
DAD Detector diodo array
DAP 24 Dibromoacetofenona
DATS Tetralinas sulfonadas
DER Desviacioacuten estaacutendar relativa
Dp Diaacutemetro de la partiacutecula
DSR Disentildeos de superficie de respuesta
EDAR Estacioacuten Depuradora de Aguas Residuales
FAC Fat Analysis Commitee
Fcal El valor de F de Snedecor calculado
FLD Detector de fluorescencia
FID Detector de ionizacioacuten de llama
FSM Finca de Santa Mariacutea
10 Tesis Doctoral
FFR Falling Film Reactors
Ftab El valor de F de Snedecor tabulado
GC Cromatografiacutea de gases
GREAT-ER Geography-Referenced Exposure Assessment Toll for European Rivers
HERA Human and environmental risk assessment
HPLC High Performance Liquid Chomatography
h05 Mitad de la altura del pico gaussianno
IPA 2-propanol (Isopropanol)
K Constante de degradacioacuten
Ka Velocidad especiacutefica de adsorcioacuten
Kads Constante de equilibrio de adsorcioacuten
Kd Constante de adsorcioacuten suelo-agua
Kdes Velocidad especiacutefica de desorcioacuten
Kdis Constante de disolucioacuten
Kf Constante de adsorcioacuten de Freundlich
KL Constante de adsorcioacuten de Langmuir
Kp Constante de precipitacioacuten
LAB Alquilbenceno lineal
LAS Sulfonato de alquilbenceno lineal
LC Cromatografiacutea liacutequida
LC50 Concentracioacuten que resulta letal para el 50 de los organismos expuestos durante un periodo especificado normalmente 96 horas
LD Liacutemite de deteccioacuten
LIN Linealidad
LOAEL Indicador del nivel maacutes bajo de una sustancia con efecto toacutexico
LQ Liacutemite de cuantificacioacuten
LSC Liquid Scintillation Counting
Acroacutenimos 11
MAE Extraccioacuten asistida por microondas
MBAS Methylene Blue Active Substance
MeOH Metanol
MO Materia orgaacutenica
MOE Margen de exposicioacuten de un sustancia
MS Detector de espectrometriacutea de masas
mz Relacioacuten masacarga
ns Moles adsorbidos por unidad de masa de adsorbente
NOAEL Indicador de los efectos toacutexicos de una sustancia
OECD Organisation for Economic Co-operation and Development
p Paraacutemetro estadiacutestico que mide la significancia en el test de ANOVA
PC Componente principal
PCA Anaacutelisis por componentes principales
PEC Concentracioacuten previsible en el medio ambiente
PNEC Concentracioacuten maacutexima esperada que no produzca ninguacuten efecto
R2 Coeficiente de determinacioacuten de la funcioacuten de calibrado
RDL Rango dinaacutemico lineal
RP Fase inversa
rpm Revoluciones por minuto
Rs Resolucioacuten
SDS Dodecilsulfato de sodio
SPE Extraccioacuten en fase soacutelida
SPC Sulfo Phenyl caboxylic Acid
Sanaliacutetica Sensibilidad analiacutetica
Syx Desviacioacuten estaacutendar de la regresioacuten
Sa Desviacioacuten estaacutendar de la ordenada en el
12 Tesis Doctoral
origen
Sb Desviacioacuten estaacutendar de la pendiente
SIM Selected Ion Monitoring
tcal El valor de t de Student calculado
TEA Trietilamina
TFA Aacutecido trifluoroaceacutetico
t12 Tiempo de vida media
tr Tiempo de retencioacuten
ttab El valor de t de Student tabulado
TK Punto de Kraft
t05 Tiempo de vida media
UV Ultravioleta
Vis Visible
Vinfin Velocidad estacionaria de caiacuteda
Wb Anchura de la base del pico cromatograacutefico
Wb0 Anchura de la base del pico cromatograacutefico a concentracioacuten cero
W05h Anchura a mitad de altura del pico cromatograacutefico
X Cantidad de retencioacuten de un compuesto en un soacutelido
Xmax Cantidad maacutexima de retencioacuten de un compuesto en un soacutelido
Oslash Radical fenilo
λ Longitud de onda
θ Porosidad
CAPIacuteTULO 1
INTRODUCCIOacuteN
Introduccioacuten 15
1- AGENTES TENSIOACTIVOS
11 - Antecedentes histoacutericos
La limpieza es una actividad comuacuten a todos los seres vivos En el caso de
la especie humana ha evolucionado con el transcurso del tiempo
permaneciendo unida y caracterizando a las diversas civilizaciones y
culturas las cuales han buscado aditivos que mejorasen la capacidad
limpiadora del agua
El jaboacuten fue el primer compuesto conocido capaz de mejorar las
propiedades detersivas del agua Su descubrimiento se data en la eacutepoca los
Sumerios1(3000 aC) siendo usado no soacutelo por su actividad detersiva
sino tambieacuten por las propiedades curativas que se le atribuiacutean De hecho
se utilizaba el azufre jabonoso obtenido para la cura de enfermedades
1 Garcia Dominguez JJ Tensioactivos y Detergencia AIDADTA Barcelona 1986
16 Tesis Doctoral
En un papiro que data del 1500 aC que constituye todo un tratado
meacutedico se describiacutea que mezclando aceites animales y vegetales con
ciertas sales que debiacutean ser de tipo alcalino se obteniacutea un producto de
tipo jabonoso el cual se utilizaba para combatir enfermedades en la piel2
La popularidad del jaboacuten fue creciendo de manera progresiva llegando
en su momento maacutes aacutelgido (siglo VII) a considerarse un artiacuteculo de lujo
ya que se llegoacute afirmar que el crecimiento de la poblacioacuten que
experimentoacute Europa en la Edad Media era fruto de la mejora de la higiene
derivada del uso del jaboacuten en todas las clases sociales Un estudio maacutes
concienzudo reveloacute que la mejora en la calidad de vida era consecuencia
no soacutelo de una mejor higiene personal sino tambieacuten a los enormes
progresos meacutedicos en la lucha contra la enfermedad y en la proteccioacuten
contra el contagio3
A pesar de su creciente uso el jaboacuten seguiacutea producieacutendose de manera
artesanal Esta dinaacutemica cambioacute a mediados del siglo XVIII cuando
Nicolaacutes Leblanc (1987) fue capaz de disentildear un procedimiento para la
obtencioacuten de jaboacuten a escala industrial lo cual sentariacutea las bases de la
Quiacutemica Industrial de tensioactivos moderna4
La quiacutemica del jaboacuten continuoacute su desarrollo en los siglos XIX y XX ya
que se amplioacute la gama de productos derivados del jaboacuten en polvo en
barra etc Ademaacutes La demanda de detergentes empezoacute a aumentar
debido al creciente uso de las fibras sinteacuteticas (celulosa acetatos etc)
2 Varo Galvaacuten P Contribucioacuten al estudio sobre el comportamiento ambiental y
degradacioacuten de jabones Tesis Doctoral Universidad de Alicante 1996 3 Sanchez-Leal J Aspectos ecoloacutegicos de los detergentes Gestioacute y promocioacute editorial
Barcelona 1992 4 Spitz L Editor SODEOPEC AOCS press 2004
Introduccioacuten 17
Henkel en Alemania introdujo en 1907 el primer detergente en polvo
ldquoPersilrdquo para lavadoras automaacuteticas
La necesidad de buscar nuevas sustancias capaz de mejorar la propiedades
del jaboacuten llevoacute a dos investigadores norteamericanos Harkins y Lagmuir
a descubrir casi simultaacuteneamente en 1917 una clase de sustancias
sinteacuteticas equiparables al jaboacuten y dotadas asimismo de la propiedad de
acumularse en las superficies de las disoluciones La peculiaridad de su
comportamiento se explicaba por su estructura ya que estaban
compuestas por una parte polar hidrofiacutelica y otra apolar hidrofoacutebica A
este grupo de sustancias se las denominoacute ldquotensioactivosrdquo
En 1917 el quiacutemico Guumlnter perteneciente a la compantildeiacutea BASF
consiguioacute con eacutexito la alquilacioacuten y la sulfonacioacuten del naftaleno Este
hecho llevoacute a conseguir una sustancia de alto poder espumante y con
buenas propiedades de mojado sin embargo las cortas cadenas del
alquilnaftaleno sulfonato no consiguieron tener el suficiente caraacutecter
tensioactivo para sustituir al jaboacuten convencional
En 1928 Bertsch y colaboradores utilizando un alcohol graso como
materia prima y mediante sulfatacioacuten consiguieron la primera sustancia
detergente sinteacutetica El paso siguiente era encontrar materias primas
renovables El procedimiento fue la reduccioacuten cataliacutetica con hidroacutegeno
La empresa Henkel en 1932 comercializoacute alcoholes oleico y esteaacuterico
procedentes del aceite del esperma de ballena extendieacutendolo al alcohol
lauacuterico y miriacutestico (C12 y C14) pues eacutestos poseiacutean mejores propiedades
detersivas
18 Tesis Doctoral
El primer detergente formulado con sulfatos de alcoholes grasos se
introdujo en el mercado por Henkel en 1932 y por Procter amp Gamble en
1933 Posteriormente aparecieron en el mercado otros productos
semejantes
Por necesidades de mayor volumen de produccioacuten aparecieron en el
mercado los alquilbencenos sulfonatos (ABS) y el tetrapropileacutenbenceno
sulfonato (TBS) que en 1950 satisfaciacutea el 60 de la demanda de
detergentes en el mercado mundial Sin embargo en 1960 fue
reemplazado por los alquilbencenos sulfonatos de cadena lineal debido a
que eran maacutes biodegradables5
En la Tabla 11 se resume el desarrollo histoacuterico de los detergentes6
5 Kreienfeld G Surfactants in consumer products and raw material situation A brief
survey in Alkyl Polyglycosides Technology Properties and Applications K Hill W von Rybinski G Stoll (Eds) p 225 VCH Weinheim 1997
6 Lechuga Villena M Biodegradacioacuten y toxicidad de tensioactivos comerciales Tesis Doctoral Universidad de Granada 2005
Introduccioacuten 19
Tabla 11- Evolucioacuten histoacuterica de los tensioactivos
EacutePOCA Y HECHOS CRONOLOacuteGICOS OBSERVACIONES
ERA ANTES DE CRISTO
Antildeo 3000 en Sumeria Tablilla sumeria de arcilla donde se habla de ldquoazufre jabonosordquo
Antildeo 2500 en Mesopotamia Placa de arcilla con la descripcioacuten de la fabricacioacuten de jaboacuten (aceite + hierba jabonosa)
Antildeo 1500 en Egipto Grabados y papiros Descripcioacuten (aceites animales + vegetales + sales)
Antildeo 600 Introduccioacuten en Europa
ERA CRISTIANA
Primera generacioacuten de detergentes
Imperio Romano Extractos de cenizas + grasas para unguumlentos
Antildeo 800 Almonas Andaluciacutea Fabricacioacuten con aceite de oliva y el aacutelcali obtenido de las cenizas de la combustioacuten de los amarjos (solanaacutecea de las marismas de Guadalquivir)
Antildeo 1000 Marsella y Venecia Centros del negocio de fabricacioacuten de jaboacuten (siglos IX-XIV)
Antildeo 1300 fundacioacuten de gremios europeos
Desarrollo importante de la fabricacioacuten del jaboacuten
Antildeo 1791 Descubrimiento de Leblanc Meacutetodo Leblanc para la preparacioacuten de carbonato soacutedico Inicio de la Industria Quiacutemica
Antildeo 1799 Aportacioacuten de Tennant Obtencioacuten de cloruro de cal que permitiacutea obtener Cl2 para blanqueamiento del algodoacuten
Antildeo 1823 Trabajos de Chevreul Inicio de nuevas industrias Repercusioacuten en el incremento exponencial de la poblacioacuten en Europa
20 Tesis Doctoral
Tabla 11 Evolucioacuten histoacuterica de los tensioactivos (cont)
EacutePOCA Y HECHOS CRONOLOacuteGICOS OBSERVACIONES
Segunda generacioacuten de detergentes
Antildeo 1917 descubrimientos de Harkins y Langmuir
Sustancias sinteacuteticas equiparables al jaboacuten
Antildeo 1925 en Alemania despueacutes de la Primera Guerra Mundial
Alquilarilsulfonatos y butilnaftalensulfonatos soacutedicos
Antildeo 1928 hidrogenacioacuten y posterior sulfatacioacuten del grupo carboxiacutelico
Obtencioacuten de alcoholes grasos sulfatados
Antildeo 1930 condensacioacuten de aacutecidos grasos
Desarrollo de tensioactivos no ioacutenicos
Tercera generacioacuten de detergentes
Periacuteodo 1950-1980 Fabricacioacuten de mesolatos Desarrollo de los ldquoBuildersrdquo Principios de la Quiacutemica-Fiacutesica Interfacial
Antildeo 2000- Actualidad Desarrollo de detergentes biodegradables
12 - Definicioacuten y propiedades
Seguacuten la Real Academia de la Lengua Espantildeola7 se denomina surfactante
a aquella ldquosustancia que reduce la tensioacuten superficial de un liacutequido y que
sirve como agente humectante o detergenterdquo Este teacutermino surfactante es
un anglicismo del teacutermino anglosajoacuten ldquoSurface Active Agentrdquo Del mismo
modo se define tensioacuten superficial como8 ldquola accioacuten de las fuerzas
moleculares en virtud de la cual la capa exterior de los liacutequidos tiende a
contener el volumen de estos dentro de la miacutenima superficierdquo
7 Paacutegina web del Diccionario de la Real Academia Espantildeola
httpbusconraeesdraeISrvltConsultaTIPO_BUS=3ampLEMA=surfactante 8 Paacutegina web del Diccionario de la Real Academia Espantildeola
httpbusconraeesdraeISrvltConsultaTIPO_BUS=3ampLEMA=tensiF3n
Introduccioacuten 21
A pesar de que el termino tensioactivo no se encuentra recogido por la
Real Academia de la Lengua es sin embargo la palabra maacutes
frecuentemente utilizada como traduccioacuten del teacutermino ldquoSurfactantrdquo en
todas las normativas europeas adoptadas desde su principio hasta la
actualidad razoacuten por la cual en esta memoria se utilizaraacute este teacutermino9
En cuanto a su estructura la constitucioacuten quiacutemica de un tensioactico
comprende10
- Un grupo hidrofiacutelico
- Un grupo hidrofoacutebico
Figura 11- Estructura de un tensioactivo 1 Parte hidrofiacutelica 2 Parte hidrofoacutebica
9 Nimer M Estudio del comportamiento ambiental del sulfonato de alquilbenceno lineal
(LAS) en una parcela agriacutecola de la Vega de Granada Tesis Doctoral Universidad de Granada 2007
10 Myers D Surfactant science and Technology VCH publishers 1998
22 Tesis Doctoral
En disolucioacuten acuosa la parte hidrofiacutelica de la moleacutecula se orienta hacia
el interior de la disolucioacuten mientras que la parte hidrofoacutebica lo hace hacia
la superficie Las moleacuteculas de tensioactivos asiacute orientadas se acumulan
en la interfase agua aire con lo que reducen la tensioacuten superficial del
agua
Respecto a las propiedades generales de los tensioactivos son importantes
las siguientes
bull Compuestos anfifiacutelicos Contienen a la vez en su moleacutecula a uno
o varios grupos polares y uno o varios grupos no polares
generalmente una cadena hidrocarbonada soluble en disolventes
orgaacutenicos y un grupo ioacutenico soluble en agua Debido a su
estructura cuando se pone en contacto una cantidad muy
pequentildea de tensioactivo con el agua aparecen dos tendencias
opuestas por una parte el grupo hidrofiacutelico del tensioactivo
tiende a situarse en el interior del medio acuoso y por otra las
moleacuteculas de agua tienden a expulsar del medio acuoso las
cadenas hidroacutefobas de las moleacuteculas e iones anfifiacutelicos El estado
de equilibrio se alcanza cuando las moleacuteculas yo iones de
tensioactivo se distribuyen entre el interior de la disolucioacuten y la
interfacie con el aire En esta capa se adsorberaacuten las moleacuteculas o
iones de tensioactivo de forma que los grupos hidroacutefilos puedan
estar convenientemente hidratados y las cadenas hidroacutefobas
esteacuten libres del contacto del medio acuoso
Introduccioacuten 23
Figura 12- Monocapa de tensioactivo
bull Humectabilidad El mojado constituye un mecanismo
fundamental que interviene en la mayor parte de las aplicaciones
de los agentes tensioactivos Es una caracteriacutestica que depende de
las propiedades superficiales
bull Poder espumante La espuma se puede definir como un conjunto
de celdas gaseosas separadas por laacuteminas delgadas de liacutequido el
cual estaacute formado por la superposicioacuten de burbujas originadas
por una dispersioacuten de un gas o un liacutequido
La formacioacuten de espuma es otro de los efectos que depende de
las propiedades superficiales de las disoluciones de los agentes
tensioactivos No existe una explicacioacuten satisfactoria para
exponer todos los fenoacutemenos relativos a las espumas pero se
admite por lo general que el fenoacutemeno se debe a la tendencia
que tiene una burbuja de aire introducida en una disolucioacuten de
agente tensioactivo para rodearse inmediatamente de una capa
monomolecular Cuando la burbuja rompe la superficie consigue
formar una peliacutecula superficial monomolecular y de esta manera
se encuentra compuesta por una laacutemina que estaacute formada por dos
24 Tesis Doctoral
capas monomoleculares de agentes tensioactivos las cuales estaacuten
separadas por una peliacutecula de agua
Figura 13- Burbuja de jaboacuten
bull Formacioacuten de micelas Cuando un compuesto anfifiacutelico estaacute en
disolucioacuten acuosa para evitar el contacto desfavorable entre la
parte hidroacutefoba y el disolvente ademaacutes de adsorberse en la
interfaz existe otra alternativa la de asociarse moleacuteculas
anfifiacutelicas formando agregados moleculares ioacutenicos o mixtos
llamados micelas que se forman por encima de una cierta
concentracioacuten denominada concentracioacuten criacutetica micelar
(CMC) que se define como el pequentildeo margen de
concentraciones por debajo del cual no existen micelas y por
encima del mismo las moleacuteculas e iones se asocian en forma
micelar
Introduccioacuten 25
Figura 14- Formacioacuten de micelas
13 - Clasificacioacuten
La cadena alquiacutelica (parte hidroacutefoba) de los tensioactivos estaacute constituida
por lo general por entre 12-20 aacutetomos de carbono pudiendo ser
hidrogenada o fluorada linear o ramificada conteniendo o no doble
enlace Los grupos hidroacutefilos por su parte pueden diferir bastante en su
naturaleza quiacutemica pudiendo ser no inoacutenicos ioacutenicos (catoacutenicos o
anioacutenicos) o anfoacuteteros
Atendiendo la naturaleza de su grupo hidroacutefilo los tensioactivos se
pueden clasificar en no ioacutenicos catioacutenicos anioacutenicos y anfoacuteteros
Tensioactivos anioacutenicos son los tensioactivos maacutes consumidos
en teacuterminos absolutos Se caracterizan por tener en su parte hidrofiacutelica
grupos funcionales que se ionizan en disolucioacuten acuosa originando iones
orgaacutenicos con carga negativa los cuales son responsables de la actividad
superficial Contienen por lo general grupos solubles sulfatos o
sulfonatos de sodio aunque tradicionalmente consistiacutean en grupos
26 Tesis Doctoral
carboxilatos como los que hay presentes en el jaboacuten Existen por lo tanto
varias clases de tensioactivos anioacutenicos como por ejemplo los sulfonatos
de alquilbenceno lineal (LAS) los alcoholes etoxisulfatos (AES) y los
alcoholes sulfatos (AS) A continuacioacuten Figura 15 se recogen algunos
ejemplos de tensioactivos anioacutenicos
Figura 15- Ejemplos de tensioactivos anioacutenicos a) Sulfonato de alquilbenceno lineal (LAS) b) Sulfonato de alquilbenceno ramificado c) Sulfonato de n-alquilod) Sulfonato de alquilo secundario e) Difenileacuteterdisulfonato de hexadecano linear f) Sulfonato de 4-(1-n-octil)benceno g) Sulfonato de metileacutester h) Taurato de alquilmetil i) Sulfato de n-alquilo j) Carboxilato de alquilo (jaboacuten)
Introduccioacuten 27
Tensioactivos catioacutenicos Al contrario que los anioacutenicos estos
compuestos presentan grupo catioacutenico en su parte polar son
normalmente una sal de amonio cuaternaria amina o sal de fosfonio la
cual estaacute unida a una cadena carbonada de distinta naturaleza (Figura
16) Presentan la ventaja de que son compatibles con los tensioactivos no
ioacutenicos y anfoteacutericos y la desventaja de ser incompatibles con los
tensioactivos anioacutenicos Puede darse el caso en disoluciones aacutecidas que
los tensioactivos no ioacutenicos puedan adoptar caraacutecter catioacutenicos debido a
la protonacioacuten del heteroaacutetomo sin embargo estrictamente hablando los
tensioactivos anioacutenicos son aquellos que para poseer una carga negativa
no requieren de protonacioacuten Su uso es maacutes limitado siendo utilizados
principalmente en la industria textil como ablandadores de fibras
actuando sobre la fibra de algodoacuten adhirieacutendose a ella y confirieacutendole
cierta lubricidad y suavidad de aquiacute que su principal aplicacioacuten sea en
formulaciones de productos suavizantes A este tipo de compuestos se les
atribuyen propiedades antibacterianas ademaacutes se usan como inhibidor de
la corrosioacuten de procesos de oxidacioacuten y son muy utilizados en procesos
de siacutentesis como agente transferente entre fases
Figura 16- Ejemplos de tensioactivos catioacutenicos
NH+
B r -
NH+
B r -
N + B r -N + B r -
Bromuro de cetilpiridinio
Bromuro de trimetil hexadecilamonio
28 Tesis Doctoral
Tensioactivos anfoacuteteros poseen grupos funcionales que pueden
ionizarse en medio acuosos originado tensioactivos anioacutenicos o
catioacutenicos dependiendo de las condiciones del medio Pueden ser
clasificados como anfolitos o betaiacutenas Anfolitos son compuestos que
poseen al menos un protoacuten activo El ejemplo mejor conocido es el aacutecido
amino carboxiacutelico que actuacutea como tensioactivo catioacutenico a bajos valores
de pH y como tensioactivo anioacutenico a altos valores de pH Su uso en la
industria es maacutes restringido debido a su alta sensibilidad a cambios en el
valor del pH en el medio
Las betaiacutenas no poseen protones hidrolizables adquieren naturaleza
catioacutenica en medios fuertemente aacutecidos No son sensibles ni a la dureza
del agua ni al valor de pH que se trabaja en la industria Son compatibles
con otros tipos de tensioactivos y presentan buenas propiedades
espumantes y detergentes A continuacioacuten Figura 17 se representa la
estructura baacutesica de las betaiacutenas
Alquil betaiacutena Alquilamidopropil betaiacutena
Figura 17- Ejemplo de tensioactivos anfoteacutericos
Tensioactivos no ioacutenicos En disolucioacuten acuosa no originan iones
su solubidad en agua es debida a la polaridad del aacutetomo de oxiacutegeno el
cual permanece unido covalentemente en los oligoetilenglicol eacuteteres
(tambieacuten denominados poliglicol eacuteteres) y compuestos oligohidroacutexidos El
N C
O
O-
R
H3C
H3C
N+ H2C
O
O-
R
H3C
H3C
N C
O
O-
R
H3C
H3C
N+ H2C
O
O-
R
H3C
H3C
(CH2)3N
O
R
HC N C
O
O-
R
H3C
H3C
N+ H2C
O
O-
R
H3C
H3C
N C
O
O-
R
H3C
H3C
N+ H2C
O
O-
R
H3C
H3C
(CH2)3N
O
R
HC
Introduccioacuten 29
grado de hidratacioacuten decrece con el aumento de la temperatura
diminuyendo por tanto su solubilidad La cadena carbonada (parte
hidrofoacutebica) tiene que estar en una adecuada relacioacuten con el nuacutemero de
grupos polares debido a que una relacioacuten demasiado baja entre el nuacutemero
de heteroaacutetomos y la cadena carbonada puede derivar en problemas de
insolubilidad en agua Los tensioactivos de este tipo maacutes ampliamente
utilizados son los alcoholes etoxilados (AE) Dependiendo del grado de
etoxilacioacuten se obtienen productos con un balance hidroacutefilo-lipoacutefilo
distinto y con muacuteltiples aplicaciones
Se producen a partir de la condensacioacuten de oacutexidos de etileno aunque
tambieacuten existen ciertos compuestos de este tipo basados en azuacutecares
polioles etc Los productos con menor peso molecular se encuentran en
estado liacutequido a temperatura ambiente sin embargo a medida que
aumenta su peso molecular tienden a ser maacutes pastosos llegando en caso
maacutes extremo a formar un estado soacutelido ceacutereo Forman micelas con mayor
facilidad que los tensioactivos ioacutenicos debido a que las repulsiones
electrostaacuteticas en la superficie de los no ioacutenicos son menores Otra
caracteriacutestica que los diferencias es su comportamiento en el ldquoagua durardquo
ya que en presencia de iones caacutelcico y magnesio los alcoholes etoxilados
presentan un menor tendencia a precipitar que los tensioactivos anioacutenicos
Alcohol etoxilado
Figura 18- Ejemplo de tensioactivo no ioacutenico
OHO
nOH
O
n
30 Tesis Doctoral
14 - Consumo y usos
Tanto el consumo como el uso de los tensioactivos dependen de sus
propiedades siendo las maacutes demandadas aquellas sustancias que tiene un
mayor rango de aplicacioacuten Por lo tanto los tensioactivos no ioacutenicos como
los anioacutenicos son por este orden los que se producen en mayor
cantidad11
Figura 19- Produccioacuten de tensioactivos en Europa Occidental-1 Miles de toneladas
11 COMITE EUROPEEN DES AGENTS DE SURFACE ET DE LEURS
INTERMEDIAIRES ORGANIQUES (CESIO) Cesio surfactants statistics for Western Europe 2007
Introduccioacuten 31
Figura 110- Produccioacuten de tensioactivos en Europa Occidental-2 Millones de toneladas
En cuanto a sus aplicaciones en la siguiente tabla se enumeran los usos
maacutes frecuentes de los tensioactivos2
Tabla 12- Usos de los tensioactivos
Detergentes y productos de limpieza Cosmeacuteticos
Tratamiento de metales Aditivos de aceites lubricantes
Aditivos en gasolinas gas-oil y otros combustibles
Inhibidores de corrosioacuten Agentes de mojado y auxiliares de
proceso en industria textil Dispersioacuten de colorantes Flotacioacuten de minerales
Plaacutesticos lacas y pinturas Eliminacioacuten de polvo
Construccioacuten Industria del papel
Curtido de la piel Polimerizacioacuten de laacutetex
Dispersantes y emulsificadores en agricultura
Emulsificadores del petroacuteleo ceras y disolventes
Agentes espumantes Espuma para extincioacuten de incendios
Operaciones de extraccioacuten de petroacuteleo Inhibidores de precipitacioacuten
Desengrasado de metales Efectos antiespumantes
Lavado en seco Plastificacioacuten Fluidizacioacuten de
cementos Industrias de alimentacioacuten
32 Tesis Doctoral
15 - Constitucioacuten de los detergentes
Las actuales formulaciones comerciales de productos de limpieza tanto
liacutequidas como soacutelidas estaacuten constituidas por una mezcla de uno o varios
tensioactivos que actuacutean mejorando la accioacuten detersiva junto con una
serie de componentes complementarios los aditivos los coadyuvantes y
los auxiliares de presentacioacuten (como los blanqueantes enzimas etc) que
conforman un producto no soacutelo con mejores caracteriacutesticas de limpieza
sino con mayor seguridad tanto para el consumidor como para los
equipos y el ambiente En estas formulaciones complejas coexisten dos o
maacutes agentes tensioactivos incluso pertenecientes a distintos grupos
(anioacutenicos yo no ioacutenicos) lo cual suele proporcionar un efecto sineacutergico
aumentando su poder detergente
Los detergentes modernos tanto liacutequido como en polvo contienen entre
un 5 - 20 en peso de tensioactivos De esta manera una concentracioacuten
de detergente domeacutestico de 5 gmiddotL-1 originaraacute una agua de lavado con
aproximadamente 1 gramo de tensioactivo por cada litro es decir un
01 en peso
Normalmente en estas formulaciones se encuentran un gran nuacutemero de
aditivos que acompantildean al tensioactivo Estos compuestos que pueden ser
de naturaleza orgaacutenica o inorgaacutenica desempentildean una funcioacuten muy
importante sobre la mejora de las propiedades detersivas de estos
preparados comerciales
En la Figura 111 se puede apreciar un esquema sobre los componentes
de las formulaciones actuales de tensioactivos seguacuten Domiacutenguez11
Introduccioacuten 33
Figura 111- Componentes de formulaciones de detergentes
16 - Los tensioactivos y el ambiente
161 - Concepto de Biodegradacioacuten
Se entiende por biodegradacioacuten la ruptura molecular de un sustrato
orgaacutenico resultante de la accioacuten enzimaacutetica de microorganismos vivos
que utilizan este sustrato como alimento La problemaacutetica
medioambiental surgida en la biodegradacioacuten de moleacuteculas complejas
determinoacute la importancia de la distincioacuten de diferentes tipos de
biodegradabilidad cuyo concepto estaacute incorporado en la legislacioacuten
vigente Asiacute se distingue entre
34 Tesis Doctoral
a) Biodegradacioacuten primaria se refiere a la que ocurre en el sustrato
que permite la peacuterdida de las propiedades caracteriacutesticas de la moleacutecula
intacta En el caso de los tensioactivos estaacute relacionada con la peacuterdida de
su capacidad para formar espuma o con la reduccioacuten de la tensioacuten
superficial
b) Biodegradabilidad avanzada se alcanza cuando la moleacutecula de
sustrato se divide en segmentos maacutes pequentildeos
c) Biodegradacioacuten final uacuteltima o mineralizacioacuten es la que a
traveacutes de una secuencia de ataques enzimaacuteticos reduce el sustrato a la
estructura maacutes simple posible Bajo este teacutermino se engloban todos
aquellos procesos realizados por agentes microbioloacutegicos ambientales
que convierten a traveacutes de diferentes procesos quiacutemicos la materia
orgaacutenica compleja en compuestos inorgaacutenicos maacutes simples que pueden
ser utilizados como nutrientes y generar energiacutea
Cabe destacar que estos procesos se pueden llevar a cabo bajo diferentes
niveles ambientales de oxiacutegeno
Condiciones aerobias donde el flujo de oxiacutegeno excede a la
demanda de este gas que la actividad bacterioloacutegica pueda requerir
Condiciones anaerobias donde se pueden distinguir a su vez dos
tipos de situaciones
bull Aquellas donde la velocidad de consumo de oxiacutegeno excede a la
velocidad de difusioacuten (condiciones anoacutexicas)
Introduccioacuten 35
bull Aquellas donde el oxiacutegeno es totalmente excluido (condiciones
estrictamente anaerobias)
Actualmente hay una extensiva base de datos referente a la
biodegradacioacuten del de los tensioactivos en diferentes condiciones
ambientales Buena parte de estos datos son ensayos de laboratorio
estandarizados por la OECD usados de modo rutinario en Europa y
Ameacuterica del Norte con la finalidad de determinar el potencial de
biodegradacioacuten de las sustancias orgaacutenicas11 Para verificar la
mineralizacioacuten de estas sustancias fueron estipulados algunos paraacutemetros
no especiacuteficos consumo de O2 eliminacioacuten del carbono orgaacutenico y
formacioacuten de CO212131415 Sin embargo existiacutean dos factores que
limitaban la extrapolacioacuten de estos estudios en relacioacuten a sus respectivos
comportamientos reales (en el ambiente) los ensayos no se realizaron
bajos las condiciones fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas encontradas en los
compartimentos ambientales y los ensayos realizados no tuvieron en
cuenta algunos compartimentos ambientales como sedimentos suelos
aguas de pozo estuarios y oceacuteanos que tienen una gran importancia en la
biodegradacioacuten de los tensioactivos
Para superar estas limitaciones algunos trabajos cientiacuteficos fueron
realizados simulando las condiciones ambientales empleando para tal
11 OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) Revised
guidelines for testing chemical OECD Pariacutes 1993 12 Fischer WK Gerike P Holtmann W Biodegradation determinations via unspecific
analyses (COD DOC) in coupled units of the OECD confirmatory test WaterRes 9 1131-1135 1975
13 Gerike P Fischer WK A correlation study of biodegradability determinations with various chemicals in various tests Ecotoxicol Environ Safety 3 157-173 1979
14 Gerike P Fischer WK Holtmann W Biodegradation determinations in trickling filter units compared with the OECD confirmatory test Water Res 14 753-758 1980
15 Larson RJ Evaluation of biodegradation potencial of xenobiotic organic chemicals Appl Environ Microbiol 38 1153-1161 1979
36 Tesis Doctoral
finalidad la creacioacuten de un microcosmos tanto en el campo como en el
laboratorio
162 - Ecosistemas
bull Ecosistemas aerobios
Una gran fraccioacuten de la biodegradacioacuten que ocurre en la Tierra se lleva a
efecto en el suelo Esta accioacuten es desde luego una parte esencial del ciclo
del carboacuten nitroacutegeno y de otros compuestos Los organismos muertos -
animales vegetales o microorganismos- son convertidos en sus elementos
constituyentes hacieacutendolos de esta forma asequibles para ser reutilizados
por los organismos vivos El suelo con los organismos asociados es
considerado un importante agente degradador siempre y cuando se
mantengan las condiciones aerobias las cuales son esenciales para que se
produzca la biodegradacioacuten
Varios autores estudiaron la degradacioacuten de los tensioactivos en el sistema
suelo utilizando sistemas a escala de laboratorio1617
La biodegradacioacuten de los tensioactivos anioacutenicos en medios acuaacuteticos y
terrestres es llevada a cabo esencialmente por microorganismos de
acuerdo con la siguiente reaccioacuten
16 Klein SA McGuahey Fate of detergents in septic tank system and oxidation pond
Sanitry Engineering Research Laboratory Report 64 Universidad de California Berkeley 1964
17 Rizet M Mallevialle J Cournarie JL Pilot plant investigation of the evolution of various pollutants during artificial recharge of an aquifer by a basin Prog Water Technol 9 203-215 1977
Introduccioacuten 37
El carbono orgaacutenico se utiliza en parte para la siacutentesis de nuevas ceacutelulas y
para la produccioacuten de CO2 por tanto la materia orgaacutenica deberiacutea ser
completamente degradada Sin embargo se ha observado que la velocidad
de la reaccioacuten de oxidacioacuten disminuye conforme lo hace la concentracioacuten
de sustrato especialmente a bajas concentraciones de tal forma que en el
periacuteodo de un ensayo de biodegradacioacuten no es posible eliminar el 100
de la materia orgaacutenica Este hecho queda reflejado en las normas para
ensayos de biodegradacioacuten OECD en las que se considera que un
sustancia es faacutecilmente biodegradable si en un ensayo desaparece la
sustancia a analizar en un 80 o maacutes en un tiempo de ensayo inferior a
24 horas Esta decisioacuten se basa en las inevitables diferencias que surgen
en el estudio de la degradacioacuten de un compuesto entre un medio natural y
un reactor quiacutemico
En cuanto a las bacterias capaces de degradar los tensioactivos se aislaron
muchas de ellas y algunos hongos Tambieacuten se usaron cultivos de
laboratorio Swisher18 1987 citoacute cerca de 90 especies de bacterias y
algunos hongos que se reproduciacutean y eran capaces de llevar a cabo al
menos una degradacioacuten primaria de los tensioactivos
En cuanto a las especies que maacutes comuacutenmente se encuentran en el
ambiente y que son capaces de degradar los tensioactivos Swisher
nombroacute a algunas pseudomonas y aerobacterias que fueron aisladas junto
con micrococcus y flavobacterias Ademaacutes a esta lista hay que antildeadir la
moraxella la cual se asiloacute del lodo
18 Swisher J Surfactants Biodegradation 20 Ed Marcell Dekker New York 1987
38 Tesis Doctoral
Yoshimura19 1984 aisloacute bacterias de lodos activos procedentes de riacuteos
encontrando especies como pseudomonas necromonas y moraxella las
cuales eran capaces de degradar las cadena alquiacutelica del LAS pero no el
anillo aromaacutetico mientras que otras bacterias gram negativas no podiacutean
degradar el LAS pero siacute el anillo de los intermedios En cambio una
mezcla binaria de estos dos tipos de organismos si fue capaz de degradar
el 100 del LAS
bull Ecosistemas anaerobios
Existen varios tipos de sistemas anaeroacutebicos de origen natural (intestino
humano pantanos marismas y arrozales etc) pero desde el punto de
vista del comportamiento ambiental de los tensioactivos los que maacutes
influencia tienen son
- Sedimentos de riacuteo y lagos Estos variacutean de totalmente aerobios
en la superficie a totalmente anaerobios en la parte baja de su espesor
total Para los estudios toxicoloacutegicos llevados a cabo para los
tensioactivos la parte superior de las capas anoacutexicas en la transicioacuten entre
aeroacutebica y anaeroacutebica es con toda probabilidad la maacutes importante En
estas zonas algunas de las sustancias quiacutemicas que han llegado a esa capa
entre ellas los tensioactivos pueden volver a la cadena alimenticia
sirviendo de alimento a pequentildeos animales acuaacuteticos que posteriormente
lo seraacuten de peces y otros animales superiores
- Suelos agriacutecolas Aunque son medios normalmente aerobios
ocasionalmente son medios anoacutexicos en donde la oxidacioacuten microbina de
19 Yoshimura K Adsorption and biodegrdation of Las by microorganims Jorn Com Esp
Detg 15 103-121 1984
Introduccioacuten 39
amoniacuteaco a nitratos (nitrificacioacuten) y la reduccioacuten microbiana de nitratos a
nitroacutegeno gas (desnitrificacioacuten) pueden estar teniendo lugar de manera
simultaacutenea lo cual depende de las praacutecticas agriacutecolas empleadas y de los
cambios estacionales en la temperatura y en la saturacioacuten de agua Los
tensioactivos especialmente los anioacutenicos despueacutes de su proceso de
depuracioacuten en plantas EDAR (estaciones depuradoras de aguas
residuales) tienden a adsorberse en los lodos generados en la planta los
cuales con posterioridad y despueacutes del secado son usados para enmendar
suelos agriacutecolas
- Sedimentos marinos Como en el caso de los sedimentos de las
aguas superficiales el agua sobrenadante y la capa superior de los
sedimentos suele ser aeroacutebica sin embargo a medida que se va
progresivamente aumentando la profundidad la condiciones van siendo
cada vez maacutes anoacutexicas En muchas ocasiones la presencia de tensioactivos
en sedimentos marinos es bastante frecuente debido a que suelen ser
desechados a las cuencas marinas despueacutes de ser tratados en las
depuradoras o mediante vertido directo
En cuanto a los sistemas anaeroacutebicos producidos por el hombre el que
tiene mayor relevancia para los tensioactivos es
- Digestioacuten anaerobia de los lodos de aguas residuales Este
meacutetodo es ampliamente usado en las Estaciones de Depuracioacuten de Aguas
Residuales (EDAR) para desodorizar desinfectar y estabilizar los lodos
orgaacutenicos puacutetridos aumentando la purificacioacuten de las aguas residuales
40 Tesis Doctoral
Las fementaciones metanogeacutenicas tienen lugar en grandes tanques
agitados calentados hasta 35 ordmC y que funcionan como reactores
termostatizados de mezcla completa con tiempos de retencioacuten
generalmente en el rango de 15 a 30 diacuteas
Para tensioactivos su principal viacutea de eliminacioacuten es a traveacutes de las aguas
de uso domeacutestico e industrial las cuales pasan un proceso de depuracioacuten
EDAR antes de su reutilizacioacuten Por tanto la importancia de la digestioacuten
anaerobia desde la perspectiva de los tensioactivos es enorme ya que su
degradacioacuten completa depende en gran parte de su proceso de digestioacuten
anaerobio EDAR
163 - El impacto ambiental de los tensioactivos
La principal aplicacioacuten de los tensioactivos como se ha expuesto en la
Tabla 12 es la formulacioacuten de detergentes La gran variedad de los
mismos20 unido a su creciente consumo da lugar a un aumento de sus
incorporaciones a las aguas de los vertidos domeacutesticos e industriales ya
que el consumidor por ejemplo elimina los detergentes a traveacutes de los
sistemas domeacutesticos de canalizacioacuten de aguas residuales existiendo un
peligro potencial de afectar a la calidad de las aguas
Los detergentes al ser vertidos despueacutes de su uso pueden terminar en
varias matrices ambientales bien a traveacutes de descargas directas (sin
tratamiento) o despueacutes de tratamiento EDAR
20 Ash M Ash I Handbook of industrial Surfactants (2vol) Synapse Information
Resources 2000
Introduccioacuten 41
Figura 112- Emisioacuten de los detergentes al medio
Los problemas ambientales que puede provocar un detergente industrial
como consecuencia de su presencia en las aguas pueden resumirse en
- Aumento de pH de las aguas residuales a valores superiores a 12
- Puede aumentar la presencia de niveles elevados de cloro y de
compuestos organoclorados algunos posiblemente de caraacutecter toacutexico yo
carcinoacutegeno
- Se requiere una cierta cantidad de oxiacutegeno para degradar a los
diferentes compuestos orgaacutenicos que forman el detergente lo que podriacutea
conducir a unas condiciones anoacutexicas peligrosas para las diferentes
especies que habitan en el medio
Detergentes Uso domeacutestico
e industrial
Vertido directo
EDAR
Aguas residuales
depuradas
Lodos tratados
‐Aguas superficiales ‐Mar
‐Compostaje ‐Incineracioacuten ‐Vertedero ‐Enmendado de suelos agriacutecolas
42 Tesis Doctoral
- Algunos de los compuestos de la formulacioacuten presentan efectos
toacutexicos tanto sobre los microorganismos como sobre los organismos
superiores que alliacute habitan
- Efecto sobre la coagulacioacuten y sedimentacioacuten en las plantas
depuradores
- Contaminacioacuten de aguas subterraacuteneas aunque no es muy
frecuente y siempre como siacutentoma de otra contaminacioacuten maacutes importante
- Tienen tendencia a absorberse y a precipitarse generando
grandes cantidades (gmiddotKg-1) en los lodos tratados los cuales pueden ser
usados en suelos agriacutecolas
- En presencia de aguas con alto contenido en sales (aguas duras)
los tensioactivos (anioacutenicos principalmente) tienden tendencia a
precipitar dando lugar a grandes acumulaciones de sales alcalino-teacuterreas
de estos compuestos en diferentes matrices medioambientales
- Por todo lo anteriormente expuesto desde los diferentes
estamentos gubernamentales y cientiacuteficos se ha potenciado en las uacuteltimas
deacutecadas la formulacioacuten de detergentes con sustancias faacutecilmente
biodegradables asiacute como el desarrollo de metodologiacuteas analiacuteticas capaces
de determinar los tensioactivos en cualquiera de sus formas en las
diferentes matrices ambientales
Introduccioacuten 43
164 - Legislacioacuten ambiental
La evolucioacuten legislativa sobre los tensioactivos va iacutentimamente unida a la
problemaacutetica que surge como consecuencia de su consumo y entre otros
estaacute muy influenciada por dos hechos ambientales fundamentales la
aparicioacuten tanto de espumas persistentes como de metabolitos de elevada
toxicidad Asiacute desde que en Alemania se fabricoacute el primer detergente
sinteacutetico la industria fomentoacute la produccioacuten de este tipo de compuestos
rebajando costes para introducirlos en un mercado cada vez con mayor
demanda y maacutes competitivo Su uso creciente en formulaciones
comerciales determinoacute que en la deacutecada de los 50 comenzaran a surgir
problemas ambientales de contaminacioacuten por la aparicioacuten de espumas en
riacuteos depuradoras y en aguas subterraacuteneas Pronto se comprobariacutea
mediante la realizacioacuten de diferentes estudios que la causa era la
utilizacioacuten creciente de los tensioactivos ldquodurosrdquo (BABS) y
posteriormente se solucionariacutea este problema con su sustitucioacuten por el
LAS
Sin embargo pronto se puso de manifiesto que el uso de otros compuestos
de caraacutecter detersivo entre los que figuraban los tensioactivos no ioacutenicos
nonilfenol etoxilado (NPEO del ingleacutes Nonylphenol Ethoxylate) y
octilfenol etoxilado (OPEO del ingleacutes Octylphenol Ethoxylate) en su
proceso de biodegradacioacuten produciacutean metabolitos como el nonilfenol (NP
del ingleacutes Nonylphenol) y octilfenol (OP del ingleacutes Octylphenol) que
aunque no eran formadores de espuma poseiacutean caraacutecter estrogeacutenico y por
tanto de mayor toxicidad que los compuestos originales Este hecho
determinoacute que se fuese maacutes exigente con el concepto de
biodegradabilidad y se tuviese que distinguir entre biodegradabilidad
primaria y biodegradabilidad final o mineralizacioacuten
44 Tesis Doctoral
La preocupacioacuten de los diferentes gobiernos ante estas problemaacuteticas
determinoacute que comenzaran a aparecer legislaciones que limitaban el uso
de estos tensioactivos duros La primera regulacioacuten se promulgoacute en
Alemania en 1961 y exigiacutea que la biodegradacioacuten de los tensioactivos
anioacutenicos fuese del 80 (biodegradacioacuten primaria)
Con la creacioacuten de la Comunidad Econoacutemica Europea y posteriormente
de la Unioacuten Europea se intentoacute armonizar las diferentes legislaciones y
asiacute aparecieron de manera sucesiva distintas directivas regulaciones y
decisiones de obligado cumplimiento para todos los estados miembros
Estas normativas han ido resolviendo los problemas ambientales conforme
se poniacutean de manifiesto y regulaban el uso de los detergentes en todos los
estados miembros Asiacute hasta 2004 se promulgaron una gran cantidad de
leyes
bull La Directiva 73404CEE relativa a la aproximacioacuten de las
legislaciones de los Estados miembros en materia de detergentes
bull La Directiva 73405CEE referente a la aproximacioacuten de las
legislaciones de los Estados miembros relativas a los meacutetodos de control
de la biodegradabilidad de los tensioactivos anioacutenicos
bull La Directiva 82242CEE referente a la aproximacioacuten de las
legislaciones de los Estados miembros relativas a los meacutetodos de control
de la biodegradabilidad de los tensioactivos no ioacutenicos
bull La Directiva 82243CEE que modifica la Directiva 73405CEE
referente a la aproximacioacuten de las legislaciones de los Estados miembros
Introduccioacuten 45
relativas a los meacutetodos de control de la biodegradabilidad de los
tensioactivos anioacutenicos
bull La Directiva 8694CEE por la que se modifica la Directiva
73404CEE referente a la aproximacioacuten de las legislaciones de los
Estados miembros en materia de detergentes
Por motivos de claridad y racionalidad dichas normas en 2004 fueron
actualizadas y refundidas en un soacutelo texto Reglamento (CE) Nordm
648200421 de 31 de marzo de 2004 sobre detergentes y actualmente en
vigor Este Reglamento establece normas destinadas a lograr la libre
circulacioacuten de detergentes y tensioactivos para detergentes en el mercado
europeo garantizando al mismo tiempo una elevada proteccioacuten del medio
ambiente y de la salud humana A estos efectos dicho Reglamento
armoniza algunas normas de comercializacioacuten de estas sustancias en lo
referente a la biodegradabilidad a las restricciones o prohibiciones por
motivos de biodegradabilidad al etiquetado adicional de los detergentes a
la informacioacuten que los fabricantes deben tener a disposicioacuten de las
autoridades competentes y del personal meacutedico de los Estados miembros
Ademaacutes establece una nueva definicioacuten de detergente que se ampliacutea y
una serie de condiciones caracteriacutesticas y liacutemites que estas sustancias
deben presentar para su correcta comercializacioacuten La principal novedad
es el requerimiento de biodegradacioacuten final como necesaria para estipular
la limitacioacuten de su comercializacioacuten Otra de las novedades es que
establece los meacutetodos de ensayos y analiacuteticos para evaluar la
biodegradabilidad final de todos los tensioactivos anioacutenicos no ioacutenicos
21 CEE (2004) Reglamento del Parlamento Europeo y del Consejo de la Unioacuten Europea
6482004CE sobre detergentes (DO L 104 de 08042004) Bruselas 2004
46 Tesis Doctoral
catioacutenicos y anfoteacutericos (estos dos uacuteltimos contemplaacutendose por primera
vez)
Recientemente ha sido modificado en sus anexos III y VII en lo referente
a los meacutetodos de ensayos de biodegradacioacuten final y a normas de
etiquetado e informaciones sobre sus ingredientes por el Reglamento
(CE) Nordm 907200622 de 21 de junio de 2006
2- TENSIOACTIVOS ANIOacuteNICOS JABOacuteN Y SULFATO DE
ALQUILBENCENO LINEAL (LAS)
21 - Descripcioacuten y propiedades del LAS y el jaboacuten
211 - Descripcioacuten propiedades fiacutesicas y quiacutemicas del LAS
Entre los tensioactivos anioacutenicos el sulfonato de alquilbenceno lineal es
uno de los maacutes ampliamente utilizados en el mundo El LAS presenta un
proceso de fabricacioacuten a partir de tecnologiacuteas petroquiacutemicas ampliamente
establecidas Su comportamiento tensioactivo se debe a su caraacutecter
anfipaacutetico es decir a la diferente solubilidad que poseen las dos partes
principales de que consta su moleacutecula una parte hidroacutefila que consiste en
un grupo sulfoacutenico polar (-SO3-) unido al benceno en posicioacuten para
respecto a la parte hidroacutefoba eacutesta consiste en una cadena alquiacutelica lineal
de longitud variable y a la que se une el anillo benceacutenico en distintas
posiciones Para mantener la neutralidad de la moleacutecula el LAS suele
tener desde un punto de vista comercial como contraioacuten el catioacuten Na+
22 CEE Reglamento nordm 9072006 de la Comisioacuten de 20 de junio de 2006 por el que se
modifica el Reglamento (CE) nordm 6482004 sobre detergentes con el fin de adaptar sus anexos III y VII (DO L 168 de 21062006) Bruselas 2006
Introduccioacuten 47
La mezcla comercial de LAS contiene una serie de homoacutelogos que difieren
en la longitud de la cadena alquiacutelica siendo los maacutes habituales los
comprendidos entre 10 y 13 aacutetomos de carbono La distribucioacuten en
homoacutelogos de la muestra suele seguir la siguiente relacioacuten molar23
C10C11C12C13=13303324 siendo la media en carbono de 116 y con
un contenido en 2-fenil (2Oslash) isoacutemeros entre 18 y el 29 24252627 A su
vez cada homoacutelogo es una mezcla de isoacutemeros 20 en total los cuales
surgen en funcioacuten de la distinta posicioacuten en la que el anillo benceacutenico estaacute
unido a esta cadena lineal
A pesar de esta diversidad existen una serie de patrones de composicioacuten
bien definida para el LAS Dependiendo del proceso de siacutentesis del LAB el
precursor del LAS20 la cantidad de sulfonato de alquilbenceno lineal suele
variar entre 93 y el 98 Del mismo modo se suele encontrar entorno al
5 de mono-metil sulfonato de alquilbenceno (iso-LAS)28 Las tetralinas
sulfonadas (DATS) suelen aparecer en una proporcioacuten algo menor al
529
23 Human amp Environmental Risk Assessment on ingredients of European household
cleaning products (HERA) Linear Alkyl Benzene Sulphonate (LAS) 2007 24 Feijtel TCJ Mathijs E Rottiers A Rijs GBJ Kiewiet A de Nijs A AISCESIO
environmental surfactant monitoring programme Part 1 LAS monitoring study in ldquode Meerrdquo STP and receiving river rdquoLeidsche Rijnrdquo Chemosphere 30 1053-1066 1995
25 Feijtel TCJ Van de Plassche (1995) Environmental risk characterization of 4 mayor surfactants used in the Netherlands RIVMNVZ Report No 679101025
26 Cavalli L Clerici R Radici P Valtorta L Update on LABLAS Tenside Surf Det 36 254-258 1999
27 Valtorta L Radici P Calcinai D Cavalli L Recent development of LABLAS Riv It Sostanze Grasse LXXVII 73-76 2000
28 Nielsen AM Britton LN Beall CE Russel GL Biodegradation of coproducts of commercial LAS Environ Sci Technol 31 3397-3404 1997
29 ECOSOL Statistics Brussels 2005
48 Tesis Doctoral
Figura 113- Ejemplo de moleacutecula del LAS-Na
En la Tabla 13 se muestran las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas del LAS
comercial (C116)30
30 SIDS Assessment report on LAS Sponsor country USA 2005
CH
SO 3-
(CH 2)mn(H 2C)H3C CH 3CH
SO 3-
(CH 2)mn(H 2C)H3C CH 3
Introduccioacuten 49
Tabla 13- Propiedades fiacutesicas y quiacutemicas del LAS
LAS PROTOCOLO RESULTADOS
Descripcioacuten molecular Sal soacutedica del aacutecido orgaacutenico
-
Peso Molecular [gmiddotM-1] (C116H242)C6H4SO3Na 3424
Presioacuten de vapor a 25ordmC
Calculada como C12 (3-17) middot 10-13
Punto de ebullicioacuten [ordmC]
Calculada como C12 637
Punto de fusioacuten [ordmC] Calculada como C12 277
Coeficiente de particioacuten Octanolagua
[log10]
Calculada como C116 332
Concentracioacuten miscelar criacutetica (CMC) [gmiddotL-1]
Experimental 065
Solubilidad en agua [gmiddotL-1]
Experimental 250
Densidad [KgmiddotL-1] Experimental relativa 106
pH (5 LAS en disolucioacuten acuosa)
Experimental 7-9
Constante de Henry [Pamiddotm3middotmol-1]
Calculada como C12 635 middot 10-3
212 - Descripcioacuten del jaboacuten
Seguacuten la Real Academia de la Lengua se define jaboacuten31como rdquo Pasta que
resulta de la combinacioacuten de un aacutelcali con los aacutecidos del aceite u otro
cuerpo graso Es soluble en el agua y por sus propiedades detersorias
sirve comuacutenmente para lavarrdquo Del mismo modo la Academia diferencia
entre dos tipos de jaboacuten
31 Paacutegina web del Diccionario de la Real Academia Espantildeola httpbusconraeesdraeISrvltConsultaTIPO_BUS=3ampLEMA=jabon
50 Tesis Doctoral
Jaboacuten blando rdquoAquel cuyo aacutelcali es la potasa y que se distingue por su
color oscuro y su consistencia de unguumlentordquo
Jaboacuten duro ldquoAquel cuyo aacutelcali es la sosa y se distingue por su color
blanco o jaspeado y su mucha consistenciardquo
El jaboacuten por tanto son sales de metales alcalinos (sodio y potasio) de
aacutecidos carboxiacutelicos los cuales estaacuten comprendidos en un rango de cadena
carbonada entre C12-C22
Desde un punto de vista praacutectico los aacutecidos grasos maacutes importantes para
la formacioacuten del jaboacuten comercial son C12 (dodecil) aacutecido saturado C14
(miriacutefico) aacutecido saturado C18 (esteaacuterico) aacutecido saturado C181 (oleico)
aacutecido monoinsaturado En la Figura 114 podemos ver la estructura de
estos compuestos
Figura 114- Estructura de las sales soacutedicas de los aacutecidos grasos
Introduccioacuten 51
213 - Propiedades fiacutesicas y quiacutemicas del jaboacuten32
Las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas generales difieren sensiblemente
dependiendo del tipo de jaboacuten Por lo tanto para un mejor estudio en las
siguientes tablas se describen por separado las propiedades del jaboacuten
soacutedico y del caacutelcico
Tabla 14- Propiedades fiacutesicas y quiacutemicas del jaboacuten soacutedico
C12-Na C14-Na C16-Na C18-Na C181-Na
Peso molecular [gmiddotmol-1]
223 2504 2784 3064 3045
Punto de fusioacuten [ordmC] 217 227 238 250 251
Punto de ebullicioacuten [ordmC]
508 532 555 578 582
Presioacuten vapor a 25ordmC [Pa]
20E-8 39E-9 73E-10 13E-10 17E-10
Coeficiente de particioacuten
Octanolagua [log10]
12 22 32 41 39
Punto de Kraft [ordmC] 215 39 69 77 -
CMC [gmiddotmol-1] 58 26 11 056 -
32 Human amp Environmental Risk Assessment on ingredients of European household
cleaning products (HERA) Fatty acids metals (Soaps) 2003
52 Tesis Doctoral
Tabla 15- Propiedades fiacutesicas y quiacutemicas del jaboacuten caacutelcico
C12-Ca C14-Ca C16-Ca C18-Ca C181-Ca
Peso molecular [gmiddotmol-1]
2404 2685 2965 3246 3226
Punto de fusioacuten [ordmC] 811 989 116 132 132
Punto de ebullicioacuten[ordmC] 308 335 358 382 385
P vapor a 25ordmC [Pa] 005 77E-3 14E-3 26E-4 22E-4
Seguacuten se observa a medida que va aumentando la cadena alquiacutelica
tambieacuten se ve incrementado el punto de fusioacuten y el punto de ebullicioacuten de
manera proporcional al peso molecular pero sin embargo va
disminuyendo la presioacuten de vapor Por otro lado la insaturacioacuten C181 no
afecta de manera notable en las propiedades siendo muy similar a las
obtenidas para el homoacutelogo saturado Por el contrario si comparamos los
dos tipos de jaboacuten podemos observar diferencias significativas en todas
las propiedades ya que el punto de fusioacuten y de ebullicioacuten tiene valores
maacutes elevados para el caso del jaboacuten tipo soacutedico en cambio la presioacuten de
vapor calculada es mayor para el jaboacuten tipo caacutelcico
Una mencioacuten aparte requiere el estudio de la solubilidad ya que esta
propiedad es la principal causa estudiada que determina el
comportamiento del jaboacuten desde un punto de vista ambiental y de
aplicacioacuten
Los jabones soacutedicos saturados son solubles en agua el jaboacuten C18-Na se
disuelve muy lentamente y el jaboacuten insaturado C181-Na es soluble en
agua El jaboacuten de sales soacutedicas es mucho maacutes soluble que el de sales
Introduccioacuten 53
caacutelcicas Por debajo de pH 7 el jaboacuten es insoluble en agua debido a la
formacioacuten del aacutecido graso libre insoluble en agua
Hay pocas medidas de datos para la solubilidad en agua La variacioacuten de
la solubilidad con la longitud de la cadena no es intuitiva Por ejemplo la
sal de sodio del aacutecido graso C16 tiene un valor de 2000 mgmiddotL-1 (a 20 ordmC)
mientras que la sal equivalente de la cadena de C18 es 50000 mgmiddotL-1 (a 20
ordmC) Por intuicioacuten estos valores son mucho maacutes altos que los esperados ya
que como la longitud de cadena aumenta se esperariacutea que la solubilidad
disminuyera Sin embargo las referencias encontradas muestran una
tendencia diferente33
Tabla 16- Solubilidades de los jabones soacutedico
JABOacuteN SOLUBILIDAD (mgmiddotL-1) 20 ordmC
C12-Na 22000
C14-Na -
C16-Na 2000
C18-Na 50000
C181-Na 100000 (12ordmC)
Es posible que el efecto del punto de Krafft (TK) y los valores de
concentracioacuten micelar criacutetica (CMC) expliquen algunas de estas
observaciones El punto de Krafft se define como la temperatura a la cual
la solubilidad del surfactante es igual a la CMC y se caracteriza por un
aumento raacutepido de la solubilidad por encima de esta temperatura Si se
tiene en cuenta los valores de del punto de Krafft mostrados en la Tabla
33 Stephen H Stephen T Solubilities of inorganic and organic compounds Pergamon
Press NewYork 1963
54 Tesis Doctoral
13 se puede explicar la alta solubilidad del jaboacuten soacutedico de cadena C12
ya que su punto de Krafft es de 215 ordmC sin embargo no se puede concluir
los mismo para el jaboacuten de cadena maacutes alta (C16 y C18) debido a que
presentan una gran solubilidad pero un alto punto de Krafft
En 1992 Clint34 basaacutendose en estudios previos justificoacute este anoacutemalo
comportamiento Seguacuten Clint el causante de los altos puntos de Karfft
para el jaboacuten de cadena larga era el exceso de iones OH- y Na+ los cuales
se obteniacutean de la siacutentesis del mismo ya que se habiacutea demostrado que la
presencia de iones haciacutea subir el punto de Krafft35
A pesar de todos estos estudios sigue sin justificarse con claridad la
solubilidad del jaboacuten soacutedico debido a que experimentalmente es maacutes
complicado disolver un jaboacuten soacutedico de cadena larga que un homoacutelogo
maacutes corto
Menos ambiguumledad hay a la hora de explicar las solubilidades del jaboacuten
tipo caacutelcico y magneacutesico ya que seguacuten Weast36 su comportamiento es
maacutes intuitivo
34 Clint JH Surfactant Aggregation Blackie Glasgow and London 1992 35 Hato M Tahara M Suda Y Colloidal properties of aqueous bivalent metal
dodecylpoly (oxythylene) sulphates and hexadecyl(oxyethylene)sulphate J Coll Interface Sci 72 458 1979
36 Robert C Weast Handbook of Chemistry and Physics The Chemical Rubber CO 1969-1970 50th edition
Introduccioacuten 55
Tabla 17- Solubilidades de los jabones caacutelcicos
JABOacuteN SOLUBILIDAD (mgmiddotL-1) 20 ordmC
C12-Ca 87
C14-Ca 057
C16-Ca 0037
C18-Ca 00023
C181-Ca 40 (25 ordmC)
Tabla 18- Solubilidades de los jabones magneacutesicos
JABOacuteN SOLUBILIDAD (mgmiddotL-1) 20 ordmC
C12-Mg 70 (25 ordmC)
C14-Mg 60 (15 ordmC)
C16-Mg 80 (25 ordmC)
C18-Mg 30 (15 ordmC)
C181-Mg 240 (25 ordmC)
Seguacuten los datos referidos a medida que va aumentando la cadena
alquiacutelica el jaboacuten se va haciendo maacutes insoluble con la excepcioacuten del
jaboacuten con insaturacioacuten el cual es maacutes soluble Por otro lado el jaboacuten
caacutelcico presenta una menor capacidad a ser disuelto que el magneacutesico
214 - Capacidad detersiva del jaboacuten y del LAS
La capacidad detersiva del jaboacuten y del LAS radica en su elevado poder de
humectacioacuten emulsificacioacuten y dispersioacuten
56 Tesis Doctoral
La suciedad que se encuentra en la ropa estaacute formada principalmente por
partiacuteculas de grasa incrustadas en las fibras de tejido esta sustancia grasa
no puede ser eliminada simplemente con agua debido a su insolubilidad
Sin embargo estos agentes tensioactivos disminuyen la tensioacuten superficial
del medio incrustaacutendose el extremo apolar lipofiacutelico de la moleacutecula de
tensioactivo en la suciedad y quedando expuesto el extremo polar soluble
en agua de manera que solubiliza la sustancia a eliminar del tejido
El poder de humectacioacuten del jaboacuten y del LAS es un aspecto muy
importante a tener en cuenta en el proceso de lavado ya que para que este
proceso sea eficaz la fibra textil debe entrar en contacto iacutentimo con la
disolucioacuten de lavado Este proceso depende de la temperatura
concentracioacuten de tensioactivo y del sustrato
El mecanismo de ldquorolling-uprdquo37 consiste en la eliminacioacuten de la mancha
aceitosa o soacutelida del tejido Se produce como consecuencia de la
disminucioacuten de la tensioacuten superficial provocada por el tensioactivo
Como consecuencia de esto el aacutengulo de contacto que forma el borde de
la peliacutecula de grasa que conforma la mancha comienza a crecer
provocando asiacute la formacioacuten de gotas y su posterior desprendimiento del
tejido Se puede considerar que dicho proceso consta de cuatro fases
- En la primera fase el tensioactivo (jaboacuten o LAS) es adsorbido por
la peliacutecula de grasa y por el sustrato
37 Berth P Jeschke P Consumption and fields of application of LAS Tenside Surf Det
26 75-79 1989
Introduccioacuten 57
- En la segunda la peliacutecula de grasa se reduce hasta adquirir forma
de gotas bajo la influencia del tensioactivo mantenieacutendose su adsorcioacuten
tanto en la superficie del tejido como sobre las gotas asiacute formadas
- En la tercera fase las fuerzas de repulsioacuten entre las gotas de grasa
y el sustrato ambas cargadas con tensioactivo comienzan a ser tan
intensas que se produce la eliminacioacuten de la mancha del tejido
- Por uacuteltimo las propiedades emulsionantes del agente detersivo
comienzan a actuar para que las gotas de suciedad cargadas de
tensioactivo sean emulsionadas y puedan asiacute ser arrastradas por la
disolucioacuten de lavado sin riesgo de que sean redepositadas sobre el tejido
Figura 115- 1 Esquema del fenoacutemeno de ldquorolling uprdquo producido cuando la disolucioacuten del tensioactivo en medio acuoso (A) y el residuo aceitoso (B) entran en contacto 2 Esquema de las diferentes fases del proceso
58 Tesis Doctoral
El jaboacuten y el LAS poseen una propiedades emulsionantes muy elevadas
incluso a bajas concentraciones
El proceso de eliminacioacuten de partiacuteculas soacutelidas es similar al ya descrito
Sin embargo en este caso el proceso de limpieza comienza con la
acumulacioacuten de carga negativa sobre las partiacuteculas soacutelidas y sobre el
tejido o superficie soacutelida (vidrio porcelana metal etc) a limpiar Esto
sucede gracias a distintas adsorciones del tensioactivo sobre las diferentes
superficies Como consecuencia de este proceso de carga y adsorcioacuten los
potenciales interfaciales (potenciales zeta -ζ-) son alterados de manera
que se permite la eliminacioacuten de la partiacutecula cargada de LAS del sustrato
gracias al arrastre realizado por disolucioacuten de lavado
Figura 116- Eliminacioacuten de una partiacutecula soacutelida
Introduccioacuten 59
22 - Siacutentesis
221 - Siacutentesis del LAS
La siacutentesis del LAS comprende tres pasos fundamentales la obtencioacuten de
parafina la siacutentesis del alquilbenceno lineal (LAB) y la sulfonacioacuten
posterior de eacuteste originando finalmente y tras su neutralizacioacuten el
sulfonato de alquilbenceno lineal (LAS)
bull Obtencioacuten de la parafina
La materia prima para la siacutentesis del LAB la n-parafina proviene
habitualmente de la destilacioacuten del crudo de petroacuteleo donde la fraccioacuten de
queroseno es tratada a traveacutes de tamices moleculares u otros dispositivos
que separan estas cadenas lineales de las ramificadas El procedimiento
maacutes utilizado y que emplea CEPSA QUIacuteMICA (principal productor
mundial de LAB en su planta de San Roque-Espantildea) para la obtencioacuten de
n-parafinas de rango C10 - C14 se basa en el proceso Molex de Universal
Oil Products (UOP) donde el queroseno es sometido a un
hidrotratamiento para eliminar impurezas especialmente azufre que
puede ocasionar dantildeos en los tamices moleculares para posteriormente
realizar la extraccioacuten de las n-parafinas mediante un proceso de adsorcioacuten
selectiva sobre tamices moleculares
Todas la n-parafinas obtenidas por este procedimiento son de alta pureza
(alrededor del 98 - 99) Por este motivo son productos que se pueden
utilizar como disolventes en una gran cantidad de aplicaciones
60 Tesis Doctoral
Figura 117- Proceso de la extraccioacuten de parafinas simplificado
bull Siacutentesis del alquilbenceno lineal (LAB)
Una vez obtenidas las parafinas eacutestas son sometidas a una reaccioacuten de
alquilacioacuten Para ello existen principalmente tres alternativas para su
siacutentesis que difieren en el tipo de catalizador aacutecido usado y en el reactivo
a alquilar siendo mono-olefinas en algunos casos y cloroparafinas en
otros
Cabe destacar que durante el proceso de formacioacuten de los derivados
olefiacutenicos la posicioacuten del doble enlace o de la cloroparafina generada es
aleatoria dando lugar a un abanico de isoacutemeros los cuales caracterizaran
al LAB y por ende al LAS
En la Figura 118 se muestran los procesos maacutes usados para la obtencioacuten
del LAB
Queroseno
Tamices
Moleculares
98 n-parafinas
Aromaacuteticos
Introduccioacuten 61
1 Proceso AlCl3
2 Proceso HF
3 Proceso DETAL
Figura 118- Proceso de siacutentesis del LAB
El proceso DETAL fue creado por CEPSA-QUIacuteMICA y UOP en la
deacutecada de los 90 Este meacutetodo evita el siempre complejo manejo del
aacutecido fluorhiacutedrico Ademaacutes este proceso proporciona ventajas tales como
62 Tesis Doctoral
simplificacioacuten del proceso de fabricacioacuten mejora del rendimiento y de la
calidad del producto final
bull Siacutentesis del sulfonato de alquilbenceno lineal (LAS)
Maacutes del 98 del LAB producido es convertido despueacutes de sulfonarlo en
el correspondiente aacutecido sulfoacutenico Inicialmente se empleaba oacuteleum
(aacutecido sulfuacuterico fumante) asiacute como aacutecido sulfuacuterico como agentes
sulfonantes tanto en reactores en discontinuo como en el llamado ldquosistema
de cascadardquo
Figura 119- Esquema de la sulfonacioacuten con oleum
En las plantas industriales modernas el proceso de sulfonacioacuten del LAB se
ha mejorado considerablemente con el empleo de reactores de peliacutecula
descendente (FFR del ingleacutes Falling Film Reactors) donde se antildeaden los
Introduccioacuten 63
reactivos (S03 y el LAB) el cual es seguido por un proceso de digestioacuten y
para completar la reaccioacuten de un hidrolizador Durante la reaccioacuten de
sulfonacioacuten el grupo ndashS03 es introducido es la posicioacuten para del anillo
benceacutenico del LAB
Figura 120- Etapas del proceso de sulfonacioacuten
Mediante la sulfonacioacuten del LAB se obtiene el correspondiente aacutecido
sulfoacutenico (HLAS) el cual es neutralizado obteniendo finalmente el LAS
seguacuten la reaccioacuten
Figura 121- Esquema del proceso de siacutentesis del LAS
64 Tesis Doctoral
222 - Siacutentesis del jaboacuten
El jaboacuten se compone de las sales de sodio (o de potasio) de aacutecidos grasos
de 12 a 18 aacutetomos de carbono Las sales de sodio fabricadas en grandes
cantidades es el jaboacuten duro Por otro lado el jaboacuten generado mediante las
sales potaacutesicas se denomina jaboacuten blando Ambos se obtienen
saponificando grasas o aceites o neutralizando aacutecidos grasos con
hidroacutexido o carbonato de sodio o de potasio
La mejor clasificacioacuten del jaboacuten se basa en el uso para los que ha sido
fabricado El de mejor calidad es el jaboacuten de tocador que contienen muy
poco aacutelcali en el cual se utiliza para su siacutentesis grasa y aceite de color
mucho maacutes claro El que le sigue en calidad es el jaboacuten de servicio ligero
que se presta en forma de pastillas polvos graacutenulos y escamas Este
uacuteltimo se usa para lavar la vajilla tejidos de lana etc En este caso se
usan grasas con un color un tanto maacutes oscuras
Las grasas maacutes oscuras se emplean en la fabricacioacuten de jaboacuten para el
lavado de ropa en el hogar domeacutestico Existen tambieacuten el jaboacuten
industrial el cual se fabrica para fines especiacuteficos
bull Meacutetodo baacutesico de fabricacioacuten38
La mayor parte del jaboacuten se fabrica por uno de los dos meacutetodos baacutesicos
siguientes
38 httpwwwtextoscientificoscomjabon
Introduccioacuten 65
1 Saponificacioacuten de grasas y aceites
2 Neutralizacioacuten de aacutecidos grasos
El maacutes utilizado es el primero porque el equipo requerido para obtener
productos de buena calidad es relativamente sencillo y poco costoso La
produccioacuten y manipulacioacuten de aacutecidos grasos requiere metales resistentes a
los aacutecidos caros y difiacuteciles de conseguir Por ello resulta maacutes faacutecil
fabricar jaboacuten de alta calidad con grasas y aceites neutros antes que
instalar equipos especiales para hacer jaboacuten
bull Composicioacuten y caracteres del jaboacuten
La reaccioacuten quiacutemica que se verifica en la fabricacioacuten del jaboacuten de grasas y
aceites neutros (trigliceacuteridos) se expresa en la forma siguiente
Figura 122- Siacutentesis del jaboacuten
La glicerina se aprovecha como subproducto La cantidad de NaOH
requerida para saponificar una cantidad dada de grasa neutra se calcula
por el iacutendice de saponificacioacuten de la grasa el cual se expresa como el
66 Tesis Doctoral
nuacutemero de miligramos de KOH (a base de 100) necesarios para
saponificar un gramo de grasa El iacutendice de saponificacioacuten se multiplica
por el factor 0715 para obtener el nuacutemero necesario de miligramos de
NaOH
En la neutralizacioacuten de los aacutecidos grasos la reaccioacuten quiacutemica se expresa
de la siguiente forma
RCOOH + NaOH NaCOOR + H2O
En esta uacuteltima reaccioacuten no se forma glicerina
bull Materias Primas
En la fabricacioacuten del jaboacuten los caracteres fiacutesicos y quiacutemicos del producto
dependen directamente de las materias primas empleadas De las grasas y
aceites se emplean el sebo la manteca aceite de nueces los residuos de la
refinacioacuten y del endurecimiento de aceites de semilla y algunos aceites
marinos
Aacutelcalis En la mayor parte del jaboacuten se utiliza el NaOH como
aacutelcali saponificador o neutralizante En el procedimiento ordinario para
hacer jaboacuten se usa el cloruro de sodio en grandes cantidades para
precipitar el jaboacuten de su solucioacuten en la lejiacutea (fase acuosa)
Los jabones potaacutesicos que se hacen empleando como aacutelcali la potasa
caacuteustica son maacutes solubles en agua que los de sodio No pueden
precipitarse de la lejiacutea por el cloruro de sodio ya que se formariacutea jaboacuten
soacutedico
Introduccioacuten 67
Las combinaciones de las dos clases de jaboacuten tienen las deseables
caracteriacutesticas del jaboacuten duro maacutes la raacutepida solubilidad y la facilidad de
formar gran cantidad de espuma peculiar del jaboacuten blando
Grasas y Aceites Los aacutecidos grasos maacutes convenientes en el jaboacuten
son el laacuteurico el miriacutestico el palmiacutetico y el oleico que contienen de 12 a
18 aacutetomos de carbono Es evidente que los caracteres del jaboacuten estaacuten
directamente relacionados con los aacutecidos grasos de las materias primas
utilizadas
Los aacutecidos mencionados anteriormente son saturados excepto el oleico y
estos forman la mayor parte de la materia del sebo y del aceite de coco
Este aceite y el sebo en relaciones de 31 y 41 se utilizan en la mayoriacutea
del jaboacuten fabricado para lavanderiacuteas y para el tocador Las foacutermulas
dependen de la calidad deseada sobre el producto terminado
Sebo El sebo se utiliza en la fabricacioacuten de jaboacuten en mayor
cantidad que cualquier otra grasa Se obtiene fundiendo grasas de ganado
vacuno lanar caballar etc y se clasifica en dos grados comerciales
comestible y no comestible La mayor parte del sebo utilizado es no
comestible
Los sebos se clasifican por el American Institute of Meat Packers seguacuten su
color porcentaje de aacutecido graso libre y contenido de humedad contenido
de materia insoluble y contenido de materia insaponificable
El tiacutetulo del sebo crudo es un factor importante para determinar la calidad
del sebo y la dureza del jaboacuten que eacuteste produciraacute El tiacutetulo se define como
el punto de solidificacioacuten de los aacutecidos grasos contenidos en el sebo
68 Tesis Doctoral
expresado en grados centiacutegrados Una grasa cuyo tiacutetulo excede los 40 ordmC
se clasifica como sebo y hasta 40 ordmC se considera como grasa o manteca
El contenido de humedad materia insoluble y materia insaponificable es
material que no produce jaboacuten El sebo de alto tiacutetulo produce jabones
duros y el de tiacutetulo bajo jabones blandos
Grasa La grasa o manteca ocupa el segundo lugar en importancia
entre las materias grasas utilizadas para producir jaboacuten La grasa pocas
veces se utiliza sola en las calderas de saponificacioacuten generalmente se
utiliza combinada con el sebo El jaboacuten hecho con manteca es algo maacutes
blando que el fabricado con sebo y no tienen el olor y la estabilidad
peculiares del fabricado con sebo La manteca contiene mayor porcentaje
de aacutecidos grasos insaturados que el sebo
Aceites Estos aceites a saber de coco de palma marinos de
oliva de cacahuate de maiacutez o de seacutesamo se utilizan combinados con las
grasas ordinarias utilizadas en la fabricacioacuten de jaboacuten Se utilizan para
jaboacuten especiales con propiedades distintas a las del jaboacuten comuacuten Este
jaboacuten no tiene mucha salida debido a que es muy caro por las materias
primas utilizadas
Materiales no grasos Las principales no grasas son la colofina
el aceite de pino y aacutecidos nafteacutenicos Estos materiales no grasos no son
trigliceacuteridos y por consiguiente no se forma glicerina cuando se
transforman en jaboacuten Este jaboacuten se mezcla en pequentildeas cantidades con el
jaboacuten ordinario para el uso en lavanderiacuteas y jaboacuten industrial
Introduccioacuten 69
Tabla 19- Composicioacuten media de aceites y grasas (valores en )
ACEITE C8-C10 C12 C14 C16 C18 C181 C182 C183
Coco 15 48 18 8 2 6 2 -
Maiacutez - - - 12 2 28 57 1
Oliva - - 8 2 83 6 - -
Almendra
6 50 18 9 2 13 1 -
Soja - - 11 3 23 53 8 -
Sebo (vaca)
- - 6 29 19 44 2 -
Sebo (carnero)
- - 5 25 30 36 4 -
bull Tratamiento de Grasas y Aceites
Las grasas y los aceites utilizados en la fabricacioacuten del jaboacuten se
transportan en barcos camiones-tanques tambores metaacutelicos Al ser
recibidos en las faacutebricas o aacutereas de almacenamiento las grasas y aceites
solidificados se funden por calentamiento con serpentines de vapor
cerrados y se bombean a los tanques de almacenaje Estos tanques tienen
el fondo en forma coacutenica para la sedimentacioacuten del exceso de humedad y
de los materiales insolubles
El tratamiento de las materias primas despueacutes de la sedimentacioacuten
depende del jaboacuten que se intenta producir y del tiempo que estaacuten
almacenadas antes de la saponificacioacuten Pueden ser refinadas y
blanqueadas antes de bombearlas a la caldera del jaboacuten
70 Tesis Doctoral
Es muy importante al almacenar las grasas y aceites para la fabricacioacuten
del jaboacuten conservarlos tan secos como sea posible para evitar su
alteracioacuten por la hidroacutelisis Como resultado de la formacioacuten de aacutecidos
grasos libres durante la hidroacutelisis se oscurece el aceite
Una vez almacenado el sebo blanco se refina de nuevo y se blanquea antes
de ser saponificado El sebo de color se somete a cualquiera de los
diversos tratamientos descolorantes El aceite de coco se refina y blanquea
si ha de ser usado para obtener productos de alta calidad
Proceso de Refinado
La mayor parte de la materia prima se refina por medio de un aacutelcali
caacuteustico para mejorar la calidad Las heces es decir los residuos de dicho
proceso que se asientan en el fondo del tanque contienen algo de aceite
neutro Si la masa de residuos ha de ser convertida en aacutecidos grasos se
saponifica el aceite neutro y luego se hidroliza la masa para liberar los
aacutecidos grasos
Blanqueo
Terminada el proceso de Refinado la materia grasa se blanquea con una
tierra absorbente para producir un jaboacuten de ldquocalderardquo o de color blanco El
blanqueo puede hacerse en vasija abierta bajo presioacuten atmosfeacuterica o en
tanque cerrado a vaciacuteo Es mejor el meacutetodo al vaciacuteo porque quita el olor a
la materia grasa a la vez que la blanquea La materia grasa blanqueada se
filtra en prensas-filtros de placas y se almacenan para el posterior
suministro
Introduccioacuten 71
Hidrogenacioacuten
Las grasas blandas y los aceites marinos compuestos de gliceacuteridos con
elevado contenido de aacutecidos grasos insaturados pueden ser mejorados por
hidrogenacioacuten La hidrogenacioacuten elimina olores desagradables y endurece
la materia grasa
bull Fabricacioacuten de jaboacuten
La fabricacioacuten de jaboacuten puede hacerse por meacutetodo de tareas (intermitente)
o por meacutetodo continuo La eleccioacuten del procedimiento y de las materias
primas depende de la calidad que se quiera obtener de la instalacioacuten para
el manejo del tratamiento de las materias primas y de los medios para
producir el jaboacuten y recuperar la glicerina
La mayor parte de las faacutebricas de jaboacuten operan con el meacutetodo de Calderas
de plena coccioacuten (intermitente) utilizando materias grasas neutras Con
dicho procedimiento se produce un jaboacuten de alta calidad
Las principales objeciones que se oponen a los meacutetodos continuos de
fabricacioacuten de jabones son
1) No proporcionan la flexibilidad de operacioacuten que es
posible obtener con la caldera
2) Estaacuten muy mecanizados y requieren operarios
especializados
72 Tesis Doctoral
3) No permiten cambiar de una foacutermula a otra sin rehacer
cantidades sustanciales de jaboacuten
4) Consumen mucho tiempo en poner en movimiento y en
para las unidades
Fabricacioacuten intermitente con materias grasas neutras
Meacutetodo de la coccioacuten total Dicho meacutetodo consta de varias etapas
u operaciones mediante las cuales se efectuacutea la saponificacioacuten de las
materias grasas la precipitacioacuten del jaboacuten en la lejiacutea (o fase acuosa) de
jaboacuten concentrada la separacioacuten de la glicerina y las materias coloreadas
de la masa jabonosa por el lavado y la coccioacuten de acabado al objeto de
dar el punto a la masa de manera que mediante reposo forme un jaboacuten
limpio
La saponificacioacuten de la materia grasa debe hacerse con cierta rapidez
aunque regulada La reaccioacuten es exoteacutermica y se realiza en la interfase
aceite - agua Al mezclarse el aceiteagua con el aacutelcali caacuteustico se
produce el primer jaboacuten el cual emulsiona el aceite sin saponificar y
expone asiacute grandes superficies de eacuteste a la accioacuten de la sosa caacuteustica La
saponificacioacuten avanza raacutepidamente cuando se ha formado cantidad de
jaboacuten suficiente para emulsionar todo el aceite
Los aacutecidos grasos libres contenidos en el aceite inician la reaccioacuten antes
que los gliceacuteridos ya que obran por simple neutralizacioacuten El jaboacuten asiacute
formado es el agente emulsionante necesario para iniciar la saponificacioacuten
del aceite neutro
Introduccioacuten 73
En este proceso suele agregarse la materia grasa al jaboacuten sucio la cual
procede de un proceso anterior El contenido de jaboacuten de este jaboacuten sucio
basta para promover la raacutepida emulsioacuten y saponificacioacuten de la nueva
carga Si los aceites o grasas muy refinados que contienen poca cantidad
de aacutecidos grasos libres o carecen de ellos se echan en una caldera limpia
es difiacutecil iniciar la saponificacioacuten A veces se agrega una pequentildea
cantidad de jaboacuten para facilitar la saponificacioacuten
Durante la saponificacioacuten se antildeade NaCl a la caldera para producir
grumos o graacutenulos Como la sal es electrolito reduce la solubilidad del
jaboacuten en la fase acuosa por lo que el jaboacuten se separa de la disolucioacuten
Esta precipitacioacuten del jaboacuten se llama saladura o graneado del jaboacuten
Manteniendo un grano blando en el jaboacuten durante la saponificacioacuten se
evita el espesamiento de la masa con formacioacuten de noacutedulos duros los
cuales ocluyen grasas sin saponificar dificultando la produccioacuten de un
jaboacuten de buena calidad
En la caldera existen diversas formas fiacutesicas de jaboacuten
Jaboacuten granulado es un jaboacuten grumoso precipitado de la fase acuosa por
saladura o por la adicioacuten de sosa caacuteustica El jaboacuten con foacutermula de
produccioacuten distinta requiere de disoluciones de electrolitos de distinta
fuerza ioacutenica para originar el mismo tipo de grano
Jaboacuten limpio es el producto acabado de la caldera de jaboacuten Contiene un
63 de total de aacutecidos grasos y cantidades pequentildeas de Na2O libre NaCl
y glicerina El total de aacutecidos grasos es tambieacuten influido por el tipo de
acabado y la duracioacuten de la sedimentacioacuten despueacutes del acabado
74 Tesis Doctoral
Jaboacuten gomoso es una disolucioacuten viscosa de jaboacuten que se forma si el
contenido de electrolito en la fase acuosa o lejiacutea es inferior a cierto nivel
Este jaboacuten es difiacutecil de manejar por su alta viscosidad
Jaboacuten sucio (o jaboacuten negro) es una solucioacuten de color oscuro que
contiene algo de jaboacuten y que cae goteando de la masa de jaboacuten despueacutes
del acabado Su color variacutea entre el gris y el negro seguacuten las impurezas
que se sedimenten de la masa de jaboacuten mientras eacutesta permanece en el
estado de grano blando propio del acabado Generalmente el jaboacuten sucio
se une a la carga de una coccioacuten subsiguiente para obtener un jaboacuten de
calidad igual o inferior
En la coccioacuten del jaboacuten la relacioacuten de fase acuosa es muy importante ya
que estaacute relacionada con la recuperacioacuten de la glicerina Dicha relacioacuten
se define como las libras de lejiacutea consumidas por libra de jaboacuten limpio de
63 de total de aacutecidos grasos A veces se denomina relacioacuten de lejiacutea a la
relacioacuten entre la lejiacutea gastada y la grasa saponificada Generalmente se
mantiene baja la relacioacuten para evitar el costo de evaporar gran cantidad de
agua de las lejiacuteas gliceacutericas y el manejo de cantidades grandes de sal
recuperada
Meacutetodo continuo con materias grasas neutras
En los uacuteltimos antildeos se han instalado en todo el mundo faacutebricas de jaboacuten
basadas en el proceso continuo Las fases baacutesicas de fabricacioacuten son
anaacutelogas a las operaciones que se realizan en el meacutetodo de caldera
Introduccioacuten 75
Se opera en contracorriente y el nuacutemero de lavados depende de la
cantidad de glicerina que ha de ser recuperada del jaboacuten Normalmente se
suelen utilizar dos meacutetodos
Meacutetodo de Sharples En este meacutetodo se usan centriacutefugas de gran velocidad
para separar la lejiacutea del jaboacuten
Meacutetodo Mon Savon Este meacutetodo se aplica a la manufactura continua de
jaboacuten pulido con materias grasas neutras
Fabricacioacuten de Jaboacuten con aacutecidos grasos
Los aacutecidos grasos se obtienen por hidroacutelisis de las grasas y aceites
naturales Los productos de la hidroacutelisis son aacutecidos grasos y agua que
contiene la glicerina Pueden utilizarse aacutecidos grasos destilados para la
fabricacioacuten de jaboacuten especial Los aacutecidos grasos sin destilar se emplean
para obtener jaboacuten de uso industrial
La neutralizacioacuten de los aacutecidos grasos para transformarlos en jaboacuten se
realiza con carbonato de sodio o hidroacutexido soacutedico pudiendo hacerse en
continuo o intermitentemente
Meacutetodo Continuo
Por la facilidad con que los aacutecidos grasos se combinan con la sosa
caacuteustica para formar jaboacuten se usa comuacutenmente el meacutetodo continuo de
saponificacioacuten Cantidades de aacutecidos grasos calientes y de disolucioacuten
caliente de hidroacutexido soacutedico exactamente proporcionadas se juntan en un
aparato mezclador de gran velocidad La concentracioacuten de la disolucioacuten
76 Tesis Doctoral
de soda caacuteustica es tal que el jaboacuten tendraacute el deseado contenido de
humedad La reaccioacuten se verifica raacutepidamente y el jaboacuten producido se
descarga en un tanque que es mantenido en agitacioacuten Se hecha en el
tanque cloruro soacutedico para producir jaboacuten limpio con el deseado
contenido de electrolito Se hacen ensayos analiacuteticos con el jaboacuten de este
tanque y se realizan los ajustes necesarios antes de bombear el jaboacuten
limpio a los tanques de elaboracioacuten
Meacutetodo Intermitente
Se utilizan las calderas ordinarias El carbonato soacutedico neutraliza el
grueso de la carga de aacutecidos grasos y con el hidroacutexido soacutedico se hace el
ajuste final pero tambieacuten puede hacerse la neutralizacioacuten entera con sosa
caacuteustica En la praacutectica se calienta en la caldera hasta ebullicioacuten la
disolucioacuten de carbonato soacutedico y se incorporan bombeaacutendoles
lentamente los aacutecidos grasos fundidos La neutralizacioacuten se verifica
inmediatamente con desprendimiento de gas carboacutenico Terminada la
reaccioacuten se ldquograneardquo el jaboacuten con hidroacutexido soacutedico o con cloruro soacutedico
y se deja sedimentar la fase acuosa Esta disolucioacuten se extrae por el fondo
de la caldera y se hace el acabado del jaboacuten como en el meacutetodo de la
caldera con materias grasas neutras
Introduccioacuten 77
23 - Consumo y aplicaciones
231 - Consumo y aplicaciones del LAS
El consumo mundial del LAS en el antildeo 200523 fue de 25 millones de
toneladas con una proyeccioacuten de consumo de cerca de 34 millones de
toneladas para el antildeo 201039 Estas cifras ponen de manifiesto que el
LAS40 es uno de los tensioactivos maacutes utilizado en el mercado mundial de
detergentes anioacutenicos justo despueacutes del jaboacuten
En cuanto al consumo total en Europa Occidental su produccioacuten registroacute
un valor de 360 Kilotoneladas (Kton) en el antildeo 200523
Desde el punto de vista de las aplicaciones el LAS es utilizado
principalmente en forma de sales soacutedicas y ocasionalmente potaacutesicas
amoacutenicas magneacutesicas o de trietilamina (TEA)
Principalmente se utiliza como detergente en productos de limpieza
(gt 8023) en formulaciones donde la cadena alquiacutelica posee un nuacutemero
de carbonos de entre 10 y 13 Es empleado en diversos tipos de
formulaciones de detergentes para lavado de ropas incluyendo polvos de
alta y baja densidad liacutequidos liacutequidos concentrados pastas y barras y su
uso estaacute relacionado con su elevada eficacia limpiadora Auacuten dentro del
sector de limpieza domeacutestica el LAS es utilizado en la formulacioacuten de
detergentes para el lavado manual de vajillas Ademaacutes El LAS se
encuentra en la formulacioacuten de detergentes del sector industrial e
39 Penteado J Seoud O Carvalho L Linear Alkylbenzene sulfonates chemistry
environmental impact and analysis Quiacutem Nova 29 1038-1046 2006 40 Berna J European Environmental Safety Legislation Handbook of detergents Marcel
D Dekker Inc New York USA p 318 2003
78 Tesis Doctoral
institucional (lavado de ropa y limpieza de superficies) como tambieacuten en
pesticidas agriacutecolas en procesos especiacuteficos de limpieza en la
preparacioacuten de emulsiones para fluidos lubrificantes en el procesamiento
de metal y en la flotacioacuten de minerales Es utilizado asimismo como
agente emulsionante en las reacciones de polimerizacioacuten en el sector
petroquiacutemico Alquilbencenos con maacutes de 14 carbonos son poco solubles
en agua debido a su hidrofobicidad aunque siacute son solubles en disolventes
orgaacutenicos Disoluciones en aceite mineral son usadas como lubricantes en
procesos industriales de corte y taladrado de metales En la Figura 123
se representa la distribucioacuten de las distintas aplicaciones del LAS23 en los
detergentes
Figura 123- Aplicaciones del tensioactivo LAS en detergentes
En cuanto a la seleccioacuten del tensioactivo o de los tensioactivos empleados
en una formulacioacuten comercial dependeraacute por parte de los fabricantes de
Introduccioacuten 79
la ponderacioacuten de sus costes y propiedades particulares de cada uno de los
tensioactivos disponibles con la finalidad de obtener costes maacutes bajos con
una adecuada propiedad de limpieza De modo que llevando en
consideracioacuten estos condicionantes el LAS estaacute considerado como agente
tensioactivo de primera opcioacuten dadas sus caracteriacutesticas
Entre sus ventajas41 se puede citar
bull Excelentes propiedades como tensioactivo
bull Buen comportamiento ambiental pues su biodegradabilidad tanto
primaria como final son elevadas es decir tanto el LAS como sus
metabolitos presentan una alta biodegradabilidad y muy baja
toxicidad
bull Compatibilidad con todo tipo de foacutermulas e ingredientes Puede
ser usado en la formulacioacuten de polvos concentrados y liacutequidos
para lavado de ropa lavavajillas
bull Versatilidad de uso en todo tipo de foacutermulas
bull Sinergismo con otros ingredientes habituales de las
formulaciones
bull Muy baja relacioacuten costerendimiento
41 Berna J y colaboradores LAB sulfonation Petresa Avda del Partenoacuten 12-15th floor
28042 Madrid 2001
80 Tesis Doctoral
bull Facilidad de procesado tanto en la sulfonacioacuten con cualquier
equipo o agente sulfonante como en la elaboracioacuten del producto
final en torres de atomizacioacuten o en procesos de aglomeracioacuten
bull Estabilidad del producto sulfonado y neutralizado sin alteracioacuten
del pH con el tiempo (no hidrolizable)
bull Faacutecilmente transportable manipulable y almacenable ya que su
forma aacutecida (HLAS) es quiacutemicamente estable lo que no ocurre
con otros tensioactivos
bull Compatibilidad con agentes tensioactivos para constitucioacuten de
sistemas activos mixtos
232 - Consumo y aplicaciones del jaboacuten
El jaboacuten es el tensioactivo anioacutenico maacutes consumido En 2005 su
produccioacuten se estima en torno a 10000 kton en 200542 En cuanto al
consumo en Europa occidental fue calculado un consumo 700 kton32
teniendo en cuenta que la produccioacuten total de tensioactivos es de 2800
kton32
42 COMITE EUROPEEN DES AGENTS DE SURFACE ET DE LEURS
INTERMEDIAIRES ORGANIQUES (CESIO) Cesio surfactants statistics 2005
Introduccioacuten 81
Figura 124- Consumo de tensioactivos en Europa Occidental en Kilotoneladas
En cuanto a sus aplicaciones aunque el jaboacuten es por lo general conocido
como agente de limpieza y la mayor parte del jaboacuten que se produce se
utiliza para eacuteste fin tiene otros importantes usos como emulsivo2
Limpieza y Lavanderiacutea Un elevado porcentaje del jaboacuten
sintetizado se destina a aseo y al lavado tanto domeacutestico como industrial
Textiles En la industria textil se emplea el jaboacuten en las
operaciones de lavado remojo enfurtido impermeabilizacioacuten
abrillantado y apresto
Alimentos En la elaboracioacuten de alimentos es imprescindible el
cumplimiento de las normas de higiene El jaboacuten se emplea para tener a
los operarios y sus ropas en buen estado de limpieza para limpiar el
equipo los locales en que se almacenan los alimentos y en muchos casos
para limpiar la superficie exterior de los productos sometidos a
elaboracioacuten El jaboacuten se usa para lavar las frutas y legumbres con objeto
0
200
400600
800
1000
1200
14001600
1800
Anioacutenicos No ioacutenicos Catioacutenicos Anfoteacutericos
Jaboacuten Total
82 Tesis Doctoral
de eliminar los posibles restos de insecticidas la suciedad y materias
extrantildeas de origen orgaacutenico
Jabones Sanitarios Los jabones potaacutesicos son utilizados en la
limpieza de hoteles faacutebricas restaurantes tiendas y edificios de oficinas
Se utilizan tambieacuten jabones liacutequidos para las manos en los cuartos de
aseo se obtienen a partir de aceite de coco Los jabones para el fregado de
los suelos se fabrican con aceites de maiacutez o de soja
Jabones Medicinales Se fabrican muchos jabones con
ingredientes medicinales para destruir bacterias y hongos o para producir
efectos especiales en la piel Tales ingredientes son fenoles aacutecidos
cresiacutelicos compuestos de mercurio azufre G 11 [bis(2 hidroxi 356 tri-
cloro- fenilo)] y clorofila Algunos jabones medicinales son usados por los
cirujanos en la preparacioacuten de operaciones quiruacutergicas
Caucho Sinteacutetico Se utiliza para emulsionar los ingredientes en
agua Se polimeriza la emulsioacuten hasta formar un laacutetex liacutequido artificial
que se coagula y se somete a proceso para la transformacioacuten en caucho
Pinturas El jaboacuten es un importante ingrediente en las pinturas ya
que se emplean con cierta extensioacuten en la elaboracioacuten de pigmentos
Plaacutesticos Se ha tenido buen eacutexito en la polimerizacioacuten de
emulsiones gracias al empleo del jaboacuten El producto es una dispersioacuten en
agua
Introduccioacuten 83
Papel Se utiliza como detergente emulsivo y lubricante Su
funcioacuten maacutes importante es la emulsiva y se utiliza en la fabricacioacuten de
aprestos acabados y revestimientos
Produccioacuten de petroacuteleo El jaboacuten se usa en lodos de perforacioacuten
para aumentar la produccioacuten de petroacuteleo de los pozos debido a su
propiedad de formar espuma tambieacuten se utiliza en la recuperacioacuten de
petroacuteleo residual de los pozos y en la recuperacioacuten del petroacuteleo del cieno
Agricultura Se utiliza en la fabricacioacuten de insecticidas y para
evitar las infecciones en el ganado
Cosmeacuteticos En la manufactura de los cosmeacuteticos el jaboacuten es por
su poder emulsivo ingrediente importante en casi todas las foacutermulas La
mayor parte de los jabones empleados se forman ldquoin siturdquo durante la
mezcla de la fase acuosa y la oleosa
24 - Comportamiento ambiental del jaboacuten y del LAS
241 - Biodegradabilidad del LAS
El origen del LAS radica en requisitos de tipo ambiental ya que su siacutentesis
nace de la necesidad de encontrar un sustitutivo al sulfonato de
alquibenceno ramificado (BABS) El BABS es una sustancia que presenta
en su estructura una zona lipofiacutelica formada por cadenas ramificadas que
impide que los microorganismos encargados de degradar la materia
orgaacutenica pudieran actuar sobre eacutel Esto provoca la existencia de problemas
de acumulacioacuten de espumas que ademaacutes del impacto visual que genera
impediacutea el adecuado intercambio de oxiacutegeno entre la atmoacutesfera y el medio
84 Tesis Doctoral
acuaacutetico producieacutendose por tanto un empobrecimiento en el nivel de
oxiacutegeno y la consecuente muerte de diversas especies Este fenoacutemeno se
puso de manifiesto a principios de la deacutecada de los 60 en el riacuteo Necker
(Alemania) con concentraciones del orden de 07 mgmiddotL-1 de tensioactivos
anioacutenicos
Otro problema antildeadido es la acumulacioacuten de espumas en las plantas
depuradoras que provoca la muerte de los microorganismos que actuacutea en
los lodos activados bajo condiciones aerobias y de este modo
disminuyese considerablemente la eficiencia de degradacioacuten de dichas
plantas
La solucioacuten teacutecnica al problema de las espumas llegoacute en la deacutecada de los
60 con la sustitucioacuten de los BABS por el LAS lo que praacutecticamente hizo
desaparecer las espumas debidas a esta causa El LAS con su cadena
alquiacutelica lineal es faacutecilmente accesible a este tipo de microorganismos y
por tanto es faacutecilmente biodegradable
Figura 125- Formacioacuten de espuma antes de la siacutentesis del LAS y despueacutes
Introduccioacuten 85
bull Biodegradacioacuten aeroacutebica en medio acuoso
La primera descripcioacuten detallada de la degradacioacuten aeroacutebica del LAS fue
realizada por Swisher18 y Schoumlberl43 La mayoriacutea de los estudios
realizados en laboratorio indican que el proceso de biodegradacioacuten se
inicia con la oxigenacioacuten de un grupo metilo terminal de la cadena
alquiacutelica y la conversioacuten del alcohol a un grupo carboxiacutelico (ω-
oxidacioacuten) originando los sulfofenil carboxilatos (SPCs del ingleacutes Sulfo
Phenyl Carboxylic Acids) como intermediarios de biodegradacioacuten
(degradacioacuten primaria) Estos compuestos intermedios poseen una
toxicidad mucho menor que la moleacutecula madre44 ademaacutes de que no tienen
propiedades detersivas La tasa de degradacioacuten de los componentes
individuales de una mezcla comercial del LAS (homoacutelogos e isoacutemeros)
dependeraacute de su estructura molecular ya que a) la longitud de la cadena
alquiacutelica estaacute directamente relacionada con la tasa de degradacioacuten
primaria (a mayor longitud maacutes raacutepido se degrada) b) los fenilo-isoacutemeros
localizados en las posiciones centrales son degradados maacutes lentamente
que los isoacutemeros situados en las extremidades4546
Ambos efectos son una consecuencia directa del ataque enzimaacutetico a la
cadena alquiacutelica de la moleacutecula del LAS La relacioacuten entre la estructura
molecular del tensioactivo y su biodegradacioacuten es conocida y llamada
como ldquoPrincipio de la distancia de Swisher18rdquo de forma que de un modo
general se puede decir que la velocidad de degradacioacuten aumenta cuando
43 Schoumlberl P Basic principles of LAS biodegradation Tenside Surf Det 26 86-94 1989 44 Kimberle RA Acuatic and terrestrial ecotoxicology of LAS Tenside Surf Det 26
169-176 1989 45 Setzkorn EA Huddleston RL Allred RC An evaluation of the river die-away
technique for studying detergent biodegradation J Am Oil Chem Soc 41 826-830 1964
46 Swisher RD Biodegradations of ABS in relation to chemical structure J Water Poll Control Fed 351557-1564 1963
86 Tesis Doctoral
se incrementa la distancia del grupo metilo terminal al lugar donde se
acopla el grupo sulfofenilo o cuando se incrementa la longitud de la
cadena alquiacutelica (por ejemplo el isoacutemero 2 C12-LAS se degrada maacutes
raacutepidamente que el 6 C12-LAS y eacuteste a su vez maacutes raacutepidamente que el
6 C11-LAS)
Subsecuentemente a la ω-oxidacioacuten ocurren sucesivas etapas de
oxidacioacuten que van promoviendo la fragmentacioacuten de la cadena alquiacutelica
eliminando 2 carbonos a la vez llamadas de β-oxidacioacuten47 hasta que esta
cadena se quede muy corta Con el resultado de un SPC de cadena muy
corta puede ocurrir la ruptura del anillo benceacutenico siendo eacutesta
considerada la etapa limitante de todo el proceso de degradacioacuten El
mecanismo maacutes aceptado responsable de esta ruptura es la formacioacuten del
4-sulfocatecol48 ya que muchos microorganismos que degradan el LAS
presentan altos niveles de la enzima 4-sulfocatecol 12 dioxigenasa49
Aunque la β-oxidacioacuten es la principal viacutea de destruccioacuten de la cadena
alquiacutelica del LAS tambieacuten puede ocurrir la eliminacioacuten de carbonos a
traveacutes de la α-oxidacioacuten pero esta posibilidad ocurre en menor grado
Esta ruta alternativa fue postulada para intentar explicar el hallazgo del
47 Huddleston RL Allred RC Microbial oxidation of sulfonated alkylbenzenes Dev
Ind Microbial 4 24-38 1963 48 Schulz S Dong W Groth U Cook AM Enantiomeric degradation of 2-(4-
sulfophenyl)butyrate via 4-sulfocatechol in Delfia acidovorans SPB 1 Appl EnvironMicrobiol 66 1905-1910 2000
49 Dong W Radajewski S Eichhorn P Denger K Knepper TP Murrell JC Cook AM Parvibaculum lavamentivorans converts linear alkylbenzenesulphonate surfactant to sulphophenylcarboxylatesα β-unsaturated sulphophenylcarboxylates and sulphophenyldicarboxylates which are degraded in communities Appl Environ Microbiol 96 630-640 2004
Introduccioacuten 87
C5-SPC como producto de degradacioacuten del C12-LAS50 y la deteccioacuten de
una amplia variedad de SPCs tanto con cadena alquiacutelica con nuacutemero de
carbonos impares y pares como intermediarios durante la degradacioacuten del
C11-LAS51
La biodegradacioacuten completa del LAS concluye con la desulfonacioacuten de la
moleacutecula con total mineralizacioacuten del compuesto en CO2 H2O Na2SO4 y
la incorporacioacuten de estas sustancias a la biomasa del ecosistema5253
(degradacioacuten uacuteltima)
Una de las primeras evidencias que demostroacute que el LAS se biodegradaba
para dar CO2 fue una simulacioacuten llevada a cabo en el laboratorio la cual
consistioacute en dopar el anillo aromaacutetico del LAS con 14C como
radioisoacutetopo54 El seguimiento ambiental del carbono isotoacutepico permitioacute
demostrar la total degradacioacuten del LAS
La biodegradacioacuten primaria del LAS medida por MBAS (del ingleacutes
Methylene Blue Active Substance) o por meacutetodos analiacuteticos especiacuteficos
como HPLC (del ingleacutes High Performance Liquid Chromatographic) en
50 Baggi G Catelani D Colombi A Galli E Treccani V The microbial degradation of
phenylalkanes 1- and 2-phenyldodecane 2- and 3- phenyldodecane-p-sulfonates Ann Microbiol Enzimol 24 317-323 1974
51 Eggert CR Kaley RG Gledhill WE Application of a laboratory freshwater lake model in the study of LAS biodegradation in Proc of the Workshop Microbial Degradation of Polluants in Marine Environments Bourquin AW Eds Pritchard PH US EPA Report 6009-79-012 Bourquin USA pp 451-461 1979
52 Heinze JE Britton LN Anaerobic Degradation Environmental Relevance 3ordm World Conference on Detergent A Cahn AOCS Champaign USA pp 235-239 1994
53 Karsaand DM Porter MRltBiodegradability of surfactants Blackie Academic amp Professional Chapman amp Hall London UK 1995
54 Nielsen AM Huddleston RL Ultimate biodegradation of LAS and ring carbon Developments in Industrial Microbiology V22 Society for Industrial Microbiology 1981
88 Tesis Doctoral
cualquiera de los meacutetodos OECD es mayor del 8055 Del mismo modo
la degradacioacuten ultima del LAS medida por COD (carbono orgaacutenico
disuelto) estaacute comprendida usando lodos activados en un intervalo de
80-95 para el test OECD 3003 A y en un intervalo de 95-98 para el
test OECD 302
Para el test OECD 3003 A se hicieron estudios de la influencia de la
temperatura en la biodegradacioacuten (entre 9-25 ordmC)56 comprobaacutendose que el
tiempo de aclimatacioacuten de los microorganismos variacutea en funcioacuten de la
temperatura siendo maacutes alto a temperaturas maacutes bajas sin embargo el
porcentaje de biodegradacioacuten se mantuvo (gt 95) para todas las
temperaturas ensayadas5758
Considerando la baja toxicidad y la poca persistencia en el medio de los
intermedios de degradacioacuten del LAS los SPCs59 desde un punto de vista
meramente ambiental tiene maacutes sentido el estudio de los paraacutemetros de la
biodegradacioacuten primaria dando una importancia maacutes relativa a resultados
obtenidos por la degradacioacuten uacuteltima Teniendo en cuanta esta premisa se
llevaron a cabo varios estudios para la determinacioacuten de la cineacutetica de
degradacioacuten del LAS y el posterior caacutelculo de la vida media(t05) de su
degradacioacuten primaria En dichos estudios se aplicaron innovadoras
55 EU commission Study on the possible problems for the acuatic environment related to
surfactants in detergents WRc EC 4294 February 1997 56 Prats D y colaboradores The effect of the temperature in the aerobic biodegradation of
anionic and nonionic surfactants 10thGiornate CID Milano 2003 57 Prats D Loacutepez C Vallejo D Varoacute P Leoacuten VM Effect of the temperatura on the
biodegradation of LAS and alcohol ethoxylates Journal of Surfactants and Detergents (9)1 69-75 2006
58 Leoacuten VM Loacutepez C Lara-Martiacuten PA Prats D Varoacute P Gonzaacutelez-Mazo E Removal of LAS and their degradation intermediates at low temperatures during activate sludge treatment Chemosphere 64 1157-1166 2006
59 Kimberle RA Swisher RD Reduction of acuatic toxicity of LAS by biodegradation Water Res 1131 1977
Introduccioacuten 89
teacutecnicas como por ejemplo el estudio de la evolucioacuten de radioisoacutetopos
(14CO2) mediante LSC (del ingleacutes Liquid Scintillation Counting) y
siguiendo la biodegradacioacuten por una Radio Cromatografiacutea en Capa
Fina60 En estos estudios usando agua como medio se obtuvieron un
tiempo de vida medio para la biodegradacioacuten primaria de 12 horas
(t05=12h)61 Estos resultados son entre 10-15 veces menor al observado en
test donde el medio utilizado es lodo activado
Los estudios de campo llevados a cabo en algunos riacuteos bajo condiciones
ambientales reales mostraron un t05 de entre 1-3 horas indicando que las
cineacuteticas de degradacioacuten eran maacutes raacutepidas que aqueacutellas desarrolladas en el
laboratorio6263 Esta disparidad de resultados se debe a las condiciones
maacutes favorables del medio las cuales son muy difiacuteciles de reproducir en el
laboratorio
Por tanto y en resumen para los posteriores estudios de evaluacioacuten de
riesgos ambiental23 se tomaron como valores verdaderos aqueacutellos
obtenidos bajo condiciones ambientales reales
60 Federle TW Schwab BS Comprehensive approach for assessing the kinetics of
primary and ultimate biodegradation of chemicals in activates sludge application on LAS Environ Sci Technol 31 1178-1184 1997
61 Itrich NR Ferderle TW Primary and ultiacutemate biodegrdation of anionic surfactants under realistic discharge conditions in river water SETAC Meeting Vancouver Canada 1995
62 Schroumlder FR Concentrations of anionic surfactants in receiving river-Pine water Tenside Surf Det 32 492-497 1995
63 Fox KK Holt MS Daniel M Buckland H Guymer I Removal of LAS from a small Yorkshire stream Contribution to GREAT-ER project Sci Total Environ 251252 265-275 2000
90 Tesis Doctoral
Figura 126- Proceso de biodegradacioacuten aeroacutebico del LAS donde se puede observar una posible ruta de degradacioacuten Para que esto ocurra es necesario distintas etapas yo reacciones como (I) ω-oxidacioacuten (II) β-oxidacioacuten (III) remocioacuten de la cadena alquiacutelica con dioxigenacioacuten formando el 4-sulfocatecol(IV) apertura del anillo benceacutenico (V) desulfonacioacuten
bull Biodegradacioacuten bajo condiciones anaeroacutebicas
Se realizaron test de biodegradacioacuten anaerobia6465 en los cuales se midioacute
la degradacioacuten uacuteltima mediante la determinacioacuten de gas generado (CH4)
despueacutes de dos meses de incubacioacuten Los resultados mostraron que el LAS
64 ECETOC Special report No 28 Evaluation of anaerobic biodegradation ECETOC
Brussels 1994 65 ERASM Anaerobic biodegradation Review of scientific information AISECESIO
Brussels 2007
Introduccioacuten 91
no sufriacutea degradacioacuten significativa bajo las condiciones del ensayo6667
Sin embargo en condiciones de oxiacutegeno limitadas como ocurre en el
mundo real la biodegradacioacuten del LAS puede iniciarse y despueacutes
continuar bajo condiciones anaerobias68 De hecho una poca cantidad de
inoculo es capaz de metabolizar el LAS bajo condiciones anaeroacutebicas
particulares por ejemplo aqueacutellas en las que el LAS es la uacutenica fuente de
azufre69 En cualquier caso la biodegradacioacuten bajo estrictas condiciones
anaeroacutebicas tiene de manera directa poca relevancia ecoloacutegica70
Del mismo modo se llevaron a cabo estudios71 que demostraron que a
pesar de las altas concentraciones de LAS (30 gmiddotKg-1) encontradas en
ciertos compartimentos ambientales anaeroacutebicos (lodos de digestores
anaeroacutebicos de una depuradora de agua residual) no existiacutea ninguacuten riesgo
para la poblacioacuten bacteriana alojada dentro del digestor
bull Biodegradacioacuten en suelo
Existen en la literatura varias referencias de medidas tanto en el
laboratorio como estudios de campo de suelos enmendados con
66 Gejlsbjerg B Andersen TT Madsen T Mineralization of organic contaminants under
aerobic and anaerobic conditions in sludge-soil mixtures J Soils and Sediments 430-36 2004
67 Garciacutea MT Campos E Ribosa I Latorre A Saacutenchez-Leal Anaerobic digestioacuten of LAS biodegradation kinetics and metabolite analysis Chemosphere 60 1636- 1643 2003
68 Leoacuten VM Gonzaacutelez-Mazo E Forja Pajares JM Vertical distribution profiles of LAS and their long-chain intermediate degradation products in coastal marine sediments Environ Tox Chem 20 2171- 2178 2001
69 Denger K Cook AM LAS bioavailable to anaerobic bacteria as a source of sulphur J Appl Microbiol 86 165-168 1999
70 SCHER (Scientific committee on Health and Environmental Risk) Opinion on ldquoEnvironmental risk assessment of non biodegradable detergent surfactants under anaerobic conditionrdquo European Commission Directorate C7 251105 2005
71 Berna JL Ferrer J Moreno A Prats D Ruiacutez Bevia F The fate of LAS in the environment Tenside Surf Det 26101-107 1989
92 Tesis Doctoral
lodos727374 Estas investigaciones consistieron en aplicar una cantidad de
lodos de EDAR con contenido en LAS a parcelas agriacutecolas En todos
estos estudios los tiempos de vida medio calculados para la degradacioacuten
uacuteltima y en estudios de campo estaban comprendidos entre 3-33 diacuteas
En cuanto a los ensayos de laboratorio los cuales fueron obtenidos
mediante el seguimiento con 14C de mezclas de lodo y soacutelido dopado con
LAS los resultaron arrojaron tiempos de vida media para degradacioacuten
uacuteltima de entre 26 y 26 diacuteas757677
Sin embargo por los motivos expuestos anteriormente el estudio del
tiempo de vida medio para la biodegradacioacuten primaria tiene mayor
relevancia ambiental que el medido para la biodegradacioacuten uacuteltima Estos
estudios los que miden el tiempo de vida media de la degradacioacuten
primaria dieron como resultados en estudios de laboratorio t05 de entre
1-3 diacuteas78 En cuanto a los ensayos de campo estos dieron resultados de
tiempos de vida media de entre 3 y 7 diacuteas79
72 Cavalli L Valtorta L Surfactants in sludge-amended soil Tenside Surf Det 36 22-28 1999
73 De Wolf W Feijtel TCJ Terrestrial risk assessment for LAS in sludge amended-soils Chemosphere 36 1319-1343 1998
74 Jensen J Fate and effects of LAS in the terrestrial environment Sci Tot Environ 226 93-111 1999
75 Figge K Schoumlberl P LAS and the application of sewage sludge in agriculture Tenside Surf Det 26 122-128 1989
76 Gejlsjerg B Klinge C Madsen T Mineralization of organic contaminants in sludge-soil mixtures Environ Toxic Chem 20 698-705 2001
77 Gejlsjerg B Madsen T Andersen TT Comparison of biodegradation of surfactants in soils and sludge-amended mixtures by use of 14C-labelled compounds and automated respirometry Chemosphere 50 321- 331 2003
78 Elsgaard L Pojana G Miraval T Eriksen J Marcomini A Biodegradation of LAS in sulfate-leached soils mesocosms Chemosphere 50 929-937 2003
79 Kuumlchler T Schaank W Behaviour of LAS in sandy soils with low amounts of organic matter Chemosphere 35 153-167 1997
Introduccioacuten 93
bull Degradacioacuten de hidroacutelisis y fotolisis
El LAS sufre tanto reacciones de hidroacutelisis80 como de fotoacutelisis81 sin
embargo ambos fenoacutemenos tienen poca relevancia ambiental
En la Tabla 110 se resumen las principales propiedades de degradacioacuten
del LAS
80 Cross J Anionic surfactans Chemical analysis M Dekker (ed) V8 111-115 1977 81 Venhuls SA Mehrvar M Photolytic treatment of aqueous LAS J Environ Sci
Health 40 1731-1739 2005
94 Tesis Doctoral
Tabla 110- Propiedades de degradacioacuten del LAS
LAS PROTOCOLO RESULTADOS
ldquoScreeningrdquo OECD 301 D OECD 303 A
gt 99 (degradacioacuten primaria)
Test de prueba OECD 301 A B D E F
ISO 14931999
gt 70 (COD) gt 60 (evolucioacuten CO2)
Test inherente OECD 302 A B 95-98 (COD)
Test de simulacioacuten OECD 303 A 80-95 (COD)
Rango de biodegradacioacuten en
lodos activados
t05=06-07 h (bio pri) t05=13-14 h (bio ult)
Rango de biodegradacioacuten en agua
de riacuteo
Monitorizacioacuten de riacuteos
t05=12 h (bio pri) t05=18 h (bio ult) t05=1-3 h (bio pri)
Biodegradacioacuten anaeroacutebica
ECETOC Estudio de
investigacioacuten
0 (Bio ult) 5-44 (bio pri)
Rango de biodegradacioacuten en
suelo
Estudio de campo Estudio de laboratorio
t05=1-7 diacuteas (bio pri) t05=2-26 diacuteas (bio ult)
Hidroacutelisis Estudio de investigacioacuten
Descomposicioacuten 60-70 en presencia de aacutecidos inorgaacutenicos a
150- 200ordmC
Fotoacutelisis Estudio de investigacioacuten
Degradacioacuten 80-95 bajo laacutempara de
mercurio (200 nm-450 nm)
Introduccioacuten 95
242 - Eliminacioacuten del LAS
bull Sistema de alcantarillado
El LAS se degrada en torno al 688283 en los sistemas de alcantarillado
eso es debido a la combinacioacuten de una serie de fenoacutemenos adsorcioacuten
precipitacioacuten y biodegradacioacuten Los ensayos realizados en campo
demostraron que los tensioactivos se degradan en mayor o menor
proporcioacuten dependiendo de la longitud del sistema de alcantarillado del
tiempo de residencia y de la poblacioacuten bacteriana84
bull Estaciones EDAR
Existe un gran nuacutemero de referencias8586 que prueban que la eliminacioacuten
del LAS en presencia de lodos activados de EDAR estaacute comprendido
entre el 98 y el 999 Un hecho importante que hizo aumentar la
eficacia de la eliminacioacuten fue cuando se instalaron los reactores de
membrana bioloacutegica en las plantas depuradores los cuales hasta
entonces eran inviables debido a su alto coste87
82 Moreno A Ferrer J Berna JL Biodegradability of LAS in a sewer system Tenside
Surf Det 27 312-315 1990 83 Matthijs E Holt MS Kiewiet A Rijs GB Environmental monitoring for LAS AE
AES AS and soap Environ Toxicol Chem 18 2634-2644 1999 84 Matthijs E Debaere G Itrich N Masscheleyn P Rottiers A Stalmans M The fate of
detergents surfactants in sewer systems Wat Sci Tech 31 321-328 1995 85 Painter HA Zabet T Review of the environmental safety of LAS WRc Report UK
1989 86 Waters J Feijtel TCJ AISECESIO environmental surfactant monitoring programme
outcome of five national pilot studies on LAS Chemosphere 30 1939-1956 1995 87 Terzic S Matosic M Ahel M Mijatovic I Elimination of aromatic surfactants from
municipial wastewaters comparison of conventional activated sludge treatment and membrane biological reactor Water Science and Technology 51 447-453 2005
96 Tesis Doctoral
Haciendo una balance de masas podemos constatar que el LAS se degrada
en un intervalo comprendido entre el 73 y el 83 un porcentaje (15-
20) se queda absorbido en el lodo y tan solo un 2 es liberado al
agua87 (Figura 127)
Figura 127- Eficiencia del proceso de eliminacioacuten del LAS en una planta depuradora
243 - Estudios de monitorizacioacuten
bull Agua superficial
Se han llevado a cabo estudios de monitorizacioacuten en agua residuales en
diferentes paiacuteses de la Unioacuten Europea (Alemania Espantildea Italia Holanda
y Reino Unido) En los mismos usando el mismo protocolo y basaacutendose
Introduccioacuten 97
en estudios previos88 se obtuvieron un amplio rango de resultados que ha
permitido establecer un mapa actual del contenido de LAS en los efluentes
de depuradoras asiacute como su posterior comportamiento cuando son
aportados a las cuencas fluviales de los riacuteos89909192
De este modo nos podemos encontrar concentraciones de LAS entre 1-15
mgmiddotL-1 7784 en la entrada de las depuradoras y de 8 a 200 microgmiddotL-1 en la
salida de las mismas depuradoras con una media aritmeacutetica sobre 46
datos de 428 microgmiddotL-1 7784 Si tenemos en cuenta el tiempo de vida media
calculado de 3 h la concentracioacuten media de LAS disminuiriacutea a lt 2microgmiddotL-1
en un soacutelo diacutea
La proporcioacuten de cada uno de los homoacutelogos del LAS encontrado difiere
bastante con el comercial ya que su composicioacuten variacutea de manera
significativa C10C11C12C13=4530232 con una media de carbono de 108
frente al 116 comercial Esto es debido a dos procesos a) la
biodegradacioacuten en agua es mayor para los homoacutelogos de mayor cadena y
b) la adsorcioacuten en sedimentos y en soacutelidos en suspensioacuten es menor para
homoacutelogos de cadena corta82839394
88 Cavalli L Gellera A Landone A LAS removal and biodegradation in wastewater
treatment plant Environ Toxic Chem 12 1777-1788 1993 89 Di Corcia A Samperi R Belloni A Marcomini A Zanette M Lemr K Cavalli L
Riv it Sostanze Grasse LXXI 467-475 1994 90 Feijtel TCJ Matthijs E Rottiers A Rijs GBJ Kiewiet A de Nijs A AISCESIO
environmental surfactant monitoring programme Part 1 LAS monitoring study in ldquode Meerrdquo STP and receiving river ldquoLeidsche Rijnrdquo Chemosphere 30 1053-1066 1995
91 Holt MS Water J Comber MHI Armitage M Morris G Newbery C AISCESIO environmental surfactant monitoring programme SDIA sewage treatment pilot study on LAS Wat Res 29 2063-2070 1995
92 Saacutenchez-Leal J Garciacutea MT Tomaacutes R Ferrer J Bengoechea C Tenside Surf Det 31 253-256 1994
93 Prats D Vazquez B Zarzo D Berna JL Moreno A LAS homologue distribution shift during waste water treatment and composing Environ Tox Chem 12 1599- 1608 1993
98 Tesis Doctoral
De la misma forma en otro estudio de impacto ambiental realizado en el
marco del proyecto GREAT-ER (del ingleacutes Geography-Referenced
Exposure Assessment Toll for European Rivers) se monitorizaron
durante dos antildeos varias depuradoras del Reino Unido y varios riacuteos
analizaacutendose miles de muestras Los resultados dieron medidas de LAS en
los efluentes de depuradora de entre 7 y 273 microgmiddotL-1 Merece la pena
destacar que para aquellas depuradoras con tratamiento terciario adicional
se encontraron concentraciones por debajo de 50 microgmiddotL-1
Finalmente cabe resaltar el estudio realizado por Temmink y
colaboradores95 en el cual se monitorizoacute el comportamiento del homoacutelogo
C12 en una planta depurada a traveacutes del disentildeo de una planta piloto a
escala Para la obtencioacuten de resultados con relevancia ambiental se
establecieron condiciones semejantes a las ambientales El resultado del
estudio arrojoacute que el porcentaje de biodegradacioacuten era mayor del 99
bull Agua subterraacutenea
Actualmente no existen estudios de monitorizacioacuten especiacuteficos para
aguas subterraacuteneas en la Unioacuten Europea Sin embargo en Estados Unidos
se estudioacute el comportamiento del LAS en aguas subterraacuteneas96 En todas
muestras analizadas los contenidos fueron eran inferiores al liacutemite de
deteccioacuten En un estudio posterior tambieacuten en Estados Unidos utilizando
94 Tabor CF Barber LB Fate of LAS in the Mississipi river Environ Sci Technol 30
161-171 1996 95 Temmink H Klapwijk B Fate of LAS in activated sludge plants Water Res 38 903-
912 2000 96 Larson RJ Federle TW Shimp RJ Venturello RM Behaviour of LAS in soil
infiltration and groundwaters Tenside Surf Det 26 116-121 1989
Introduccioacuten 99
teacutecnicas analiacuteticas maacutes sensibles97 y despueacutes de aplicar cantidades
elevadas de LAS en la superficie se pudieron detectar cantidades de LAS
de hasta 3 microgmiddotL-1
bull Lodos de EDAR
Existen numerosos artiacuteculos que hacen referencia al anaacutelisis del LAS en
lodos EDAR9899100101 La concentracioacuten media encontrada para lodos
aeroacutebicos en estos estudios estaacute siempre por debajo de 05 gmiddotKg-1 de lodo
Sin embargo para lodos anaerobios se llegaron a detectar
concentraciones mucho mayores de gt 1grmiddotKg-1 hasta 30 gmiddotKg-1 Estas
altas concentraciones son debidas a la tendencias que tiene todo
tensioactivo anioacutenico y en concreto el LAS a precipitar en presencia de
aguas duras
Teniendo en cuenta todos los resultados obtenidos desde 1988 hasta 2006
(155 datos) se calculoacute a nivel de la Unioacuten Europea una media de 556
gmiddotKg-1 de LAS en lodos anaerobios donde el valor maacutes alto fue el
encontrado en Espantildea65 (30 gmiddotKg-1)
97 Field JA Barber LB Thurman EM Moore LB Lawrence DL Peage DA Fate
of alkylbenzene sulphonates and diakyltetralin sulphonates in sewage-contaminated groundwaters Environ Sci Technol 26 1140-1146 1992
98 Fraunhofer Anaerobic degradation of detergent surfactans Final report for the European Commission 308pp Fraunhofer-Institute fuumlr Umwelt Oberhausen Germany 2003
99 Jensen J Jepsen SE The production use and qualify of sewage in Denmark Waste management 25 239-247 2005
100 Leschber R Evaluation of micro-pollutans in sewage sludge Provisional report Eds BM Gawlik Bidoglio G European Commission DG JRC Ispra 2004
101 Schowanek D David H Francaviglia R Hall J Kirchmann H Krogh PH Smith S Schraepen N Probabilistic risk assessment for LAS in sewage sludge used on agriculture soil 2001
100 Tesis Doctoral
Al igual que ocurre en agua la proporcioacuten de cada uno de los homoacutelogos
del LAS difiere con respecto al comercial ya que como se mencionoacute con
anterioridad los homoacutelogos de mayor cadena tienen mayor tendencia a
adsorberse que los de menor longitud dando lugar a un composicioacuten de
C10C11C12C13 = 7243930 con una media de 119
Para terminar cabe resaltar que existen notables diferencias de
concentracioacuten de LAS entre un lodo de EDAR huacutemedo y ese mismo lodo
seco despueacutes de varios meses el cual va a ser aplicado en suelos
agriacutecolas ya que en el proceso de secado se puede llegar a perder maacutes de
74 de la concentracioacuten de LAS que habiacutea en el lodo huacutemedo inicial102
Del mismo modo un adecuado proceso de compostaje del lodo EDAR
puede reducir la concentracioacuten del LAS en maacutes de un 98 con una vida
media de 7-9 diacuteas103104105
bull Suelos
La concentracioacuten de LAS en suelos enmendados con lodo por media
ronda los 5 mgmiddotKg-1 No obstante la concentracioacuten depende sobre todo
de cuaacutendo se toma la muestra con respecto al tiempo de aplicacioacuten del
102 Carlsen L Metzon MB Kjelsmark J LAS in the terrestrial environment Sci Total
Environ 290 225-230 2002 103 Petersen PH Degradations fo xenobiotic by composting Ramboll 1999 presented in
the SPTEPA-1999 workshop Denmark 1999 104 Prats D Rodriacuteguez M Muela MA Llamas JM Ferrer J Moreno A Berna JL
Nielsen AM Naylor C Elimination of LAS in sewage biosolids by composting 5th
World Cesio Congress V2 1655-1658 Firenze Italy 2000 105 Sanz E Prats D Rodriacuteguez M Camacho A Effect of temperature and organic
nutriens on the biodegradation of LAS during the composting of anaerobically sludge form a wastewater treatment plant Waste Management 26 1237-1245 2006
Introduccioacuten 101
lodo Asiacute si tomamos la muestra 30 diacuteas despueacutes de la aplicacioacuten del lodo
es probable encontrarse con valores de LAS por debajo de 1 mgmiddotKg-1106
Un estudio maacutes reciente realizado en la Universidad de Granada9
consistente en la aplicacioacuten estacional de LAS a un parcela agriacutecola y
posterior medida a diferentes profundidades demostroacute que el tiempo de
vida media para una cantidad de muestra de 1gmiddotm-2 de LAS no excediacutea en
ninguacuten caso los 12 diacuteas
bull Sedimentos
Los valores encontrados para el LAS junto a los emisarios marinos se
encuentran comprendidos entre 05 y 53 mgmiddotKg-1 (con una media
aritmeacutetica de 29 mgmiddotKg1 -12puntos-)107
Debido a las mismas razones anteriormente expuestas La distribucioacuten de
homoacutelogos es parecida a la obtenida en el caso de los lodos de EDAR
En la Tabla 111 se resumen el rango de concentraciones tiacutepico de LAS
para diferentes matrices ambientales
106 Solbeacute J Berna JL Cavalli L Feijtel TCJ Fox KK Heinze J Marshall SJ De
Wolf W Terrestrial risk assessment of LAS in sludge-amended soils 5thWorld Cesio Congress V2 1433- 1438 May-June Firenze Italy 2000
107 Cavalli L Cassani G Vigano L Pravettoni S Nucci G Lazzarin M Zatta A Surfactants in sediments Tenside Surf Det 36 254-258 2000
102 Tesis Doctoral
Tabla 111- Concentracioacuten del LAS en diferentes compartimentos ambientales
COMPARTIMENTO AMBIENTAL
CONCENTRACIOacuteN DE LAS TOTAL
Entrada EDAR 1-15 mgmiddotL-1
Salida EDAR 8 ndash 200 microgmiddotL-1
Agua de riacuteo108 lt 2- 47 microgmiddotL-1
Aguas subterraacuteneas 0 ndash 3 microgmiddotL-1
Lodos de EDAR secos lt 1gmiddotKg-1- 30 gmiddotKg-1
Suelos 5 mgmiddotKg-1
Sedimentos de riacuteo 05 - 53 mgmiddotKg-1
244 - Actividad ambiental del LAS
La presencia de los tensioactivos en el medio puede incidir de manera
negativa sobre los individuos que habitan en eacutel Por tanto un aspecto
esencial a estudiar es el de su posible ecotoxicidad Son innumerables los
trabajos publicados sobre la toxicidad del LAS en distintas especies tanto
sobre microorganismos protozoos plancton algas peces crustaacuteceos
insectos o moluscos como sobre plantas comunes tomate patatas
lechugas y otros23
El riesgo ambiental de las sustancias quiacutemicas se estima comparando la
relacioacuten entre la concentracioacuten previsible en el medio (predicted
environmental concentration - PEC) y la concentracioacuten maacutexima esperada
que no produzca ninguacuten efecto (predicted no-effect concentration -
PNEC) esta relacioacuten PECPNEC debe ser siempre menor que la unidad
108 Feijtel TCJ van der Plassche EJ Environmental risk characterization of 4 major
surfactants used in the Netherlands National Institute of Public Health and Environmental Protection Report nordm 679101 025 Bilthoven Netherlands 1995
Introduccioacuten 103
para que el riesgo ambiental sea bajo En el caso del LAS se han estudiado
diferentes ecosistemas23 obteniendo en todos una relacioacuten menor que la
unidad lo que indica su bajo iacutendice de toxicidad ambiental
Tabla 112- Relacioacuten PECPNEC del LAS en diferentes medios ambientales
LAS PEC PNEC PECPNEC
Agua mgmiddotL-1 0047 027 017
Suelo mgmiddotKg-1 14 35 004
Lodo de EDAR gmiddotKg-1 556 49 011
Efluente de EDAR mgmiddotL-1
027 35 008
Sedimentos mgmiddotKg-1 53 81 065
Se han descrito diversos efectos que los tensioactivos pueden causar sobre
las membranas celulares y proteiacutenas debido a la actividad superficial que
presentan109 Como consecuencia de estos efectos pueden ser inhibidores
de bacterias110 hongos y otros habitantes del ecosistema del suelo Por
esta razoacuten la exposicioacuten del suelo111112 de cultivo a estos compuestos
puede alterar su actividad bioloacutegica accioacuten que es muy importante para la
calidad del suelo y del ciclo nutricional113 ademaacutes pueden inhibir
109 Schwuger MJ Bartnik FG Interaction of anionic surfactants with proteins enzymes
and membranes In Gloxhuber C Ed Anionic Surfactants-Biochemistry Toxicology Dermatology Marcel Dekker New York USA pp 1-49 1980
110 Hartmann L Effect of surfactants on soil bacteriaBull Environ Contam Toxicol 1 219-224 1996
111 Holmstrup M Krogh PH Effects of an anionic surfactant linear alkylbenzene sulfonate on survival reproduction and growth of the soil-living collembolan Folsomia fimetaria Environ Toxicol Chem 15 1745-1748 1996
112 Wilke B Effects of non-pesticide organic pollutants on soil microbial activity AdvGeoEcol 30 117-132 1996
113 Turco RF Kennedy AC Jawson MD Defining soil quality for a sustainable environment Soil Society of America (Special Edition 35) Madison USA p 73-90 1994
104 Tesis Doctoral
notablemente bacterias reductoras de hierro y afectar tanto a bacterias
Gram-negativo como Gram-positivo114
En el caso particular del LAS cabe destacar que la toxicidad de los
homoacutelogos e isoacutemeros que conforman la mezcla comercial es diferente en
cada especie asiacute se puede afirmar que a medida que aumenta la longitud
de la cadena alquiacutelica lineal aumenta la toxicidad del compuesto115
245 - El LAS y la salud Humana
Para evaluar el riesgo de intoxicacioacuten de un cierto compuesto como
consecuencia de su absorcioacuten por el organismo humano existe un
paraacutemetro denominado MOE (Margin of Exposure - Margen de
Exposicioacuten) que se define como la relacioacuten entre NOAEL (No Observed
Adverse Effect Level un indicador de los efectos toacutexicos de una sustancia
en seres vivos y su significado es la maacutexima dosisconcentracioacuten de
exposicioacuten experimental probada al cual no se observan efectos toacutexicos
es decir el maacuteximo nivel sin efecto adverso observado) o cualquier otro
indicador de efectos toacutexicos con la tasa de exposicioacuten humana a la
sustancia en estudio Se considera que un valor de maacutes de 100 es un
margen suficiente para tener en cuenta la posible variabilidad e
incertidumbre de los datos de contaminacioacuten y considerar que la
sustancia no provoca efectos adversos hacia el organismo El NOAEL se
estimoacute para el caso del LAS en 85 mgmiddotKg-1 de peso corporal23
considerando que de los numerosos estudios realizados es el valor que
114 Elsgaard L Petersen SO Debosz K Kristiansen IB Effects of LAS on soil
microbiology Tenside Surf Det 38 2 94-97 2001 115 BKH Consulting Engineers The use of existing data for estimation of the maximum
tolerable environmental concentration of LAS Part I main report Part II data list BKH Deft Netherlands 1993
Introduccioacuten 105
maacutes se aproxima al LOAEL maacutes bajo que se ha determinado 115 mgmiddotKg-1
de peso corporal23 (LowestObserved Adverse Effect Level el nivel maacutes
bajo con efecto adverso observado) Por tanto el NOAEL estimado se
refiere a la dosis que no produce efectos sobre paraacutemetros bioquiacutemicos
renales que han sido estudiados durante un periodo de 9 meses mediante
administracioacuten oral de dosis variables de LAS a ratas Tambieacuten se
consideroacute que la biodisponibilidad oral del LAS era del 8023 y que la
absorcioacuten es viacutea mayoritariamente gastrointestinal Teniendo en cuenta
esto el valor sistemaacutetico del NOAEL se fijoacute en 68 mgmiddotKg-1 de peso
corporal al diacutea23
En el caso del LAS su extendido uso domeacutestico hace que el riesgo de
exposicioacuten a piel ojos mucosas etc pueda ser elevado La concentracioacuten
a la que se encuentra el LAS en estas formulaciones variacutea entre el 1 y el
50 Aunque el LAS puro es irritante para ojos y piel sus disoluciones
dependiendo de la concentracioacuten pueden llegar a no tener dicho caraacutecter
irritante Disoluciones con una concentracioacuten superior al 65 se
consideran ldquotoacutexicas por ingestioacutenrdquo Los diferentes tipos de contacto con el
organismo humano pueden ser
bull Contacto directo o indirecto con la piel Se deben tener en cuenta
los haacutebitos de limpieza116 que comuacutenmente existen en la zona de Europa
Occidental El LAS se puede encontrar en diferentes tipos de
formulaciones y concentraciones para diferentes tipos de aplicaciones
para formulaciones de lavado de ropa se estima que el contacto con este
tipo de productos es de unos 10 minutos por lavado y que la absorcioacuten de
116 AISE Table of Habits and Practices for Consumer Products in Western Europe 2002
106 Tesis Doctoral
tensioactivos anioacutenicos viacutea cutaacutenea es bastante baja117 (aproximadamente
del 1 en los casos maacutes graves) las disoluciones empleadas para el
lavado contienen como maacuteximo una concentracioacuten de LAS de 22 gmiddotL-1 la
superficie de exposicioacuten que ofrecen las manos y antebrazos se considera
que es de unos 1980 cm2 y que la peliacutecula de disolucioacuten de detergente
que permanece en contacto con la piel tiene un espesor de 100 μm
(001cm) y permanece en contacto 24 horas en el peor de los casos Con
estas premisas se puede estimar la cantidad de LAS absorbido
bull Cantidad diaria de LAS absorbido = 1980 cm2middot001cmmiddot001
(fraccioacuten absorbida) middot 22 mgmiddotcm-3 = 044 mg LAS absorbido en 24 horas
Si el tiempo de exposicioacuten generalmente es de unos 10 minutos por
lavado y esta operacioacuten se realiza unas tres veces al diacutea y que se
considera un peso corporal en el peor de los casos de 60 kg se puede
calcular una tasa de absorcioacuten por la piel de 015 μgmiddotKg-1 de peso corporal
al diacutea Con este dato se puede evaluar el valor del MOE36 resultando ser
de 453000
Aplicando la misma metodologiacutea para calcular la exposicioacuten humana al
LAS se han evaluado de manera similar otras viacuteas de contacto directo
con la piel Los resultados obtenidos son los que a continuacioacuten se
recogen
117 Schaefer H Redelmeier TE Skin barrier Principles of percutaneous absortion S
Karger AG ISBN 3-8055-6326-4 PO Box CH-4009 Basel Switzerland 1996
Introduccioacuten 107
Tabla 113- Formas de contacto directo de LAS con la piel
Modo de exposicioacuten Tasa de absorcioacuten (microgmiddotKg-1 de peso corporal diacutea)
Margen de exposicioacuten (MOE)
Pretratamiento de ropa 14 486middot104
Lavado de vajillas 009 756middot105
Residuos del lavado 07 970middot104
bull Inhalacioacuten provocada por el uso de aerosoles Otra posible viacutea de
contacto directo del LAS con el organismo es por inhalacioacuten En la
siguiente tabla se recogen las distintas formas en las que se puede inhalar
LAS de manera cotidiana Para realizar estos caacutelculos se ha asumido el
caso extremo de una absorcioacuten total del LAS disponible en suspensioacuten A
continuacioacuten se exponen los valores calculados
Tabla 114- Formas de contacto directo de LAS por inhalacioacuten
Modo de exposicioacuten Tasa de absorcioacuten (microgmiddotKg-1 de peso corporal diacutea)
Margen de exposicioacuten (MOE)
Inhalacioacuten de polvo de detergente
0003 gt 107
Aereosoles de productos de limpieza
006 110middot106
bull Ingestioacuten debida a depoacutesitos que puedan existir en platos
ingestioacuten accidental etc Por uacuteltimo la tercera viacutea de exposicioacuten que se
considera es la oral En la siguiente tabla se recogen los resultados
calculados para este tipo de exposicioacuten
108 Tesis Doctoral
Tabla 115- Formas de contacto directo de LAS por ingestioacuten
Modo de exposicioacuten Tasa de absorcioacuten (microgmiddotKg-1 de peso corporal diacutea)
Margen de exposicioacuten (MOE)
Ingestioacuten de agua potable
01 68middot105
Restos de LAS en utensilios de cocina
15 450middot104
Si se considera la suma de todas las posibles fuentes de exposicioacuten que se
tienen en cuenta en este estudio resulta que la tasa total es de 015 + 140
+ 009 + 070 + 006 + 010 + 150 = 400 μgmiddotKg-1 por diacutea de donde se
puede deducir que el margen de exposicioacuten total es de 17000 Este margen
es suficientemente alto como para considerar un nivel de confianza
aceptable en la utilizacioacuten domeacutestica de LAS
246 - Biodegradabilidad del jaboacuten
El estudio del comportamiento ambiental del jaboacuten es complicado ya que
su biodegradacioacuten depende en gran medida de su solubilidad Como se ha
mencionado con anterioridad el jaboacuten tiene una gran tendencia a
precipitar en presencia de aguas con alto contenido en sales alcalino-
teacuterreas y por tanto su biodisponibilidad es menor haciendo que su
biodegradabilidad esteacute iacutentimamente unida a su solubilidad118
118 Prats D Rodriacuteguez M Varo P Moreno A Ferrer J Biodegradation for soap in
anaerobic digester and on sludge amended soils Proceedings of the 4th world surfactants congress 3-7VI 233-245 Barcelona 1996
Introduccioacuten 109
Una vez que esta biodisponible el jaboacuten se degrada en condiciones
aeroacutebicas de la misma manera que un aacutecido graso es decir sufre un szlig-
oxidacioacuten para generar acetil-CoA y energiacutea
Figura 128- Proceso de degradacioacuten de los aacutecidos grasos
Los estudios llevados a cabo32119 sobre la degradacioacuten de jaboacuten
condiciones anaeroacutebicas permiten poner de manifiesto que
119 L oehr RC Roth JC Aerobic degradation of long-chain fatty acid salts Journal
WPCF 11 Part2 385-403 1967
110 Tesis Doctoral
bull El porcentaje de degradacioacuten del jaboacuten dependiacutea en gran medida
de sus propiedades fiacutesico - quiacutemicas solubilidad CMC y
adsorcioacuten
bull La concentracioacuten de sales fundamentalmente de tipo caacutelcico y
magneacutesico en el medio influiacutea de manera notable en la
biodegradacioacuten
bull Al aumentar la cadena alquiacutelica la metabolizacioacuten disminuiacutea
bull La insaturacioacuten en el jaboacuten favoreciacutea su biodegradacioacuten La
posicioacuten y nuacutemero de insaturaciones no influiacutea en su proceso de
asimilacioacuten por el medio
bull Seguacuten los test realizados120 los jabones de hasta longitud de
cadena C18 fueron considerados bajo condiciones aeroacutebicas
como faacutecilmente biodegradables
En la Tabla 116 se resumen los porcentajes de biodegradacioacuten obtenidos
para diferentes tipos de jaboacuten soacutedico en condiciones aeroacutebicas
120 Environmental data review of soaps NVZ in cooperation with European surfactant industry Delft The Netherlands 1994
Introduccioacuten 111
Tabla 116- Tests de biodegradacioacuten para jaboacuten tipo soacutedico y potaacutesico
JABOacuteN BIODEGRADACIOacuteN MEacuteTODO
C12-Na 58 BOD5
C181-Na 48 BOD5
C18-Na 46 BOD5
C18-Na 60 CO2 (8 diacuteas)
Sebo (C1618-Na) 75 BOD15
C18-Na 62 CO2 (28 diacuteas)
C16-Na 55 Warburg (cinco diacuteas)
C1618-Na 56 CO2 (8 diacuteas)
C12-Na 58 Warburg (dos diacuteas)
C18-Na 79 Sturm (28 diacuteas)
Sebo (C1618-Na) 89 OECD 301D121
C1218-K 95 OECD 301D
Teniendo en cuenta la maacutes que probable presencia de jaboacuten tipo caacutelcico en
el medio se realizaron tests de biodegradabilidad especiacuteficos para este
tipo de jaboacuten122 en condiciones aeroacutebicas los cuales para evitar la posible
insolubilizacioacuten del jaboacuten tipo caacutelcico utilizaron ultrasonidos disolventes
emulsificadores y agitacioacuten continua Los resultados demostraron un
porcentaje de biodegradacioacuten casi cuantitativo Cabe recordar que estos
ensayos se hicieron en condiciones muy especiales imposibles de
reproducir en un ecosistema ambiental real
121 Gerike P The biodegradability testing of poorly water soluble compounds Chemosphere 13 169-190 1984
122 ECETOC Biodegradation test for poorly soluble compounds Technical report No 20 1986
112 Tesis Doctoral
Tabla 117- Tests de biodegradacioacuten para jaboacuten caacutelcico
TEST DURACIOacuteN (DIacuteAS) BIODEGRADACIOacuteN
Sturm 24 91
Sturm 24 99
Sturm 24 82
Sturm 20 82
Sturm 20 84
Sturm 24 88
MITI 32 91
MITI 32 93
bull Biodegradacioacuten en agua superficial
Existe soacutelo un informe32 que nos aporta datos sobre la posible degradacioacuten
en estas condiciones Los resultaron mostraron que para dos
concentraciones de partida fijas (73 mgmiddotL-1 y 247 mgmiddotL-1) y para un
ensayo de 20 diacuteas se obtuvieron porcentajes de biodegradacioacuten del 100
para una mezcla de jaboacuten soacutedico con diferentes tipos de de cadenas
alquiacutelicas A traveacutes de los datos obtenidos se pudo calcular los tiempos de
vida media para cada longitud de cadena
Introduccioacuten 113
Tabla 118- Tiempos de vida media para el jaboacuten soacutedico en agua superficial
JABOacuteN-Na T05 a 73mgmiddotL-1 (Horas)
T05 a 247 mgmiddotL-1 (Horas)
C8 15 25
C10 24 19
C12 13 18
C14 33 47
C16 59 70
C18 62 70
C181 57 54
C182 33 42
Teniendo en cuenta la diferencia que hay en los tiempos de vida media
para ambas concentraciones se consideroacute para estudios posteriores de
impacto ambiental32 el valor dado por la concentracioacuten maacutes baja como el
verdadero ya que esa concentracioacuten se asemeja maacutes a la encontrada en
ecosistemas reales
bull Biodegradacioacuten bajo condiciones anaerobias
Los tests llevados a cabo122 se basaban en la digestioacuten del jaboacuten bajo
condiciones anoacutexicas las cuales se propiciaban mediante el uso de
inoacuteculos provenientes de lodos activados de depuradora En la siguiente
tabla se resumen los resultados obtenidos por estos tests
114 Tesis Doctoral
Tabla 119- Tests de biodegradacioacuten anaerobios para el jaboacuten
JABOacuteN CADENA TEST DURACIOacuteN
(Diacuteas)
BIO
Soacutedico 12 Semicontinuo 20 95
Soacutedico 12 ECETOC 54 100
Caacutelcico 12 Agitacioacuten 5-6 90
Soacutedico 16 ECETOC 28 94
Soacutedico 8-18 Semicontinuo 20 67
Soacutedico sebo 16-18 Semicontinuo 20 60
Soacutedico 18 Semicontinuo 20 51
Caacutelcico 18 Agitacioacuten 10 85
Soacutedico 181 Semicontinuo 20 69
Los resultados demuestran que el jaboacuten se degrada en condiciones
anaerobias en cualquiera de sus especies y longitudes de cadena siempre
y cuando se de las condiciones de laboratorio idoacuteneas para mantener al
jaboacuten tipo caacutelcico soluble Del mismo modo se puede apreciar en los
ensayos que el jaboacuten se descompone hasta su degradacioacuten uacuteltima (CH4 +
CO2) De momento no se conoce los posibles intermedios de
biodegradacioacuten anoacutexicos (biodegradacioacuten primaria) que pudiera generar el
jaboacuten
bull Biodegradacioacuten en suelos
Los lodos de EDAR los cuales tienen un alto contenido en jaboacuten se
utilizan en muchos casos para enmendar suelos de origen agriacutecola
Prats118 calculoacute las constantes de degradacioacuten en los suelos agriacutecolas
Introduccioacuten 115
despueacutes de aplicar en ellos lodos de EDAR El resultado obtenido se
resume en la tabla que viene a continuacioacuten
Tabla 120 Tiempos de vida media y constante de degradacioacuten para el jaboacuten en suelos agriacutecolas
t05 (diacuteas) k (diacuteas-1)
36 00191
247 - Eliminacioacuten y monitorizacioacuten del jaboacuten
Del mismo modo que el resto de los tensioactivos la principal viacutea de
eliminacioacuten del jaboacuten es a traveacutes del vertido en aguas domeacutesticas e
industriales Una vez en el medio aquella parte de jaboacuten que no se ha
degradado de manera aeroacutebica en las aguas superficiales (ver apartado
anterior) va a pasar por un proceso de depuracioacuten en las plantas EDAR
Actualmente soacutelo existe un estudio realizado en 1996 por Prats118 en el
cual se monitorizoacute el comportamiento del jaboacuten desde su deshecho al
sistema de alcantarillado hasta su salida (efluentes) de las plantas EDAR
pasando tambieacuten por su anaacutelisis en la entrada de la estacioacuten depuradora
Para todas las muestras acuosas analizadas se encontraron concentracioacuten
de jaboacuten por debajo de 01 mgmiddotL-1 sin embargo los soacutelidos en suspensioacuten
de esas aguas presentaban concentraciones de jaboacuten entorno al 15 en
masa Este hecho se debiacutea a la gran tendencia que teniacutea el jaboacuten a
precipitar y a adsorberse El calculo que se hizo del tratamiento de agua
residual por medio de balance de materia desde el influente hasta el
influente arrojo como resultado que el 997 de jaboacuten se degrada durante
116 Tesis Doctoral
todo el proceso llevado a cabo en la planta EDAR Este resultado es
similar al obtenido por Matthijs123
Si nos centramos maacutes en el proceso anaeroacutebico tras analizar la entrada y
salida del digestor anaerobio los resultados de Prats mostraron una
biodegradacioacuten aproximada del 70 Estos datos difieren bastante de los
obtenidos en los ensayos de laboratorio en donde el porcentaje de
degradacioacuten anaerobia es entorno al 90
En la siguiente Figura 129 se resumen el estudio que llevoacute a cabo Prats
Del igual manera la tabla posterior muestra de forma resumida los datos
obtenidos en este estudio
Figura 129- Esquema del proceso de eliminacioacuten de jaboacuten en plantas EDAR Datos en Kg
123 Matthijs E Holt M Kiewiet A Rijs G Fate of surfactants in activated sludge waste
water treatment plants outcome of field studies on Linear Alkylbenzene sulphonate alcohol ethoxylate alcohol ethoxy sulphate alcohol sulphate and soap Proceedings of the 4th world surfactants congress 3-7VI 81-86 Barcelona 1996
Introduccioacuten 117
Tabla 121 Resultados obtenidos par la monitorizacioacuten de jaboacuten en plantas EDAR
JABOacuteN INFLUENTE EFLUENTE ELIMI
TOTAL ()
Masa (Kgmiddotdiacutea-1)
Masa (Kgmiddotdiacutea-1) 996
C12 63 47 70 017 997
C14 33 25 26 0062 997
C16 27 200 28 067 997
C18 (total) 63 470 62 15 997
248 - Actividad ambiental del jaboacuten
Al igual que el LAS el riesgo ambiental del jaboacuten se mide a traveacutes del
cociente entre PEC y el PNEC Los valores obtenidos para el jaboacuten en
diferentes ecosistemas son inferiores a la unidad indicando su baja
peligrosidad desde el punto de vista ambiental Existe soacutelo un tipo de
jaboacuten en donde se supera la unidad el C12 Este valor anoacutemalo se achaca
en el propio estudio34 a la falta de datos fiables ya que los datos
recopilados hasta la fecha son muy escasos por lo que se tuvieron que
hacer muchas extrapolaciones para calcular tanto los valores de PEC
como de PNEC impidiendo sacar conclusiones claras Por lo tanto a
falta de resultados maacutes fiables hay que tomar con precaucioacuten los
resultados que se muestra a continuacioacuten
118 Tesis Doctoral
Tabla 122- Relacioacuten PECPNEC del jaboacuten en diferentes medios ambientales
PECPNEC AGUA SUELO SEDIMENTO EDAR
C10 00143 2083middot10-3 00163 566middot10-4
C12 119 159 134 00192
C14 0426 0433 0481 609middot10-3
C16 0543 0173 0612 893middot10-3
C18 0707 00330 0797 00164
C22 124middot10-3 261middot10-5 139middot10-3 412middot10-4
Para finalizar en cuanto al posible riesgo del jaboacuten para la salud humana
un estudio124calculoacute los valores MOE dando como resultado en el peor
de los casos de 258620 Este tremendo margen fue calculado mediante
todos los posibles escenarios de exposicioacuten Por lo tanto en el estudio se
concluyoacute que el jaboacuten no presentaba ninguacuten riesgo para la salud humana
en ninguno de sus posibles escenarios
25 - Meacutetodos para la determinacioacuten del LAS y el jaboacuten
251 - Meacutetodos para la determinacioacuten del LAS
El amplio uso del LAS en formulaciones de todo tipo desde finales de los
60 ha determinado que este compuesto se haya convertido en el
tensioactivo maacutes ampliamente estudiado Existe numerosa bibliografiacutea
que describe meacutetodos de anaacutelisis basados en distintos tipos de teacutecnicas y
aplicados a matrices de diversa naturaleza Generalmente incluyen etapas
previas de separacioacuten y limpieza con objeto de preconcentrar y minimizar
124 Human amp Environmental Risk Assessment on ingredients of European household cleaning products (HERA) Fatty Acids Salts (soap) Human Health Risk Assessment 2002
Introduccioacuten 119
o eliminar posibles interferentes A continuacioacuten se describen brevemente
algunos de los maacutes empleados
bull Meacutetodos volumeacutetricos
Son escasos los meacutetodos propuestos de este tipo Como representacioacuten de
ellos destaca el descrito por Thuman125 1987 el cual es capaz de
discernir entre alquil sulfatos (SDS del ingleacutes Sodium Dodecyl Sulfate -
dodecilsulfato de sodio) y sulfonatos de alquilbenceno lineales (LAS)
Consiste en una valoracioacuten del tensioactivo anioacutenico con un tensioactivo
de amonio cuaternario (catioacutenico) disuelto en una mezcla
cloroformoagua el punto final se pone de manifiesto gracias al cambio de
color de rosa a gris que produce una combinacioacuten de bromuro de dimidio
y erioglaucina en etanol La mezcla de tensioactivos anioacutenicos es valorada
antes y despueacutes de un proceso de hidroacutelisis para distinguir asiacute entre SDS y
LAS
bull Meacutetodos espectromeacutetricos
Dentro de este apartado se pueden distinguir meacutetodos
espectrofotomeacutetricos y espectrofluorimeacutetricos los cuales suelen ser poco
selectivos y estaacuten sometidos a numerosas interferencias Los primeros se
basan en la formacioacuten de un complejo coloreado con el tensioactivo
anioacutenico Entre ellos se puede citar
125 Thurman EM Willoughby T Barber Jr LB Thorn KA Determination of LAS in
ground water using macroreticular resins and carbon-13 NMR spectrometry Anal Chem 59 1798-1802 1987
120 Tesis Doctoral
- Determinacioacuten de sustancias activas con el azul de
metileno (Methylene Blue Active Substances - MBAS) es el
meacutetodo de anaacutelisis colorimeacutetrico maacutes extendido en
laboratorios de anaacutelisis de rutina Se fundamenta en la
formacioacuten de un complejo coloreado del tensioactivo anioacutenico
con el azul de metileno Este complejo es extraiacutedo en
cloroformo y su coloracioacuten azul es proporcional a la
concentracioacuten de tensioactivo anioacutenico Es un meacutetodo poco
selectivo ya que es sensible a cualquier sustancia anioacutenica
con caraacutecter detersivo de hecho se han realizado estudios
donde se compara este meacutetodo con otros maacutes selectivos126
(HPLC) comprobaacutendose que soacutelo una fraccioacuten de la
concentracioacuten obtenida mediante este meacutetodo es debida al
LAS
- Determinacioacuten de tensioactivos anioacutenicos mediante la
formacioacuten del complejo con tris (110 fenantrolina) middot Fe El
liacutemite de deteccioacuten para este meacutetodo es de 05 μgmiddotmL-1
cuando la determinacioacuten se lleva a cabo colorimeacutetricamente
aunque cabe la posibilidad de utilizar espectrometriacutea de
absorcioacuten atoacutemica en horno con grafito127 con este sistema
de medida el liacutemite de deteccioacuten es de 006 μgmiddotmL-1
126 Matthijs E de Henau H Determination of LAS in aqueous samples sediments
sludges and soils using HPLC Tenside Surf Det 24 193-199 1987 127 Crisp PT Eckert JM Gibson NA Kirkbright GF West TS The determination of
anionic detergents at ppb levels by graphite furnace atomic absorption spectrometry Anal Chim Acta 87 97-101 1976
Introduccioacuten 121
- Determinacioacuten de tensioactivos anioacutenicos basada en la
extraccioacuten del complejo formado entre el tensioactivo y el
(bis) etilendiamina Cu (II) en cloroformo128 Este meacutetodo
posee un liacutemite de deteccioacuten de 003 μgmiddotmL-1 Una variacioacuten
de este meacutetodo de anaacutelisis consiste en antildeadir 1-(2-piridilazo)-
2-naftol (PAN) con dietilamina al extracto clorofoacutermico como
reactivo espectrofotomeacutetrico para el cobre (II)129
Los meacutetodos espectrofluorimeacutetricos estaacuten basados en el hecho de que el
LAS presenta una intensa fluorescencia nativa Como en el caso de los
espectrofotomeacutetricos tambieacuten adolecen de escasa selectividad y son
sensibles a las interferencias que con frecuencia les acompantildean en las
muestras ambientales (nonilfenoles sustancias ioacutenicas aacutecidos huacutemicos
etc) que tambieacuten muestran fluorescencia En bibliografiacutea se han
encontrado diversos meacutetodos de anaacutelisis Entre los maacutes representativos
destaca el propuesto por Rubio-Barroso130 para la determinacioacuten de
tensioactivos anioacutenicos Estaacute basado en la formacioacuten de un par ioacutenico con
Rodamina-B en medio HCl 05 N que es extraiacutedo con benceno el meacutetodo
presenta un intervalo lineal comprendido de 002 - 050 mgmiddotL-1 y se aplica
a aguas residuales urbanas con iacutendices de recuperacioacuten proacuteximos al 100
128 Crisp PT Eckert JM Gibson NA The determination of anionic detergents with the bis (ethylenediamine) cooper (II) ion Anal Chim Acta 78 391-396 1975
129 Rhama Bhat S Crisp PT Eckert JM Gibson NA A Spectrophotometric method for the determination of anionic surfactants at μgmiddotL-1 levels Anal Chim Acta 116 191-193 1980
130 Rubio-Barroso S Gomez-Rodriguez M Polo-Diacuteez LM Fluorimetric Determination of Anionic Surfactants by Extraction as the Rhodamine-B ion pair Microchem J 37 93-98 1988
122 Tesis Doctoral
bull Meacutetodos separativos Cromatografiacutea de gases
Este tipo de cromatografiacutea permite la deteccioacuten de analitos que sean
suficientemente volaacutetiles o que pueden llegar a serlo mediante una
adecuada reaccioacuten de derivacioacuten Los distintos componentes del LAS
poseen una presioacuten de vapor muy baja siendo por tanto muy poco
volaacutetiles por esta razoacuten la muestra de LAS debe sufrir un proceso de
derivacioacuten previo a su anaacutelisis Este proceso de derivacioacuten se puede llevar
a cabo mediante el empleo de diversos agentes derivantes
Tetrabutilamonio hidrogeno sulfato (TBA) Tetraetilamonio hidrogeno
sulfato (TTEA) Tetrametilamonio hidrogeno sulfato (TMA) hidroacutexido de
trimetilfenilamonio (TFMPA) hidroacutexido de (trifuorometil) fenilamonio
(TMPA)131 Cl5P + trifluoro etanol132 anhiacutedrido trifluoro aceacutetico133 e
incluso desulfonacioacuten directa en medio aacutecido134 Tambieacuten es posible
realizar el proceso de derivacioacuten en el puerto de inyeccioacuten Consiste en
someter extractos clorofoacutermicos provenientes de discos C18 a la accioacuten de
un agente derivante en el propio vial Estos extractos una vez inyectados
generan en el inyector el correspondiente eacutester135
Mediante estos procedimientos se forman los derivados volaacutetiles de los
diferentes isoacutemeros y homoacutelogos del LAS neutralizando o eliminando el
131 Field JA Miller DJ Field TM Hawthorne SB Giger W Quantitative
determination of aliphatic and aromatic surfactants in sewage sludge by Ionpair supercritical fluid extraction and derivatization GCMS Anal Chem 64 3161-3167 1992
132 Trehy ML Gledhill WE Orth RG Determination of LAS and DATS in water and sediment by GCMS Anal Chem 62 2581-2586 1990
133 Pratesi CR Facceti L Cassani G Anionic surfactants composition by GCMS La Rivista Italiana delle Sostanze Grasse vol LXXVIII 273-278 2001
134 Osburn QW Analytical methodology for LAS in water and wastes J Am Oil Chem Soc 63 257-263 1986
135 Krueger CJ Field JA In-vial C18 empore disk elution coupled with injection port derivatization for the cuantitative determination of LAS by GC-FID Anal Chem 67 3363-3366 1995
Introduccioacuten 123
grupo polar -SO3 - responsable de la baja volatilidad del LAS En la
bibliografiacutea mencionada se utiliza como sistema de deteccioacuten la
espectrometriacutea de masas ademaacutes de detectores de ionizacioacuten de llama
(FID)136 ya que la espectrometriacutea de masas ofrece la posibilidad de
identificar a cada componente de la mezcla compleja que constituye el
LAS Esto es posible gracias a la posibilidad de realizar barridos de los
distintos fragmentos en que se descompone la moleacutecula la baja
sensibilidad de este modo de actuar se puede paliar seleccionando un
fragmento en concreto (modo SIM - Selected Ion Monitoring) De este
modo seleccionando el fragmento de cada componente de manera
adecuada es posible diferenciar entre picos cromatograacuteficos parcialmente
solapados como es el caso de los diferentes isoacutemeros que componen cada
familia de homoacutelogos Algunos de estos meacutetodos de anaacutelisis de LAS se
recogen en la Tabla 123
124 Tesis Doctoral
Tabla 123- Meacutetodos de anaacutelisis del LAS mediante cromatografiacutea de gases
Detector Matriz Liacutemite de Deteccioacuten (microgmiddotL-1)
Espectrometriacutea de masas Fangos residuales Identificacioacuten
Espectrometriacutea de masas Muestras acuosas y soacutelidas
25
Espectrometriacutea de masas Patrones Identificacioacuten
Ionizacioacuten por llama Muestras acuosas y soacutelidas
-
Ionizacioacuten por llama Aguas residuales 1500
Espectrometriacutea de masas136
Sedimentos 50
Espectrometriacutea de masas137
Aguas residuales 1000
Espectrometriacutea de masas138
Sedimentos de lago 3-42
Previo al anaacutelisis cromatograacutefico se debe incluir una etapa de extraccioacuten
y purificacioacuten que permita extraer el analito de la matriz ambiental donde
se encuentre ademaacutes de eliminar posibles interferentes que le acompantildeen
Para este propoacutesito132 se han empleado sistemas de extraccioacuten que
utilizan fluidos supercriacuteticos extraccioacuten Soxhlet etc
136 Ding WH Fann J Determination of LAS in sediments using pressurized liquid
extraction and ion-pair derivatization GC-MS Anal Chim Acta 408 291-297 2000 137 Ding W Lo J Tzing S Determination of LAS and their degradation products in
water samples by GC with ion trap mass spectrometry J Chrom A 818 270-279 1998
138 Reiser R Toljander O Giger W Determination of LAS in recent sediments by GCMS Anal Chem 69 4923-4930 1997
Introduccioacuten 125
bull Meacutetodos separativos Cromatografiacutea Liacutequida de Alta Resolucioacuten
Mediante este tipo de teacutecnica pueden ser analizadas y separadas sustancias
de muy distinta naturaleza tanto volaacutetiles como no volaacutetiles salvando asiacute
las dificultades que plantea la cromatografiacutea de gases donde las sustancias
no volaacutetiles deben sufrir un proceso de derivacioacuten
La teacutecnica se basa en la diferente velocidad de migracioacuten que adquieren
los distintos componentes de una mezcla cuando atraviesan un lecho fijo o
fase estacionaria que puede ser de naturaleza apolar (modalidad inversa)
polar (modalidad normal) con diferente tamantildeo de poro (cromatografiacutea de
exclusioacuten) quiral etc Otra ventaja de esta teacutecnica respecto a la
cromatografiacutea de gases es el papel activo y no soacutelo portador que juega la
fase moacutevil lo que permite por tanto la optimizacioacuten de la composicioacuten
de la fase moacutevil como otra variable maacutes del sistema cromatograacutefico
Gracias a esta versatilidad y a la escasa volatilidad del LAS la
cromatografiacutea liacutequida ha sido extensamente empleada en el anaacutelisis de
esta sustancia utilizando como sistema de deteccioacuten diversas teacutecnicas
Ademaacutes dado la naturaleza quiral de varios de los componentes del LAS
cabe la posibilidad de utilizar esta teacutecnica para su separacioacuten pudieacutendose
estudiar asiacute el diferente comportamiento que ambos enantioacutemeros del
racemato pudiesen presentar en el medio
En la Tabla 124 se muestran los maacutes significativos
126 Tesis Doctoral
Tabla 124- Meacutetodos de anaacutelisis del LAS mediante cromatografiacutea liacutequida de alta resolucioacuten
Matriz Tipo de cromatografiacutea
Deteccioacuten Liacutemite de deteccioacuten
Muestras acuosas fango sedimento y
suelos127
Fase inversa Absorbancia (UV)
10 mgmiddotL-1
Muestras acuosas139 Fase inversa Fluorescencia 80 microgmiddotL-1
Agua marina140 Fase inversa Fluorescencia 2 microgmiddotL-1
Aguas residuales brutas y tratadas
lodos141
Fase inversa Espectrometriacutea de masas
04-25microgmiddotKg-1
Aguas fluviales tratadas con microbios142
Fase inversa Espectrometriacutea de masas
Identificacioacuten
Agua marina y de estuario143
Fase inversa Fluoresencia 09 microgmiddotL-1
Aguas industriales144
Fase inversa (Par ioacutenico)
Espectrometriacutea de masas
45 microgmiddotL-1
Agua marina145 Fase inversa Absorbancia (UV)
100 microgmiddotL-1
Sedimentos146 Fase inversa Fluorescencia Identificacioacuten
139 Castles MA Moore BL Ward S Measurement of LAS in aqueous environmental
samples by HPLC-FD Anal Chem 61 2534-2540 1989 140 Leoacuten VM Goacutemez-Parra A Gonzaacutelez-Mazo E Determinaton of SPC in marine
samples by SPE then HPLC J Anal Chem 371 479-485 2001 141 Riu J Martiacutenez E Barceloacute D Ginebreda A LC-MS determination of LAS and SPC in
influent and effluent water samples and sludges from STP J Anal Chem 371 448-455 2001
142 Knepper TP Kruse M Investigations into the formation of SPC from LAS by LC-MS Tenside Surf Det 37 41-47 2000
143 Leoacuten VM Goacutemez-Parra A Gonzaacutelez-Mazo E Handling of marine and estuarine samples for the determination of LAS and SPC J Chrom A 889 211-219 2000
144 Alonso MC Castillo M Barceloacute D SPE procedure of polar benzene and naphthalene sulfonates in industrial effluent followed by unequivocal determination with ion-pair chromatographyelectrospray MS Anal Chem 71 2586-2593 1999
145 Sarrazin L Wafo W Revouillon P Determination of LAS and its biodegradation intermediates in sea water using SPE and RP-HPLC with UV detection J Liq Chrom amp Rel Tech 22 2511-2524 1999
Introduccioacuten 127
Tabla 124- Meacutetodos de anaacutelisis del LAS mediante cromatografiacutea liacutequida de alta resolucioacuten (cont)
Matriz Tipo de cromatografiacutea
Deteccioacuten Liacutemite de deteccioacuten
Patrones147 Intercambiador anioacutenico
Conductividad 14 pmol
Aguas residuales industriales148
Fase inversa (Par ioacutenico)
Absorbancia (UV)
100 microgmiddotL-1
Aguas residuales industriales149
Fase inversa (Par ioacutenico)
Absorbancia (UV)
254 microgmiddotL-1
Aguas residuales urbanas150
Fase inversa Fluorescencia Identificacioacuten
Agua de grifo fluvial etc151
Intercambiador anioacutenico
Absorbancia (UV)
Identificacioacuten
Muestras acuosas152 Fase inversa Fluorescencia 8 microgmiddotL-1
Aguas fluviales153 Fase inversa Absorbancia (UV)
Identificacioacuten
Fangos y sedimentos154
Fase inversa Fluorescencia 80 ng
146 Kreisselmeier A Durbeck HW Determination of alkylphenols and LAS in sediments
applying accelerated solvent extraction (ASE) Fresenius J Anal Chem 354 921-924 1996
147 Pan N Pietrzyk DJ Separation of anionic surfactants on anion exchangers J Chrom A 706 327-337 1995
148 Altenbach B Giger W Determination of Benzene and Naphtalene Sulfonates in wastewater by SPE with graphitized carbon black and ion-pair LC with UV detection Anal Chem 67 2325-2333 1995
149 Bastian B Knepper TP Hoffmann P Ortner HM Determination of sulfonic acids in industrial wastewater by ion-pair chormatography Fresenius J Anal Chem 384 674-679 1994
150 Marcomini A Di Corcia A Samperi R Capri S RP-HPLC determination of LAS nonylphenol polyethoxylates and their carboxylic biotransformation products J Chrom A 664 59-71 1993
151 Yokoyama Y Kondo M Sato H Determination of alkylbenzenesulphonates in environmental water by anion exchange chormatograph J Chrom 643 169-172 1993
152 Di Corcia A Marchetti M Samperi R LC determination of LAS in aqueous environmental samples Anal Chem 63 1179-1182 1991
153 Fujita I Osaza Y Tobino T Sugimura T Determination of LAS in River water by HPLC and concentration by octadecylsilica minicolumn Chem Pharm Bull 38 1425-1428 1990
128 Tesis Doctoral
Cabe destacar que la mayoriacutea de las determinaciones se realizan en
matrices ambientales (aguas fluviales marinas sedimentos fangos etc)
utilizando como etapa previa la extraccioacuten Soxhlet o el bantildeo de
ultrasonidos para matrices soacutelidas (sedimentos suelos etc) o la
extraccioacuten en fase soacutelida con adsorbentes de diversa naturaleza (C8 C18
SAX etc) para muestras acuosas Sin embargo en los uacuteltimos antildeos se han
publicado varios meacutetodos en los que se emplean otras teacutecnicas de
extraccioacuten tales como el ultrasonidos de alta potencia155 Soxhlet asistido
por microondas156 o microondas157 Del mismo modo algunas referencias
desarrollaron metodologiacuteas sin extraccioacuten en fase soacutelida (SPE)158158
bull Meacutetodos separativos Electroforesis capilar
Mediante esta teacutecnica se pueden analizar sustancias cargadas o neutras
con un alto grado de resolucioacuten Esto es posible gracias a la forma plana
del perfil del frente de fase moacutevil que como resultado contribuye a que el
ensanchamiento de la banda correspondiente al analito sea mucho menor
154 Marcomini A Giger W Simultaneous determination of LAS alkylphenol
polyethoxilates and nonylphenol by HPLC Anal Chem 59 1709-1715 1987 155 Nimer M Ballesteros O Navaloacuten A Crovetto G Verge C Loacutepez I Berna JL
Viacutelchez JL New sample treatment for determination of linear alkylbenzene sulfonate (LAS) in agricultural soils by liquid chromatography with fluorescence detection Anal Bioanal Chem 387 2175ndash2184 2007
156 Morales-Muntildeoz S Luque-Garciacutea JL Luque de Castro MD Screening method for linear alkylbenzene sulfonates in sediments based on water Soxhlet extraction assisted by focused microwaves with on-line preconcentration derivatization detection Journal of Chromatography A 1026 41ndash46 2004
157 Villar M Callejoacuten M Jimeacutenez JC Alonso E Guiraacuteum A Optimizacioacuten and validation of new method for anaacutelisis of linear alkylbenzene sulfonates in sewage sludge by liquid chromatography alter microwave-assisted extraction Analytica Chimica Acta 599 92-97 2007
158 Santos JL Aparicio I Alonso E A new method for the rutine anaacutelisis of LAS and PAH in sewage sludge by simultaneous sonicated-assisted extraction prior lo liquid chromatographic determination Analytica Chimica Acta 605 102-109 2007
Introduccioacuten 129
En bibliografiacutea se han encontrado pocos trabajos que utilicen esta teacutecnica
para la determinacioacuten de LAS
En la Tabla 125 se recogen la mayoriacutea de ellos
Tabla 125- Meacutetodos de anaacutelisis del LAS mediante electroforesis capilar
DETECTOR MATRIZ LIacuteMITE DE DETECCIOacuteN
Espectrometriacutea de masas159 Aguas residuales 4 microgmiddotL-1
Espectrometriacutea de masas y absorbancia (UV)160
Aguas residuales y costeras
1 microgmiddotL-1
Absorbancia (UV)161 Lodos residuales 4000 microgmiddotL-1
Absorbancia (UV)162 Patrones 12000 microgmiddotL-1
Absorbancia (UV)163 Agua de riacuteo lodos Identificacioacuten
Absorbancia (UV)164 Lodos 34 microgmiddotL-1
Absorbancia (UV)165 Patrones productos fab
Identificacioacuten
Absorbancia (UV)166 Agua de riacuteo 4800 microgmiddotL-1
159 Riu J Barceloacute D Determination of LAS and their polar carboxylic degradation
products in sewage treatment plant by automated SPE followed by CE-MS Analyst 126 825-828 2001
160 Riu J Eichhorn P Guerrero JA Knepper TP Barceloacute D Determination of LAS in wastewater treatment plant and coastal water by automated SPE followed by CE-UV detection and confirmation by CE-MS J Chrom A 889 221-229 2000
161 Heinig K Vogt C Werner G Determination of LAS in industrial and environmental samples by Capillary electrophoresis Analyst 123 349-353 1998
162 Muntildeoz Soto G Gonzaacutelez A Cuadros L Alonso E Vilchez JL On the estimate of CE blanks Application to the detection limits evaluation as recommended by IUPAC J Cap Elec 4 15-19 1997
163 Heinig K Vogt C Werner G Separation of ionic and neutral surfactants by CE and HPLC J Chrom A 745 281-292 1996
164 Kanz C Nolke M Fleischmann T Kohler HPE Giger W Separation of Chiral Biodegradation Intermediates of LAS by Capillary Electrophoresis Anal Chem 70 913-917 1998
165 Desbegravene PL Rony C Desmaziegraveres B Jacquier JC Analysis of alkylaromatic sulphonates by HPCE J Chrom A 608 375-383 1993
166 Vogt C Heinig K Langer B Mattusch J Werner G Determination of LAS by high performance liquid chromatography and capillary zone electrophoresis Fresenius J Anal Chem 352 508-514 1995
130 Tesis Doctoral
En la bibliografiacutea anteriormente citada se describe un fenoacutemeno por el
cual las moleacuteculas de LAS y de otros tensioactivos anioacutenicos (ej
dodecilsulfato soacutedico - SDS) sufren un proceso denominado ldquoasociacioacuten
solvofoacutebicardquo167 que consiste en la formacioacuten de complejos de asociacioacuten
entre ambas sustancias Cuando en la fase moacutevil se encuentran altas
concentraciones de disolvente orgaacutenico (ej acetonitrilo) el SDS no forma
micelas Esto es debido a que los monoacutemeros interaccionan con el
disolvente orgaacutenico maacutes fuertemente que con otras moleacuteculas de SDS La
separacioacuten puede tener lugar basaacutendose en la formacioacuten de complejos de
diferente fortaleza dependiendo de la hidrofobicidad de cada componente
252 - Meacutetodos para la determinacioacuten del jaboacuten
En teacuterminos generales puede decirse que el nuacutemero de meacutetodos analiacuteticos
propuestos para la detemrinacioacuten de jaboacuten es escaso La mayoriacutea de las
metodologiacuteas desarrolladas se basan en meacutetodos oficiales de anaacutelisis
(ASTM 40D168169 AOCS oficial methods section D170 ASTM D80171)
que son utilizados en la industria del jaboacuten para el control de la calidad del
producto
167 Shi Y Fritz JS HPCZE of nonionic compounds using a novel anionic surfactant
additive Anal Chem 67 3023-3027 1995 168 Wood TE Analytical methods evaluation techniques and regulatory requirements in
L Spitz ed Soap Technology for the 1990s American Oil Chemist Society Champaign IL 1999
169 American Society for Testing and Materials (ASTM) Sampling and Chemical analysis of soaps and soap products D460-91 West Conshohocken PA 19428 1988
170 American Oil Chemist Society (AOCS) Official and tentative methods Section D Sampling and analysis of soap and soap products 221 West Bradley Ave Champaign IL 61826 ordm985
171 American Society for Testing Materials (ASTM) Chemical analysis of soaps containing synthetic detergents D820-93 West Conshohocken PA 1942 1988
Introduccioacuten 131
Dentro de estos protocolos cabe destacar los siguientes ensayos que se
suelen hacer sobre el jaboacuten en laboratorio de control de calidad
bull Total de Aacutecidos Grasos La muestra se hidroliza con aacutecido se
extraen con eacuteter los aacutecidos grasos se evapora el eacuteter y se calcula
el resultado mediante pesada del residuo
bull Color El color del jaboacuten estaacute estrechamente relacionado con el
color de los aacutecidos grasos obtenidos de la muestra por hidroacutelisis y
lavado El color de los aacutecidos grasos se compara con colores
estandarizados Los aacutecidos grasos de colores claros se relacionan
en columna de 525 (133 cm) con los colores tipo en el
tintoacutemetro de Lovibond Por otro lado los aacutecidos de color oscuro
se comparan con la escala de color de la FAC (del ingleacutes Fat
Analysis Commitee de la American Oil Chemists Society)
bull Aacutelcali libre Se disuelve una muestra en alcohol y se valora con
una disolucioacuten de aacutecido empleando fenolftaleiacutena como indicador
El resultado se expresa en cantidad de Na2O
bull Glicerina La principal impureza de la siacutentesis tradicional del
jaboacuten (saponificacioacuten de grasas) es la glicerina La concentracioacuten
(04 -3) de glicerina en el producto final afecta a la textura y a
otras propiedades del jaboacuten soacutelido por lo tanto su control
durante el proceso de fabricacioacuten de jaboacuten en barra es
fundamental Existen varias metodologiacuteas para el anaacutelisis de la
glicerina basadas en diferentes teacutecnicas analiacuteticas
132 Tesis Doctoral
Cromatografiacutea de Gases (GC) Se mezclan 10 gramos de
jaboacuten con 200 mL de NN- dimetilformamida Se filtra una
aliacutecuota (50 mL) de la disolucioacuten y se antildeade 025 mL de
bis(trimetilsilil) trifluoroacetamida en un vial de reaccioacuten
Finalmente se inyecta un microlitro en el cromatografo
(detector FID)172
Cromatografiacutea liacutequida (CL) Se mezclan 5 gramos de
jaboacuten con 50 mL de fase moacutevil a continuacioacuten se filtra la
disolucioacuten y se antildeade 124- butanotriol como patroacuten interno
Para finalizar se inyecta la disolucioacuten resultante en el
cromatografo (detector de iacutendice de refraccioacuten)173
Espectrofotometriacutea Se tratan dos o tres gramos de jaboacuten
en una mezcla de aacutecido sulfuacuterico y agua se calienta y agita
la disolucioacuten hasta la aparicioacuten de una capa de aacutecidos grasos
Los aacutecidos grasos se extraen con eacuteter de petroacuteleo Se filtra la
disolucioacuten acuosa y se diluye con agua hasta un volumen de
100 mL En un matraz de 100 mL se pipetean dos mililitros
de la disolucioacuten anterior y 1mL de disolucioacuten 003 M de
periodato soacutedico 003 M en aacutecido sulfuacuterico La glicerina se
oxida a formaldehiacutedo y a aacutecido foacutermico El siguiente paso
consiste en antildeadir al matraz 1mL de HCl concentrado y 10
mL de una disolucioacuten compuesta por 023 g de 18-dihidroxi-
naftaleno diluido a 250 mL con aacutecido sulfuacuterico Para
172 Molever K Glycerin in soap by capillary gas Chromatography JAmOilChemSoc
64 1356-1357 1987 173 George ED Acquaro J HPLC for the analysis of glycerol and other glycols in soap J
Liq Chromatogr 5 927-938 1982
Introduccioacuten 133
finalizar la disolucioacuten se calienta durante 30 minutos y se
mide en el espectrofotoacutemetro a 571 nm174
A parte de los anaacutelisis rutinarios en el laboratorio existen algunas
referencias relativas a la determinacioacuten de la cantidad total de jaboacuten por
cromatografiacutea de gases y por cromatografiacutea liacutequida fundamentalmente
usando para ello la premisa de que el jaboacuten en disolucioacuten se asemeja
desde un punto de vista analiacutetico a un aacutecido graso Por tanto se pueden
usar las mismas teacutecnicas de anaacutelisis que se usan para determinar los aacutecidos
grasos
Debido a que un aacutecido graso no se puede determinar por meacutetodos
convencionales de manera directa (alto punto de ebullicioacuten ausencia de
absorbancia y fluorescencia nativa) estos meacutetodos estaacuten basados en la
conversioacuten mediante una reaccioacuten de derivacioacuten adecuada del aacutecido
graso proveniente del jaboacuten en un derivado capaz de ser determinado
mediante las teacutecnicas de deteccioacuten habituales Entre los reactivos maacutes
usados cabe destacar el BF3 en metanol175176177178179180
174 International Organization for Standardization Surface active agents- soap-
determination of low contents of free glycerol by molecular absorption spectrometry ISO 22721989 Geneva Switzerland 1989
175 Janda V Pehal F Isolation concentration and Gas Chromatographic Determination of C14- C12 fatty acids in water and sludge J High Resolution Chromatography Vol7 540-541 1984
176 Vioque E Maza MP Millaacuten F High-Performance Liquid Chromatography of fatty acids as their p-phenylazophenacyl esters J Chromatography 331 187-192 1985
177 Mukherjee PS Karnes HT Ultraviolet and fluoresence derivatization reagents for carboxylic acid for high performance liquid chromatographya Review Biomedival Chromatography Vol 10 193-204 1996
178 Gonzaacutelez-Casado A Alonso EJ Viacutelchez JL Determination of fatty acid (C8-C22) in urban waste water by GC-MS Wat Res Vol32 3168- 3172 1997
179 Gonzaacutelez-Casado A Del Olmo M Alonso EJ Viacutelchez JL Determination of fatty acid (C8-C22) in toilet soap and laundry detergents by GC-MS Quiacutemica Analiacutetica 18 203-207 1999
134 Tesis Doctoral
La escasez de metodologiacuteas se hace maacutes acusada si cabe cuando se
busca referencias sobre la determinacioacuten de jaboacuten en matrices
ambientales181182183 Esta carencia se debe al peculiar comportamiento
del jaboacuten en el medio ya que como se ha comentado antes en presencia
de sales caacutelcicas yo magneacutesicas el jaboacuten tiende a precipitar y estas sales
destacan por encima de cualquier cosa por su baja solubilidad
dificultando su anaacutelisis e imposibilitando cualquier tipo de reaccioacuten de
derivacioacuten tiacutepica de aacutecidos grasos Al objeto de resolver este grave
inconveniente en la presente Memoria se ha desarrollado un
procedimiento para transformar dichas sales previa extraccioacuten del
material lipiacutedico en sales potaacutesicas mediante reaccioacuten con AEDT y
carbonato potaacutesico
180 Gonzaacutelez-Casado A Del Olmo M Alonso EJ Espinosa P Viacutelchez JL (1998)
Determination of fatty acid (C8-C22) in sludges by GC-MS J Chromatography A 826 49-56 1998
181 Hayashi K Kawase J Yoshimura K Ara K Tsuji K Determination of trace levels of fatty acid metal salts by High Performance Liquid Chromatography with fluorescence prelabelling Analytical Biochemistry 136 314-320 1983
182 Moreno A Bravo J Ferrer J Bengoechea C Soap determination in sewage sludge by High-Performance Liquid Chromatography JAOCS 70 667 1993
183 Folke J Gilleleje G Cassani G Ferrer J Loacutepez I Linear Alkylbenzene Sulphonates branched Dodecylbenzene Sulphonates and soaps analysed in marine sediments form de Baltic proper and little belt Tenside Surf Det 40 1 2003
Introduccioacuten 135
3- LA VEGA DE GRANADA
31 - Antecedentes histoacutericos
Hace miles de antildeos la Vega de Granada era una densa zona boscosa
donde se practicaba la caza y con extensas zonas de marjaleriacutea inundadas
La mayor transformacioacuten fiacutesica se debioacute a la aparicioacuten de la agricultura y
la ganaderiacutea
Durante la ocupacioacuten musulmana se disentildeoacute probablemente el actual
sistema de regadiacuteo por acequias que riegan casi toda la Vega de Granada
y que derivan de los principales cursos de agua superficial Existen pocos
datos de la utilizacioacuten del agua en civilizaciones anteriores aunque se
conservan restos de las obras hidraacuteulicas de eacutepoca romana e incluso iacutebera
Hasta la segunda mitad del siglo XX no se produjeron cambios
significativos en la explotacioacuten del acuiacutefero Estos cambios supusieron la
creacioacuten de pozos de gran diaacutemetro a lo largo del cauce del riacuteo Genil
aunque la explotacioacuten del acuiacutefero seguiacutea siendo miacutenima En antildeos
posteriores se siguieron construyendo pozos en la Vega Baja
conservaacutendose en la actualidad maacutes de un millar de este tipo de sondeos
A partir de los antildeos 60 la agricultura de la Vega de Granada sufre un
nuevo empuje que se ve reflejado en la realizacioacuten de grandes sondeos y
ademaacutes se profundizan algunos de los ya existentes Es en el uacuteltimo
cuarto de siglo cuando se construyen los embalses de Queacutentar (1973) y
Canales (1988) que recogen una parte importante de las aguas de deshielo
procedentes de la Sierra Nevada
136 Tesis Doctoral
32 - Caracteriacutesticas fiacutesicas y socioeconoacutemicas de la Vega de
Granada
El aacuterea de la Vega de Granada corresponde a una vasta llanura de aluvioacuten
que se extiende a ambas maacutergenes del riacuteo Genil entre las poblaciones de
Cenes de la Vega al Este y de Laacutechar al Oeste
Los materiales que la forman son los depoacutesitos aluviales del riacuteo Genil y de
sus afluentes de cabecera los riacuteos Diacutelar Monachil Darro Cubillas y
Velillos Sus dimensiones son de 22 Km de longitud (en sentido Este-
Oeste) por unos 8 Km de anchura con espesores superiores a 250 metros
en el sector central184
El acuiacutefero detriacutetico de la Vega de Granada cuenta con unos recursos
hiacutedricos de 18000 Hm3middotha-1 y unas reservas explotables de 1000 hm3 La
explotacioacuten neta todaviacutea no alcanza el 50 de los recursos renovables y
el excedente escapa del sistema a traveacutes de emergencias La pluviometriacutea
y temperatura medias anuales del aacuterea son de 450 mm y 15 degC
respectivamente185
Actualmente se ubican una treintena de poblaciones incluida Granada
capital se concentra una poblacioacuten estable de alrededor de 500000
habitantes 40000 personas dependen exclusivamente del abastecimiento
de aguas subterraacuteneas y existe una intensa explotacioacuten agriacutecola que
abarca una superficie de regadiacuteo de maacutes de 15000 ha Los cultivos maacutes
extendidos corresponden a cereal choperas hortalizas maiacutez y tabaco
184 Castillo A Estudio hidroquiacutemico del acuiacutefero de la Vega de Granada Memoria de
Tesis Doctoral Univ Granada Granada Espantildea p 658 1986 185 Castillo A El embalse subterraacuteneo de la Vega de Granada uno de los maacutes importantes
de Andaluciacutea Tierra y Tecnologiacutea 9 37-42 1995
Introduccioacuten 137
Esta zona corresponde al 95 de la superficie del acuiacutefero y en ella el
espesor no saturado es inferior a 25 metros en maacutes de la mitad de su
extensioacuten
33 - Calidad de las aguas subterraacuteneas en la Vega de Granada
Las aguas del acuiacutefero proceden en maacutes de un 70 de la infiltracioacuten de
escorrentiacuteas del deshielo de Sierra Nevada hecho que condiciona que los
sectores de mejor calidad se localicen en la cabecera del acuiacutefero (aacuterea
Sur-oriental) y bajo la cabecera del riacuteo Genil
Existen focos puntuales de enriquecimientos salinos y de contaminacioacuten
por nitratos187 esta uacuteltima debida al empleo de fertilizantes agriacutecolas Las
aguas maacutes salinas se localizan en los sectores de Sierra Elvira-Alitaje
aeropuerto Romilla-Laacutechar y Maracena-Pulianas
En cuanto a la contaminacioacuten de esta zona la maacutes se destacable es por
plaguicidas En estudios realizados en la deacutecada de los 80 ya se
mencionaban contaminaciones por plaguicidas organoclorados (OCls)186
Agustiacuten187 en 1983 encuentra importantes contaminaciones por
plaguicidas OCls en las aguas superficiales y suelos de cultivo Los
plaguicidas OCls presentan una elevada persistencia y hoy en diacutea su uso
se halla muy restringido o incluso prohibido
186 Acuntildea MJ Contaminacioacuten por plaguicidas organoclorados en la Vega de Granada
Memoria de Tesis Doctoral Univ Granada Granada Espantildea p 380 1981 187 Augustin C Contaminacioacuten por plaguicidas en aguas superficiales y suelos de cultivo
de la provincia de Granada Memoria de Tesis Doctoral Univ Granada Granada Espantildea p 378 1983
138 Tesis Doctoral
En un estudio realizado en aguas de la zona saturada del acuiacutefero entre los
antildeos 1993 y 1994188 soacutelo se encontraron 10 contaminaciones cercanas o
superiores al nivel establecido por la Unioacuten Europea (01 μgL-1)189
siendo la contaminacioacuten maacutes importante por su extensioacuten la debida al
captano Este plaguicida es un fungicida relativamente polar de baja
solubilidad en agua y se encontroacute despueacutes de una eacutepoca de lluvias por lo
que probablemente se empleoacute para prevenir posibles ataques favorecidos
por la humedad Tambieacuten se detectaron contaminaciones puntuales y
esporaacutedicas por un herbicida derivado de la triazina durante los meses
de verano Por tanto la ausencia de contaminaciones por plaguicidas en
los trabajos realizados recientemente hace resaltar el poder de depuracioacuten
de la franja no saturada
Sin embargo hay que tener en cuenta que la contaminacioacuten del acuiacutefero
depende de factores externos no controlables como el aporte hiacutedrico que
recibe el acuiacutefero y de la cantidad de riegos que se apliquen en las
praacutecticas agriacutecolas El riesgo de contaminacioacuten puede ser mayor en estos
casos por lo que los estudios de prevencioacuten son importantes para
conservar la calidad de las aguas de este acuiacutefero del que como ya se ha
mencionado se abastece un nuacutemero importante de habitantes A
continuacioacuten en el siguiente esquema se indican los factores que pueden
alterar el transporte de contaminantes en el suelo seguacuten Flury190
188 De la Colina C Metodologiacutea para la determinacioacuten de residuos de plaguicidas en
aguas Aplicacioacuten al acuiacutefero de la Vega de Granada Memoria de Tesis DoctoralUniv Granada Granada Espantildea p 303 1996
189 Steenhuis TS Staubitz W Andreini MS Surface J Richard TL Paulsen R Pickering NB Hagerman JR Geohring LD Preferencial movement of pesticides and traces in agricultural soils J Irrig Drain Eng 116 50-66 1990
190 Flury M Experimental evidence of transport of pesticides through field soils A review J Environ Qual 25 25-45 1996
Introduccioacuten 139
Figura 130- Procesos que afectan al transporte de contaminantes en el suelo
140 Tesis Doctoral
CAPIacuteTULO 2
MATERIALES Y MEacuteTODOS
Materiales y meacutetodo 143
1- INTRODUCCIOacuteN
En el presente Capiacutetulo se presenta las disoluciones reactivos material de
laboratorio y la instrumentacioacuten que ha sido necesaria para la realizacioacuten
de la parte experimental de la presente Memoria de Doctorado Tambieacuten
se presenta los tratamientos estadiacutesticos empleados para la calibracioacuten y
validacioacuten de los meacutetodos analiacuteticos desarrollados
2- DISOLUCIONES REACTIVOS Y DISOLVENTES
EMPLEADOS
21 - Disoluciones
A continuacioacuten se recogen todas las disoluciones utilizadas a lo largo del
trabajo experimental
144 Tesis Doctoral
Disoluciones patroacuten
Preparadas por pesada exacta de las cantidades de sustancia patroacuten
correspondiente mostradas en la Tabla 21 y posterior disolucioacuten en
isopropanol en el caso de los jabones caacutelcicos y en metanol en el caso
del LAS los jabones potaacutesicos y los aacutecidos grasos
Las disoluciones se conservaron en frigoriacutefico en botes de cristal aacutembar
para evitar la accioacuten de la luz y a una temperatura de 4 ordmC Para
comprobar la estabilidad de las disoluciones se hizo un seguimiento
perioacutedico del valor de la sentildeal analiacutetica correspondiente y se comproboacute
que no existiacutean diferencias superiores al 5 en la sentildeal obtenida para las
distintas disoluciones durante un periodo de al menos seis meses
Tabla 21- Sustancias patroacuten
PATROacuteN PUREZA () FABRICANTE C (mg middotL-1)
LAS 4405 Cepsa- Quiacutemica 1000
2OslashC8 976 Cepsa-Quiacutemica 100
2OslashC16 900 Cepsa-Quiacutemica 100
C8K 9872 Sintetizado 100
C10K 9905 Sintetizado 100
C12K 9772 Sintetizado 100
C13K 9932 Sintetizado 100
C14K 9845 Sintetizado 100
C16K 9913 Sintetizado 100
C18K 9789 Sintetizado 100
C181K 9934 Sintetizado 100
C8-C181Ca 94-98 Sintetizado 50
C8-C181 97-99 Merck 100
Materiales y meacutetodo 145
En la Tabla 22 se muestra la distribucioacuten porcentual de los diferentes
componentes del LAS para un iacutendice activo de 4405
Tabla 22- Distribucioacuten de isoacutemeros y homoacutelogos de la mezcla patroacuten de LAS
HOMOLOGOS ISOacuteMEROS (mm)
C10 5OslashC10 491
4OslashC10 363
3OslashC10 294
2OslashC10 266
C11 5+6OslashC11 1478
4OslashC11 723
3OslashC11 567
2OslashC11 504
C12 5OslashC10 1538
4OslashC10 579
3OslashC10 465
2OslashC10 392
C13 5+6OslashC11 1338
4OslashC11 406
3OslashC11 319
2OslashC11 277
146 Tesis Doctoral
22 - Reactivos
bull 24 Dibromoacetofenona [DAP] (Merck Darmstadt Alemania)
bull 18-Eacuteter-6-Corona (Merck)
bull 4-Bromometil-7-metoxicumarina [BrMMC] (Sigma- Aldrich
Madrid Espantildea)
bull Carbonato potaacutesico (Panreac Barcelona Espantildea)
bull Cloruro caacutelcico (Panreac)
bull Dodecilsulfato soacutedico [SDS] (Panreac)
bull Fosfato hidroacutegeno dipotaacutesico (Sigma)
bull Formaldehiacutedo PA 37-38 Este reactivo se utilizoacute para inactivar
la accioacuten bacteriana cuando se procesaban las muestras
medioambientales
bull Aacutecido aceacutetico glacial PRS (Panreac)
bull Aacutecido foacutermico PA (Panreac)
bull Aacutecido trifluoroaceacutetico PRS (Fluka)
bull Aacutecido fosfoacuterico PA 85 (Panreac)
Materiales y meacutetodo 147
23 - Gases
bull Helio calidad ALFAGaz 99999 de pureza (Air Liquide)
bull Nitroacutegeno calidad ALFAGaz 99999 de pureza (Air Liquide)
24 - Disolventes
bull Agua desionizada obtenida en el equipo de oacutesmosis inversa Milli
RO 12 Plus (MILLIPORE) acoplado con un equipo de
purificacioacuten Milli Q Plus 185 (MILLIPORE) La conductividad
del agua fue controlada perioacutedicamente no superando en ninguacuten
momento el valor de 10 μScm-1
bull Acetona grado HPLC (Merck)
bull Metanol grado HPLC (Merck)
bull Metanol PRS (Panreac)
bull Acetonitrilo grado HPLC (Panreac)
bull 2-propanol grado HPLC (J T Baker Deventer Holanda)
bull Etilenglicol PRS (Panreac)
bull Tetrahidrofurano grado HPLC (Sigma-Aldrich)
148 Tesis Doctoral
bull n-Hexano grado HPLC (Merck)
bull Eacuteter de petroacuteleo PA (J T Baker)
bull Acetato de etilo PRS (Riedel-de-Haeumln Madrid Espantildea)
3- MATERIAL DE LABORATORIO E INSTRUMENTACIOacuteN
31 - Material de laboratorio
Para el desarrollo de todo el trabajo experimental se utilizoacute el siguiente
material
bull Matraces aforados clase A de diferentes capacidades
bull Pipetas graduadas y aforadas clase A de diferentes capacidades
bull Viales de vidrio para inyeccioacuten cromatograacutefica de 20 y 15 mL
bull Tapones de rosca y de caacutepsula para viales de inyeccioacuten
cromatograacutefica
bull Tubos de centriacutefuga de 100 mL de capacidad
bull Encapsulador para viales cromatograacuteficos
bull Descapsulador para viales cromatograacuteficos
Materiales y meacutetodo 149
bull Micropipetas de 05-10 μL 10-50 μL 50-200 μL 200-1000 μL y
1000-10000 μL
bull Frascos de plaacutestico (polipropileno) con capacidad volumeacutetrica
de 80 mL
bull Matraces kitasatos para vaciacuteo de diferentes tamantildeos
bull Membranas de filtracioacuten 045 μm de nylon Millipore
empleadas para la filtracioacuten de disolventes orgaacutenicos yo
disoluciones reguladoras del pH
bull Equipo de filtracioacuten Millipore provisto de
- Portafiltros analiacuteticos de soporte de vidrio sinterizado
- Matraz kitasato para vaciacuteo de 500 mL
bull Jeringas de 2 y 10 mL
bull Agujas de 08x40 mm
bull Filtros de jeringa de celulosa regenerada de 020 μm
bull Microreactores de vidrio de 10 mL de capacidad
bull Frasco metaacutelico de forma ciliacutendrico-coacutenica (acero inoxidable)
usado para el bantildeo de ultrasonido con altura de 135 cm base
inferior de 120 cm de diaacutemetro interno base superior de 150 cm
de diaacutemetro interno y con capacidad volumeacutetrica para 1750 mL
150 Tesis Doctoral
bull Frascos metaacutelicos de forma ciliacutendrica (acero inoxidable) para
realizar la centrifugacioacuten con capacidad de 125 mL
bull Soxhlets de 200 y 250 mL de capacidad
bull Goteros vasos de precipitado tubos de ensayo
pesasustancias pipetas Pasteur asiacute como otro tipo de material
elemental de vidrio que podemos encontrar en cualquier
laboratorio analiacutetico
La limpieza y mantenimiento de todo material empleado a lo largo del
trabajo experimental se realizoacute con mezcla croacutemica o HNO3 al 50 (vv)
y enjuagando posteriormente con abundante agua desionizada antes de su
utilizacioacuten
32 - Instrumentacioacuten
Los instrumentos empleados para la realizacioacuten de la parte
experimental fueron
321 - Cromatoacutegrafo de liacutequidos
Cromatoacutegrafo de liacutequidos AGILENT TECHNOLOGIES 1100
Series equipado con
bull Bomba cuaternaria
bull Sistema de desgasificacioacuten mediante bomba de vaciacuteo
Materiales y meacutetodo 151
bull Sistema automaacutetico de inyeccioacuten de con volumen variable (de 01
- 100 microL)
bull Compartimento termostatizado para la columna cromatograacutefica
bull Detector de fluorescencia
- Laacutempara de descarga modulada de Xenoacuten de 20 W en modo
normal y de 5 W en modo econoacutemico
- Ceacutelula de flujo de 8 μL
- Monocromadores con intervalos de longitudes de onda de
Excitacioacuten 200 a 700 nm en orden cero
Emisioacuten 280 a 900 nm en orden cero
- Rendijas
Excitacioacuten 20 nm
Emisioacuten 20 nm
bull Detector de Diodos Array UV-Vis
322 - Sonda Ultrasoacutenica Digital Modelo Sonifier S450D (
BRANSON) equipado con
bull Convertidor tipo 102
bull Resonador estaacutendar de 127 mm de diaacutemetro
bull Punta enroscable de 127 mm de diaacutemetro
152 Tesis Doctoral
bull Sonda de temperatura
bull Micropunta enroscable de diaacutemetro final de 3 mm
323 - Equipo de Extraccioacuten yo digestioacuten con microondas (Mars-
CEM) equipado con
bull Catorce cartuchos para llevar a cabo la extraccioacutendigestioacuten de
manera simultaacutenea
bull Sensor de temperatura
bull Sensor de presioacuten
324 - Otros aparatos e instrumentos
bull Balanzas Analiacuteticas METTLER PJ360 Delta Range y METTLER
AE 163
bull pH-metro digital CRISON modelo Micro-pH 2000 provisto de
electrodo combinado de vidrio y cloruro de plata
bull Estufa de secado de 50 - 300 ordmC HEAREUS
bull Bantildeo de ultrasonido SELECTA de 1000 mL de capacidad
bull Placa agitadora-calefactora HEILDOPH modelo 2002
Materiales y meacutetodo 153
bull Bomba de vaciacuteo SCHOTT IBERICA MZ 2C con capacidad de
succioacuten de 17 m3h-1
bull Bomba peristaacuteltica ISMATEC con capacidad para 4 canales
bull Arcoacuten congelador y frigoriacutefico COMERSA
bull Termostato B BRAUN modelo Frigomix U plus Thermomix 1441
bull Colector de fracciones AMERSHAM BIOSCIENCES modelo
Frac-200 con capacidad para 95 tubos
bull Agitador giratorio JP SELECTA con capacidad para hasta 8
frascos
bull Agitador de tubos IKA modelo Yellow line TTS 2
bull Tamices metaacutelicos de distintas mallas MECAacuteNICA
CIENTIacuteFICA con mallas nordm 5 nordm 14 nordm 30 - ASTM
bull Barrena tomamuestras de suelos EDELMAN con diaacutemetro de
7 cm y longitud del bastoacuten de 125 cm
4 - PROGRAMAS INFORMAacuteTICOS
bull La recogida y tratamiento de los datos del sistema HPLC se ha
realizado mediante el programa CHEMSTATION HPLCHPLC-
MS
154 Tesis Doctoral
bull Las estructuras quiacutemicas se ha dibujado con el programa CS
ChemDraw Pro Cambridge Soft Corporation 1985-1997 (1997)
bull Los programas de caacutelculo utilizados han sido
- Statgraphics Plus 41 STSC Inc de Statistical Graphics
Corporation USA (1999)
- Microsoft Office Excel 2003-07 Copyright 1983-2007
Microsoft Corporation (2007)
5 - OPTIMIZACIOacuteN DE VARIABLES
51 - Meacutetodos univariantes
El empleo de la metodologiacutea univariante consiste en modificar soacutelo una
variable en cada experimento Una vez terminada la optimizacioacuten para esa
variable se procede a repetir el procedimiento con la siguiente
La manera de proceder ha sido la siguiente
bull Seleccioacuten de variables influyentes
bull Eleccioacuten de una de ellas
bull Fijacioacuten del resto de variables en un valor determinado
bull Modificacioacuten de la variable escogida en un rango adecuado
bull Representacioacuten graacutefica de la sentildeal obtenida frente a la variable
bull Ajuste de los datos a un modelo adecuado
bull Obtencioacuten del oacuteptimo
bull Fijacioacuten de esta variable en ese valor
Materiales y meacutetodo 155
bull Repeticioacuten del proceso para otra variable
52 - Meacutetodos multivariantes
El empleo de la metodologiacutea multivariante se ha extendido bastante en las
uacuteltimas deacutecadas por diferentes motivos
bull Proporciona una mayor informacioacuten del dominio experimental
bull Reduce el nuacutemero de experiencias
bull Contempla la posible interaccioacuten entre variables
Por una parte hay una reduccioacuten del nuacutemero de experiencias necesarias
para la optimizacioacuten de variables conllevando con esto a un menor coste
menor tiempo de anaacutelisis mayor durabilidad de los instrumentos etc Y
por otra el uso de meacutetodos multivariantes de optimizacioacuten permite un
conocimiento maacutes profundo sobre el sistema analiacutetico objeto de estudio
La forma tradicional para elaborar la optimizacioacuten de alguna variable en
la experimentacioacuten quiacutemica se basa en el meacutetodo univariante (uno a la
vez) es decir se fundamenta en el estudio del problema a traveacutes de la
modificacioacuten de las variables una a una variaacutendose los niveles de una
variable (factor) mientras las demaacutes permanecen fijas Esta metodologiacutea
presenta algunos inconvenientes puesto que requiere un gran esfuerzo
experimental puede no detectar la existencia de interaccioacuten o dependencia
entre variables y de presentar un campo de validez restringido y ademaacutes
puede llevar en algunos casos a dar interpretaciones erroacuteneas sobre esos
oacuteptimos asiacute obtenidos en el caso de fijar las variables en unos valores
determinados ldquoa priorirdquo (sin conocer si estos valores son los oacuteptimos para
esas variables) Si existe una dependencia entre algunas variables ocurriraacute
156 Tesis Doctoral
que en funcioacuten de que la primera tome un valor u otro se obtendraacute un
oacuteptimo distinto para la segunda Pues bien si esto ocurre no se podraacute
utilizar la optimizacioacuten univariante pues puede llevar a valores de oacuteptimos
para las variables equivocadas La alternativa es el uso de los meacutetodos
multivariantes que permiten conocer si existe o no dependencia entre las
variables del sistema analiacutetico Ademaacutes el hecho de modificar en cada
experiencia maacutes de una variable a la vez puede reducir el nuacutemero de
experiencias necesarias para obtener la misma informacioacuten o maacutes que en
el caso de la optimizacioacuten univariante
El empleo de estos meacutetodos multivariantes para detectar dependencias de
variables variables significativas y optimizacioacuten de variables implica la
realizacioacuten de uno o varios disentildeos experimentales
La metodologiacutea a emplear seriacutea
bull Eleccioacuten del tipo de disentildeo
bull Seleccioacuten de los factores y niveles a emplear
bull Obtencioacuten de la matriz de experiencias asociada al disentildeo elegido
bull Adquisicioacuten de los datos analiacuteticos
bull Ajuste de los datos obtenidos a un modelo adecuado
bull Comprobacioacuten de la ausencia de valores anoacutemalos
bull Idoneidad del modelo propuesto
bull Inspeccioacuten de efectos significativos
bull Obtencioacuten del oacuteptimo en su caso
bull Conclusiones obtenidas
Materiales y meacutetodo 157
521 - Disentildeos experimentales
Un disentildeo experimental consiste en el planteamiento de varias
experiencias en las cuales se modifica los valores de algunas de las
variables presentes en ese disentildeo con objeto de obtener la mayor
informacioacuten posible del dominio experimental usando el menor nuacutemero
de experiencias posible Los disentildeos se basan en los principios de
aleatorizacioacuten replicacioacuten y homogeneidad de las unidades
experimentales
En cada experiencia (punto experimental) se tiene cada variable (factor)
en un valor determinado (nivel) y se genera un valor para de sentildeal
(respuesta) La disposicioacuten de los factores en sus correspondientes niveles
a lo largo de las experiencias generan el disentildeo experimental Una vez
realizado el disentildeo y obtenidos los datos correspondientes se aplica el
modelo matemaacutetico Los modelos matemaacuteticos usados son funciones
polinoacutemicas de distintos oacuterdenes El soporte matemaacutetico empleado
consiste en el establecimiento de un anaacutelisis de la varianza (ANOVA) que
en resumen descompone la variabilidad total de los datos obtenidos en
fuentes de variabilidad asociadas en este caso a los distintos factores e
interacciones En funcioacuten del objetivo buscado se utilizaraacute un modelo de
coeficientes para optimizar o un modelo de efectos para ver la influencia
de los distintos factores
158 Tesis Doctoral
Despueacutes se debe comprobar que no hay valores anoacutemalos Se debe indicar
que la deteccioacuten de valores anoacutemalos es diferente a como se hace por
ejemplo en la comparacioacuten de dos medias Aquiacute no hay valores
repetitivos con los factores en los mismos niveles (excepto para el punto
central) por lo que no se puede rechazar un valor anoacutemalo sin maacutes sino
que se tiene que repetir esa experiencia Para detectar anoacutemalos hay
varias posibilidades
a) Representacioacuten de Daniell
Consiste en hacer una representacioacuten graacutefica de la probabilidad normal de
los efectos de manera que si hay valores anoacutemalos apareceraacuten dos ramas
que no pasan por el centro obteniendo una discontinuidad La ausencia de
anoacutemalos viene determinada por la obtencioacuten de una recta sin ramas
b) Anaacutelisis de residuos
bull Inspeccioacuten visual La presencia de un posible valor anoacutemalo viene
determinada por la aparicioacuten de un residuo maacutes grande que el
resto Para ello se hace una representacioacuten de los residuales de
cada una de las experiencias frente por ejemplo al orden de
experiencia Si se obtiene un punto que se aleja de la distribucioacuten
normal se puede tener un anoacutemalo Pero para poder desecharlo
lo mejor es utilizar un test estadiacutestico
bull Test estadiacutestico Se aplica alguacuten test estadiacutestico para ver la
existencia de valores anoacutemalos como la Q de Dixon la R de
Grubbs o el criterio t al residuo maacutes grande Viendo si el residuo
Materiales y meacutetodo 159
pertenece a la distribucioacuten normal formada por el resto de datos
se puede concluir si hay o no anoacutemalo
c) Reconstruccioacuten del disentildeo
Existe otra posibilidad consistente en efectuar una reconstruccioacuten del
disentildeo para obtener reacuteplicas para cada experiencia (generalmente tres)
522 - Idoneidad del modelo
Se puede verificar la idoneidad del modelo Baacutesicamente consiste en ver si
los datos se ajustan al modelo matemaacutetico elegido y en queacute grado lo
hacen Esto se puede comprobar por medio de
bull El valor P del Test de fallo de ajuste Considerando un error ldquoα =
05rdquo un valor de P mayor del 5 da un modelo idoacuteneo para los datos
bull El coeficiente de determinacioacuten ajustado a los grados de libertad
R2 (variable explicada) y el coeficiente Q2 (variable predicha) Ambos
coeficientes deben estar cerca de la unidad y no deben estar separados por
maacutes de 02 o 03 unidades1 En la Tabla 23 se representa los valores
aceptables para cada uno de estos coeficientes en funcioacuten de la naturaleza
de los datos experimentales2
1 Eriksson L Johansson E Wikstroumlm C Mixture design-design generation PLS
analysis and model usage Chemom Intel Lab Syst 43 1-24 1998 2 Lundstedt T Seifert E Abramo L Thelin B Nystroumlm A Pettersen J Bergaman R
Experimental design and optimization Chemom Intel Lab Syst 42 3-40 1998
160 Tesis Doctoral
Tabla 23 - Guiacutea general para evaluar los coeficientes R2 y Q2
Naturaleza de los datos R2 Q2
Quiacutemica Aceptable ge 080 Aceptable ge 050 Excelente gt 080
Bioloacutegica Aceptable gt 070 Aceptable gt 040
Para cada factor y cada interaccioacuten se puede calcular un test estadiacutestico de
la F de Snedecor basado en la distribucioacuten F de Fischer calculado como
cociente de la varianza de cada factor o interaccioacuten dividido por la
varianza del error Por comparacioacuten con la distribucioacuten estadiacutestica
asociada a los grados de libertad correspondientes se puede indicar si la
variabilidad introducida por cada factor es significativa Es decir se puede
verificar queacute factores hay que tener en cuenta ya que alteran en mayor
medida la sentildeal e incluso queacute factor o factores no se debe considerar a causa
de que aportan una fuente de variabilidad al sistema pequentildea
La realizacioacuten de cada disentildeo en concreto responde a un fin determinado que
genera los tres tipos de disentildeos existentes
bull Disentildeos de diagnoacutestico (Screening Design)
bull Disentildeos de superficie de respuesta (Response Surface Design)
bull Disentildeos mezcla (Mixture Design)
5221 - Disentildeos de diagnoacutestico
Estos disentildeos se emplean para seleccionar los factores maacutes influyentes en
un sistema analiacutetico cuando se tiene un nuacutemero elevado de eacutestos Como su
Materiales y meacutetodo 161
nombre indica diagnostican los factores a tener en cuenta para realizar
una optimizacioacuten A veces ocurre que hay un gran nuacutemero de factores a
considerar que generariacutea un elevado nuacutemero de experiencias cuando
ademaacutes puede ocurrir que varios de esos factores no afecten de forma
significativa Pues bien en este caso se puede aplicar un disentildeo de
diagnoacutestico para quedar soacutelo con aquellos factores que ejerzan una
influencia significativa en el sistema analiacutetico
Los disentildeos de diagnoacutestico maacutes empleados son los factoriales completos
n2 Este tipo de disentildeos factoriales se expresan mediante una potencia de
base 2 donde la base (n) indica el nuacutemero de factores a considerar el
exponente da el nuacutemero de niveles y donde el desarrollo de la potencia
da el nuacutemero de experiencias a realizar La tabla de experiencias
resultante para este tipo de disentildeos consiste en ir modificando
paulatinamente los niveles para cada factor Ahora soacutelo queda obtener las
sentildeales correspondientes a cada experiencia
Una vez realizado el disentildeo se procede a su anaacutelisis Lo que se busca es
ver por una parte la posible dependencia de factores y por otra queacute
factores del total deben ser considerados para un posterior proceso de
optimizacioacuten
Mediante la realizacioacuten de un ANOVA se puede observar si hay
dependencia entre los factores considerados Para ello se debe calcular los
efectos producidos por los distintos factores y hacer una representacioacuten
graacutefica de estos efectos Por ejemplo se puede representar los efectos
frente a los factores obteniendo liacuteneas que representan la variacioacuten de la
sentildeal producida al modificar un factor para cada uno de los niveles del
otro de manera que si son paralelas se puede decir que no existe
162 Tesis Doctoral
interaccioacuten Tambieacuten se puede obtener una uacutenica liacutenea que representa la
variacioacuten del factor considerado concluyendo que hay efecto si la liacutenea no
es horizontal Ademaacutes observando los valores de P en la tabla ANOVA
para las interacciones tambieacuten se puede verificar si se debe tenerla en
cuenta
Por otra parte aquellos factores que generen un valor P lt 5 (Nivel de
confianza del 95) para el estadiacutestico de la F de Snedecor no seraacuten
relevantes en el sistema analiacutetico y se podraacute desecharlos al optimizar Por
tanto soacutelo se quedaraacute con aquellos que proporcionen un valor de P gt 5
5222 - Disentildeos de superficie de respuesta
Este tipo de disentildeos (DSR) se emplea para seleccionar valores oacuteptimos de
factores en un sistema analiacutetico concreto Son disentildeos maacutes grandes que los
de diagnoacutestico y que por tanto dan una mayor informacioacuten del dominio
experimental a estudiar Estaacute claro que soacutelo con dos niveles para cada
factor no se obtiene la informacioacuten suficiente para establecer un valor
oacuteptimo determinado Por ello se emplean estos disentildeos de superficie de
respuesta
Son bastante empleados cuando se analizan y modelan problemas en los
cuales la respuesta de intereacutes estaacute influenciada por varias variables siendo
el objetivo final el desarrollo la mejora y optimizacioacuten de productos y
procesos (Lopez3 et al 2002 Perez4 2001 Montgomery5 2002 Box6 et
3 Loacutepez EA Sendra JMB Rodriacuteguez LC Garciacutea LG Campantildea AMG Casado AM
Quimiometriacutea Optimizacioacuten de un meacutetodo de anaacutelisis quiacutemico (9ordf edicioacuten) Curso ofrecido por el Centro de Formacioacuten Contiacutenua de la Universidad de Granada 2002
4 Peacuterez C Estadiacutestica praacutectica con Statgraphics Ed Pretince Hall p 691 Madrid Espantildea 2001 5 Montgomery DC Disentildeo y anaacutelisis de experimentos Ed Limusa Wiley p 686 Meacutexico Meacutexico 2002
Materiales y meacutetodo 163
al 1978)
Tambieacuten se utiliza ampliamente la metodologiacutea de superficies de
respuesta como una teacutecnica de optimizacioacuten basada en la utilizacioacuten de
disentildeos factoriales introducida por GEP Box en la deacutecada de 1950 y
viene siendo aplicada con gran eacutexito al modelado de diversos procesos
(Murphy7 et al 2004 Soo8 et al 2003 Elibol amp Ozer9 2002 Kiran10 et
al 2001 Lindgren11 et al 1996 Poon12 1995 Zaid13 et al 2003)
Los disentildeos maacutes empleados son los factoriales completos con reacuteplicas del
punto central los cuacutebicos centrados en las caras en estrella Doehlert etc
La eleccioacuten de un tipo de disentildeo u otro dependeraacute mucho del sistema
analiacutetico concreto y del conocimiento previo que se tenga sobre el sistema
y los disentildeos existentes
La metodologiacutea a seguir seriacutea la siguiente
bull Estimar los coeficientes del modelo
6 Box GEP Hunter WG Hunter JS Statistics for experiments An introduction to design
data analysis and model building John Wiley amp Sons p-652 New York USA 1978 7 Murphy SC Gilroy D Kerry JF Buckley DS Kerry JP Evaluation of surimi fat and water content in a
lowno added pork sausage formulation using response surface methodology Meat Sci 66 689-701 2004 8 Soo EL Salleh AB Basri M Ralman RNZA Kamaruddin K Response surface methodological
study on lipase-catalysed synthesis of amino acid surfactants Process Biochem 39 1511-1518 2004 9 Elibor M Ozer D Responde sufacrce sanalysys of lipadde production by freely
syuspended Rhizopus arrhizus Process Biochem 38 367-372 2002 10 Kiran KR Manohar B Divakar S A central composite rotatable design analysis of lipase
catalysed synthesis of lauryl lactic acid at bench-scale level Enzyme Microb Technol 29 122-128 2001
11 Lindgren A Sjoumlstroumlm M Wold S PLS modeling of detergency perfomance for some technical nonionic surfactants Chemom Intel Lab Syst 32 11-124 1996
12 Poon GKK Sequential experimental study and optimisation of an acid cooper pattern plating process Circ World 22 7-13 1995
13 Zaid TA Bensari L Benmaza K Chitour CE Canselier JP Response surface methodology as an approach to optimization of a dishwashing detergent Comunicacioacuten presentada en las 33 Jornadas del Comiteacute Espantildeol de Detergencia
164 Tesis Doctoral
bull Comprobar el modelo
- Ajuste del modelo teoacuterico a los datos experimentales
- Estimar el error
bull Estudio de la superficie de respuesta estimada
bull Obtencioacuten de los valores oacuteptimos
5223 - Disentildeos mezcla
La forma de trabajar en los disentildeos mezcla es distinta a los tipos
anteriores debido a una serie de restricciones que poseen estos disentildeos
La primera es que el intervalo de variacioacuten de los factores (que ahora
siempre seraacute composiciones en tanto por uno) es de 0 a 1 y la segunda
que la suma de todas las composiciones debe dar uno Es decir que hay
relaciones de ligadura entre esas composiciones Esto hace que los valores
que pueden tomar los factores sean menores que en los otros tipos de
disentildeos De nuevo los modelos matemaacuteticos son funciones polinoacutemicas
de grado 1 2 o 3 generalmente Pero debido a las restricciones
anteriormente comentadas las funciones polinoacutemicas no poseen los
teacuterminos puros Asiacute que para obtener el maacuteximo en vez de aplicar el
criterio de Lagrange se emplea la regla de la palanca sobre un mapa de
contorno de la superficie
6 - CALIBRACIOacuteN Y PARAacuteMETROS ANALIacuteTICOS DEL
MEacuteTODO
Los meacutetodos instrumentales de anaacutelisis suelen ser meacutetodos comparativos
o relativos Por tanto para obtener la concentracioacuten de analito presente en
una muestra es necesario realizar la comparacioacuten de la medida fiacutesica con
Materiales y meacutetodo 165
la de un conjunto de patrones de composicioacuten conocida a traveacutes de lo que
llamamos proceso de calibracioacuten quiacutemica Es por ello que la calibracioacuten
como etapa integrante del proceso analiacutetico es de gran importancia y soacutelo
se puede obtener una buena exactitud en los resultados si se aplican
buenos meacutetodos de calibracioacuten
El proceso de calibracioacuten consta de dos etapas
rArr Etapa de calibracioacuten En ella se establece el modelo que relaciona la
variable dependiente (sentildeal analiacutetica) con la variable independiente
(concentracioacuten)
Sentildeal analiacutetica = f (concentracioacuten) (21)
rArr Etapa de prediccioacuten Consiste en obtener las variables
independientes es decir las concentraciones de una o maacutes muestras
problema a partir del valor obtenido para la variable dependiente El valor
de la variable independiente correspondiente a muestras patroacuten junto con
las sensibilidades permiten predecir los valores de estas variables en las
muestras problema
Dentro del campo de la Quiacutemica Analiacutetica los modelos de calibracioacuten maacutes
utilizados son de regresioacuten univariante Estos modelos se caracterizan por
la existencia de una variable independiente (concentracioacuten) que se
relaciona con la respuesta (sentildeal instrumental) mediante una relacioacuten
lineal La relacioacuten funcional que se establece entre ambas variables se
ajusta a un modelo matemaacutetico del tipo
Y = a + b X (22)
166 Tesis Doctoral
donde Y es la variable dependiente X la independiente y a y b dos
paraacutemetros estimados a partir de los datos experimentales
De todos los modelos de regresioacuten el que ajusta los valores
experimentales por medio del algoritmo gaussiano de hacer miacutenimo el
cuadrado de los residuales es el maacutes frecuentemente usado para el
establecimiento de la ecuacioacuten de la recta de calibrado La aplicacioacuten de
este algoritmo implica el cumplimiento de determinadas condiciones que
puedan garantizar la validez del modelo de regresioacuten univariante siendo
estas condiciones las siguientes
1) La existencia de la aleatoriedad de las muestras
2) La relacioacuten entre la variable independiente y la variable dependiente
concentracioacuten y sentildeal analiacutetica respectivamente seraacute lineal en todo el
rango de aplicabilidad (linealidad)
3) Los errores se tienen que producir uacutenicamente en la medida de la sentildeal
instrumental Esto significa que la variable concentracioacuten no debe ser
aleatoria es decir que esteacute medida sin error o su error aleatorio sea
despreciable frente a la respuesta En la praacutectica este error se minimiza
con el empleo de sustancias patroacuten
4) Los errores en la respuesta deben presentar una distribucioacuten normal
(normalidad) es decir deben ser independientes entre siacute estar distribuidos
por igual y su media sea cero lo que implica que para cada concentracioacuten
de analito la dispersioacuten de las medidas de la sentildeal analiacutetica debe ser la
misma e independiente de dicha concentracioacuten De esta forma se
establece una uacutenica desviacioacuten estaacutendar Syx como representativa de la
Materiales y meacutetodo 167
dispersioacuten de la sentildeal analiacutetica para todo el rango dinaacutemico lineal de
concentracioacuten de analito condicioacuten esta a la que se denomina
homogeneidad de varianza o homocedasticidad
En la Figura 21 se muestra un modelo de regresioacuten lineal univariante
Figura 21- Ilustracioacuten graacutefica del modelo de regresioacuten lineal
61 - Rechazo de valores anoacutemalos
Tras la obtencioacuten de cualquier dato experimental hay que tener en cuenta
que antes de considerarlo se debe verificar su idoneidad puesto que puede
haber alguacuten valor considerado anoacutemalo Para esta finalidad se puede
recurrir al test estadiacutestico que se emplea para el rechazo de valores
anoacutemalos denominado Prueba de la Q14 Dicho test se lleva a cabo de la
siguiente manera
1) Se ordenan los datos a estudiar en orden ascendente para seleccionar el
valor discordante y su vecino maacutes cercano
14 Dean RB Dixon WJ Simplified statistics for small numbers of observations Anal
Chem 23 636-638 1951
Y =
168 Tesis Doctoral
2) Se calcula la diferencia entre el valor anoacutemalo y el valor maacutes cercano
y la dispersioacuten completa de la serie restando al valor maacutes alto el valor maacutes
bajo
3) A continuacioacuten se divide el valor absoluto de la primera diferencia
entre la dispersioacuten de la serie para obtener el valor de Qcal y se compara
con el valor de Q tabulado para un nivel de significacioacuten del 5 y para (n-
1) grados de libertad siendo n el nuacutemero total de valores obtenidos Las
hipoacutetesis consideradas en este test son
Valor no anoacutemalo Qcal lt Qtab rArr hipoacutetesis nula (H0)
Valor anoacutemalo Qcal ge Qtab rArr hipoacutetesis alternativa (H1)
62 - Funcioacuten de calibracioacuten
El modelo de calibracioacuten seleccionado fue el linear de regresioacuten
univariante por miacutenimos cuadrados La estimacioacuten de los paraacutemetros a y b
del modelo es la primera operacioacuten a realizar con objeto de obtener la
funcioacuten lineal de calibracioacuten Se parte para ello de una serie de n pares de
valores experimentales correspondientes a las concentraciones y sentildeales
analiacuteticas y se les aplica el meacutetodo de miacutenimos cuadrados
Si se supone el cumplimiento de la condicioacuten de homocedasticidad el
meacutetodo de miacutenimos cuadrados proporciona las estimaciones de los
paraacutemetros a y b maacutes precisas entre las veraces Los intervalos de
confianza de la pendiente (b) y la ordenada en el origen (a) se calculan a
partir de las siguientes ecuaciones
Materiales y meacutetodo 169
Ordenada en el origen a plusmn tαn-2sdotsa
Pendiente b plusmn tαn-2sdotsb
donde tαn-2 es el valor del estadiacutestico t-Student para un nivel de
significacioacuten α determinado y n-2 grados de libertad y Sb y Sa son las
desviaciones estaacutendar correspondientes a la pendiente y ordenada en el
origen respectivamente A lo largo de esta tesis se utiliza un nivel de
significacioacuten del 5
La verificacioacuten de las hipoacutetesis del modelo en un problema particular es
clave para establecer la validez de dicho modelo y para lograrla hay que
asumir evidentemente la aleatoriedad de las muestras paraacutemetro
controlado por una planificacioacuten correcta de la experiencia de calibrado
como tambieacuten la normalidad de los datos
Para comprobar la tendencia lineal de los datos en esta tesis se ha optado
por la evaluacioacuten del fallo de ajuste de los datos homocedaacutesticos al
modelo El test se aplica sobre el conjunto de parejas de datos
experimentales empleadas para establecer el modelo de regresioacuten Es
necesario para ello tener maacutes de una reacuteplica de algunas de las parejas de
datos Este test compara el valor del estadiacutestico F calculado como el
cociente de las varianzas debidas al fallo de ajuste MSFA y al error puro
MSPE con los valores tabulados para un determinado nivel de
significacioacuten α fijado en el 5 y con k-2 y n-k grados de libertad siendo
k el nuacutemero de patrones de calibracioacuten diferentes y n el nuacutemero total de
observaciones Esta condicioacuten seraacute evaluada mediante el caacutelculo del valor
Plof del test de fallo de ajuste Si P ge 5 se concluiraacute por la existencia de
linealidad es decir los datos se ajustan al modelo lineal seleccionado
170 Tesis Doctoral
Finalmente se estudia la homogeneidad de varianzas es decir la
condicioacuten de homocedasticidad Para comprobar esta hipoacutetesis se empleoacute
el anaacutelisis graacutefico de los residuos seguacuten propone Boqueacute amp Rius15
definiendo como residuo la distancia vertical desde cada punto
experimental al valor que le corresponderiacutea mediante la recta de regresioacuten
estimada por miacutenimos cuadrados Normalmente se realizan
representaciones graacuteficas de los residuos frente a las respuestas calculadas
por el modelo o frente a la variable independiente (concentracioacuten) En esta
Memoria se ha hecho uso de esta segunda opcioacuten es decir la
representacioacuten graacutefica de los residuos frente a los valores de concentracioacuten
De la observacioacuten de estas graacuteficas puede evaluarse el cumplimiento de la
condicioacuten de homocedasticidad de los datos y detectarse la presencia de
valores anoacutemalos para ello se debe cumplir que sea igual el nuacutemero de
residuos positivos y negativos encontrado que haya aleatoriedad en la
distribucioacuten y se obtengan valores similares entre los residuales
La Figura 22 representa una distribucioacuten ideal del tipo de los
residuales (que son la diferencia entre los valores predichos y los
experimentales) frente a la concentracioacuten
15 Boqueacute R Rius FX Avances en Quimiometriacutea Praacutectica Servicio de Publicaciones e
Intercambio cientiacutefico de la Universidad de Santiago de Compostela Santiago de Compostela Espantildea 1994
Materiales y meacutetodo 171
Figura 22 - Distribucioacuten de los residuales frente a la concentracioacuten (condicioacuten de homocedasticidad)
63 - Paraacutemetros de calidad del meacutetodo analiacutetico
Los paraacutemetros de calidad establecidos a lo largo de esta tesis fueron los
siguientes
- Rango dinaacutemico lineal y Linealidad
- Precisioacuten
- Sensibilidad o Resolucioacuten analiacutetica
- Liacutemites de deteccioacuten y cuantificacioacuten
-04
-02
00
02
04
C1 C2 C3 C4 C5 C6Concentracioacuten
e i
-04
-02
00
02
04
C1 C2 C3 C4 C5 C6Concentracioacuten
e i
172 Tesis Doctoral
631 - Rango dinaacutemico lineal y Linealidad
El rango dinaacutemico lineal viene definido por el liacutemite superior del intervalo
de concentraciones en el que se ha aplicado el meacutetodo analiacutetico y por el
liacutemite de cuantificacioacuten de dicho meacutetodo Por otra parte la linealidad
indica el grado de ajuste de los valores de la sentildeal medidos sobre la recta
de calibrado16 Se pueden distinguir dos tipos de linealidad
- La linealidad ldquoen liacuteneardquo(in-line) se corresponde con el valor P del
fallo de ajuste
- La linealidad ldquosobre la liacuteneardquo(on-line) que se define como el
propio coeficiente de correlacioacuten (r) o como el coeficiente de
determinacioacuten (R2) sin embargo valores de (r) muy proacuteximos a la unidad
no indican necesariamente una alta calidad de los datos analiacuteticos
Tambieacuten se puede emplear la desviacioacuten estaacutendar relativa de la pendiente
DER(b) que se calcula por el cociente del valor de la desviacioacuten estaacutendar
de la pendiente (Sb) entre la pendiente (b) como medida matemaacutetica de la
linealidad De esa forma la linealidad viene dada por la ecuacioacuten 23
LIN () = [1 - DER(b)] middot 100 (23)
donde Sb es la desviacioacuten estaacutendar relativa de la pendiente de la funcioacuten de
calibrado
16 Analytical Methods Committee Is My Calibration Linear Analyst 119 2363-2366
1994
Materiales y meacutetodo 173
El valor maacuteximo de linealidad seraacute por tanto del 100 de forma que cuanto
maacutes proacuteximo esteacute el valor calculado para este paraacutemetro a dicho valor
mayor seraacute el ajuste de los datos experimentales al modelo lineal propuesto
632 - Precisioacuten
Este paraacutemetro mide el grado de incertidumbre que se puede esperar de los
resultados analiacuteticos obtenidos a partir del calibrado
Para evaluar la precisioacuten del meacutetodo analiacutetico se estudioacute la fluctuacioacuten de
la sentildeal analiacutetica correspondiente a una serie de disoluciones de
concentracioacuten igual al punto central del rango dinaacutemico lineal De forma
que la precisioacuten vendraacute estimada por el valor de la desviacioacuten estaacutendar
relativa (DER) de dicha sentildeal calculada seguacuten la ecuacioacuten 24
001ysDER sdot⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= (24)
donde s es la desviacioacuten estaacutendar de las sentildeales medidas e y es la sentildeal
analiacutetica media
633 - Sensibilidad o Resolucioacuten analiacutetica
La sensibilidad de un meacutetodo analiacutetico se puede definir como la derivada
de la magnitud analiacutetica dependiente de la concentracioacuten del analito
respecto de dicha concentracioacuten Asiacute se acepta como valor de la
174 Tesis Doctoral
sensibilidad el de la pendiente de la funcioacuten de calibrado denominada
seguacuten la IUPAC sensibilidad del calibrado17
Sin embargo la medida de la sensibilidad no debe limitarse uacutenicamente al
caacutelculo de la pendiente de la funcioacuten de calibrado ya que las dispersiones
originadas en el proceso de calibracioacuten influiraacuten notablemente sobre la
misma Asiacute Mandel y Stiehler18 proponen que la sensibilidad analiacutetica
vendraacute definida por el cociente entre la desviacioacuten estaacutendar de la regresioacuten
(SRC o Syx) y la pendiente del calibrado (b) seguacuten se muestra en la
ecuacioacuten 25
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
bS
S xyanalitica (25)
La desviacioacuten estaacutendar de la regresioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten
26
2iixy )yy(
2n1S minusΣminus
= (26)
donde Syx es la desviacioacuten estaacutendar de la regresioacuten yi es la sentildeal analiacutetica
experimental obtenida para cada valor de concentracioacuten ŷi es el valor de
la sentildeal calculada en la recta de regresioacuten correspondiente a la
concentracioacuten c y n es el nuacutemero total de pares de puntos usados para el
caacutelculo de la recta de calibrado
17 IUPAC Nomenclature symbols units and their usage in spectrochemical analysis - II
data interpretation Analytical chemistry division Spectrochim Acta B 33 241-245 1978 18 Mandel J Stiehler RD Sensitivity - A criterion for the comparison of methods of test
J Res Natl Bur Std 53 155-159 1954
Materiales y meacutetodo 175
634 - Liacutemites de deteccioacuten y cuantificacioacuten
Se puede definir el liacutemite de deteccioacuten de un meacutetodo analiacutetico como la
menor concentracioacuten (CL) o cantidad del compuesto (q) que puede ser
detectada con un nivel de confianza determinado Son varias las
metodologiacuteas empleadas para la determinacioacuten del liacutemite de deteccioacuten del
meacutetodo analiacutetico A continuacioacuten se describen algunas de estas
metodologiacuteas
a) Metodologiacutea basada en el tratamiento de la sentildeal del
blanco17
Seguacuten esta metodologiacutea al liacutemite de deteccioacuten expresado como CL le
corresponde una sentildeal analiacutetica que viene definida por la expresioacuten 27
XL = XB + k middot SB (27)
donde XB es el valor medio de la respuesta del blanco SB la desviacioacuten
estaacutendar de dicha sentildeal y k un factor numeacuterico seleccionado de acuerdo
con el nivel de confianza deseado
La concentracioacuten CL estaacute relacionada con el valor de XL seguacuten la
expresioacuten 28
( )
bXX
C BLL
minus= (28)
donde b es la pendiente de la funcioacuten de calibrado
176 Tesis Doctoral
Sustituyendo la ecuacioacuten 27 en 28 se obtiene que el liacutemite de deteccioacuten
vendraacute dado por
bSk
C BL
sdot= (29)
Este valor CL seraacute un fiel reflejo del liacutemite de deteccioacuten del meacutetodo
siempre que b esteacute bien definida
Como regla general se suele usar el valor k = 3 que proporciona un nivel de
confianza del 9986 aseguraacutendose asiacute que la magnitud analiacutetica XL gt XB
+ 3 middot SB sea debida a la presencia de analito en la muestra problema y no a
las fluctuaciones del blanco
Para calcular la desviacioacuten estaacutendar correspondiente al blanco se obtiene
la sentildeal analiacutetica correspondiente a diez disoluciones blanco empleando
las condiciones instrumentales establecidas para cada meacutetodo
Por otra parte el liacutemite de cuantificacioacuten se define como la concentracioacuten
de analito que corresponde a una sentildeal analiacutetica XQ definida por la
ecuacioacuten 210
XQ = XB + k middot SB (210)
Por tanto y siguiendo un razonamiento similar al anterior la
concentracioacuten correspondiente a este liacutemite de cuantificacioacuten vendraacute dada
por la siguiente expresioacuten
Materiales y meacutetodo 177
bSk
C BQ
sdot= (211)
recomendaacutendose en este caso el valor miacutenimo de 10 para la constante k
b) Metodologiacutea basada en la recta de calibrado19
Esta metodologiacutea se basa en una estimacioacuten por extrapolacioacuten de la recta
de calibrado En primer lugar se determina la desviacioacuten estaacutendar de la
regresioacuten a partir de la ecuacioacuten 26
A partir del valor de la desviacioacuten estaacutendar de la regresioacuten se puede
determinar la desviacioacuten estaacutendar de la ordenada en el origen Sa y la
desviacioacuten estaacutendar de la pendiente Sb Las expresiones para este caacutelculo
vienen dadas por las siguientes ecuaciones
2i
2i
xya )cc(nc
SSminusΣ
Σ= (212)
2i
xyb )cc(1SSminusΣ
= (213)
La desviacioacuten estaacutendar de la estimacioacuten de la concentracioacuten Sc se puede
determinar a partir de la ecuacioacuten 214
19 Cuadros L Garciacutea A Jimeacutenez C Romaacuten M Estimation of performance
characteristics of an analytical method using the data set of the calibration experiment Anal Letter 26 1243-1258 1993
178 Tesis Doctoral
2i
2
2xy
c )cc(b)yy(
n1
m1
bS
SminusΣ
minus++= (214)
donde m es el nuacutemero de repeticiones del anaacutelisis n es el nuacutemero total
de valores utilizados en la regresioacuten lineal y es la media aritmeacutetica de
los valores obtenidos para m anaacutelisis es la media aritmeacutetica de todos
los valores usados en la regresioacuten lineal ci es cada una de los valores de
concentracioacuten del anaacutelisis y es la media aritmeacutetica de todos los valores
de concentracioacuten usados para la calibracioacuten El valor de Sc depende del
nuacutemero de puntos de la calibracioacuten y del nuacutemero de reacuteplicas y podriacutea
minimizarse haciendo m igual a n
Basaacutendose en la expresioacuten 214 la desviacioacuten estaacutendar del blanco So
vendraacute dado por la siguiente ecuacioacuten
2i
2
2oxy
o )cc(b)yy(
n1
m1
bS
SminusΣ
minus++= (215)
donde yo es la sentildeal correspondiente al blanco
Teniendo en cuenta las ecuaciones 25 y 213 la ecuacioacuten 215 se puede
simplificar para obtener
2o
xyo d)middotb(RED
n1
m1
bS
S +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ += (216)
donde do viene dado por la expresioacuten (yo ndash y )
y
c
Materiales y meacutetodo 179
Tambieacuten se puede determinar el liacutemite de deteccioacuten solamente llevando en
consideracioacuten la desviacioacuten estaacutendar de los residuales Syx la pendiente b
y estimando por extrapolacioacuten de la desviacioacuten estaacutendar del blanco So
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minusminus
=1n2n
bS
S xyo (217)
donde n es el nuacutemero total de valores utilizados en la regresioacuten lineal
Con estos datos se calculariacutea los liacutemites de deteccioacuten y cuantificacioacuten
aplicando las siguientes ecuaciones
oL S3X sdot= (218)
oQ S10X sdot= (219)
c) Metodologiacutea basada en la relacioacuten sentildealruido
La base de la metodologiacutea en funcioacuten de la relacioacuten sentildealruido fue
introducida por Kaiser20 en 1970 y desarrollada posteriormente en los
antildeos ochenta por Sharif21 y colaboradores Se basa en la estimacioacuten del
ruido analiacutetico el cual se determina llevando a cabo la medida
cromatograacutefica de 10 disoluciones sin analito Para cada uno de estos
cromatogramas se calcula una media de la sentildeal con su correspondiente
desviacioacuten estaacutendar Por uacuteltimo se hace la media de estos resultados y se
20 Kaiser H Report for analytical chemists II Quantitation in elemental analysis Anal
Chem 42 26-59 1970 21 Sharaf MA Illman DL Kowalski BR Chemometrics Ed Wiley New York USA 1986
180 Tesis Doctoral
halla una desviacioacuten estaacutendar de estos resultados El liacutemite de deteccioacuten
vendraacute dado por la expresioacuten 27
XL = XB + k middot SB (27)
donde XB es la media calculada k = 3 y SB es la desviacioacuten estaacutendar antes
determinada
d) Metodologiacutea basada en la sentildeal del ldquoblanco
cromatograacuteficordquo 22
Esta metodologiacutea ha sido desarrollada por Viacutelchez y colaboradores Seguacuten
estos autores el calibrado correspondiente a un meacutetodo cromatograacutefico se
caracteriza por la ausencia de sentildeal analiacutetica correspondiente al blanco lo
cual imposibilita el caacutelculo del liacutemite de deteccioacuten de forma similar a la
empleada para meacutetodos espectroscoacutepicos de anaacutelisis y por ello se ha
recurrido a lo largo del tiempo a otros procedimientos como son el estudio
de la miacutenima cantidad detectable2324 uso del teacutermino independiente de la
ecuacioacuten de calibrado25 caacutelculo de propagacioacuten de errores26 o estimacioacuten
aproximada por extrapolacioacuten de la recta de calibrado19 Meacutetodos que
presentan numerosos problemas de tipo praacutectico y determinan una gran
arbitrariedad en la estimacioacuten del liacutemite de deteccioacuten en cromatografiacutea
22 Gonzaacutelez A Cuadros L Alonso E Viacutelchez JL Estimate of gas Chromatographic blanks application
to detection limits evaluation as recommended by IUPAC J Chrom A 726 133-139 1996 23 Snyder LR Practical HPLC methods development Ed Wiley Chichester UK 1988 24 Merken HM Beecher GR Liquid chromatographic method for the separation and
quantification of prominent flavonoid aglycones J Chrom A 897 177-184 2000 25 Miller JM Basic statistical methods for Analytical Chemistry Part 2 Calibration and
regression nmethods A review Analyst 116 3-149 1991 26 Long GL Winefordner JD Limit of detection A closer look at the IUPAC definition
Anal Chem 55 712-724 1983
Materiales y meacutetodo 181
La propuesta realizada con objeto de evitar estos inconvenientes consiste
en obtener la sentildeal del blanco cromatograacutefico por integracioacuten directa del
ruido de fondo utilizando como liacutemites de integracioacuten el valor
extrapolado de anchura de pico (Wb) a concentracioacuten ldquocerordquo Se necesita
por tanto conocer la variacioacuten de la anchura de pico con respecto a la
concentracioacuten de analito Para determinar esta anchura se propone la
medida de un paraacutemetro libre de la aleatoriedad del ruido de fondo como
es la anchura a mitad de pico W05h y a partir de este valor calcular Wb
considerando que el pico cromatograacutefico tiene un perfil Gaussiano27
Partiendo de la expresioacuten de una Gaussiana adaptada al caso de los
paraacutemetros cromatograacuteficos (Figura 23) la altura del pico a su tiempo de
retencioacuten viene dada por la ecuacioacuten 220
22
21
21 s
)tt( R
ehminusminus
=π
(220)
donde h es la altura de pico al tiempo de retencioacuten tR y s2 es la varianza
del pico
27 Klinkenberg A Sjenitzer F Holding-time distributions of the gaussian type Chem
Engin Sci 5 258-270 1956
182 Tesis Doctoral
Figura 23 - Paraacutemetros caracteriacutesticos de un pico Gaussiano
Aplicando la expresioacuten 220 a los paraacutemetros de pico correspondientes se
demuestra que la desviacioacuten estaacutendar de pico viene dada por la expresioacuten
50
50
212
12
h
hln
Ws
π
= (221)
donde W05h es la anchura a mitad de pico y h05 es la mitad de la altura del
pico Gaussianno
El valor de Wb para un 9973 del aacuterea de pico28 vendraacute dada por un
valor igual a 6middots
Wb = 6 middot s = 2548 middot W05 h (222)
28 Dyson N Chromatographic Integration Methods Royal Society of Chemistry
Cambridge UK 1990
Wb= 6s = 25476
W
Materiales y meacutetodo 183
Para calcular la anchura de base a concentracioacuten ldquocerordquo (Wb0) dado que
las dimensiones del pico cromatograacutefico altura y anchura dependen de la
concentracioacuten del compuesto se extrapola la curva resultante de
representar graacuteficamente los valores medidos de W05h frente a la
concentracioacuten correspondiente En la Figura 24 se muestra de forma
graacutefica el comportamiento tiacutepico de esta variable
Figura 24 - Variacioacuten de la anchura de pico con la concentracioacuten
En primer lugar se determina el valor de la anchura a mitad de pico
(W05h) correspondiente a concentracioacuten cero extrapolando la curva
resultante de representar graacuteficamente los valores medidos de W05h de
diferentes picos frente a la correspondientes concentraciones de analito
(Figura 24) A continuacioacuten se calcula el valor de Wb0 aplicando la
ecuacioacuten 222 y finalmente se mide la sentildeal del blanco para cada
compuesto por integracioacuten sobre la liacutenea del cromatograma del blanco en
el intervalo tR plusmn 05 Wb0 donde tR es el tiempo de retencioacuten
correspondiente a cada compuesto considerado Para realizar reacuteplicas se
requiere una nueva inyeccioacuten y el establecimiento de un nuevo
cromatograma
C10
1
2
3
4
5
C2 C3 C4 C5 C6
Concentracioacuten
W0
5h
C10
1
2
3
4
5
C2 C3 C4 C5 C6
Concentracioacuten
W0
5h
C1C10
1
2
3
4
5
C2 C3 C4 C5 C6
Concentracioacuten
W0
5h
0
1
2
3
4
5
C2 C3 C4 C5 C6
Concentracioacuten
W0
5hW
05h
184 Tesis Doctoral
7 - VALIDACIOacuteN DEL MEacuteTODO ANALIacuteTICO
Para llevar a cabo la validacioacuten de los diferentes meacutetodos analiacuteticos
propuestos en esta Memoria se han aplicado dos protocolos estadiacutesticos
distintos Por una parte se han llevado a cabo estudios realizando ensayos
de recuperacioacuten y tambieacuten se ha aplicado el protocolo estadiacutestico
propuesto por Cuadros29 y colaboradores y denominado metodologiacutea de
adicioacuten de patroacuten en el que se compara el calibrado con patrones y con
adicioacuten de patroacuten y se introduce el concepto de blanco de Youden
71 - Ensayos de recuperacioacuten
Se lleva a cabo ensayos de recuperacioacuten en el que se calcula el porcentaje
de recuperacioacuten (Rec) obtenido de muestras reales en las que se ha
adicionado una determinada cantidad del compuesto en estudio (muestra
fortificada) Es necesario tambieacuten analizar muestras sin haberlas
fortificadas (muestra no fortificada) Tras aplicar el meacutetodo analiacutetico se
relacionan las concentraciones encontradas en las muestras fortificadas en
las de la muestra-blanco y con la concentracioacuten antildeadida El caacutelculo se
realiza seguacuten la ecuacioacuten 223
100C
CC()cRe
adicionada
afortificadnomuestraafortificadamuestr sdotminus
= (223)
29 Cuadros Rodriacuteguez L Garciacutea Campantildea AM Aleacutes F Jimeacutenez C Romaacuten M Validation of an analytical method using the standard addition methodology J AOAC Int 78 471-476 1995
Materiales y meacutetodo 185
72 - Metodologiacutea de adicioacuten de patroacuten
Esta metodologiacutea propuesta por Cuadros29 y colaboradores implica la
realizacioacuten de tres experiencias de calibrado un calibrado con patrones
(CP) un calibrado de adicioacuten de patroacuten (CA) y otro calibrado empleando
porciones crecientes de muestra denominado calibrado de Youden (CY)
La metodologiacutea de adicioacuten de patroacuten se puede aplicar para resolver
diferentes problemaacuteticas
rArr Determinacioacuten de analitos en muestras en las que las interacciones
analito-matriz conducen a resultados inexactos al emplear la
calibracioacuten con patrones
rArr Determinacioacuten de analitos cuyo contenido en muestra es inferior
al liacutemite de cuantificacioacuten del meacutetodo pero superior a su sensibilidad
analiacutetica
rArr Comprobacioacuten de la exactitud de un resultado analiacutetico cuando no
se dispone de una muestra de referencia
Para verificar la exactitud del meacutetodo hay que desarrollar el caacutelculo
estadiacutestico que se esquematiza a continuacioacuten
1) Se realiza un ajuste por miacutenimos cuadrados de los tres calibrados (CP
CA y CY) De todos los paraacutemetros estadiacutesticos derivados de este ajuste se
selecciona n (nuacutemero de parejas de datos) a (ordenada en el origen) b
(pendiente) y Syx (desviacioacuten estaacutendar del calibrado)
186 Tesis Doctoral
2) Se compara mediante un test de F de Snedecor las varianzas del
calibrado con patrones y del calibrado de adicioacuten de patroacuten Las hipoacutetesis
consideradas en este test son
Varianzas iguales 21S = 2
2S Fcal lt Ftab rArr hipoacutetesis nula (H0)
Varianzas distintas 21S ne 2
2S Fcal ge Ftab rArr hipoacutetesis alternativa (H1)
Este test compara un valor del estadiacutestico F calculado seguacuten la ecuacioacuten
618 con un valor tabulado para (n1 ndash 2) y (n2 - 2) grados de libertad con
un nivel de significacioacuten del 5 siendo n1 y n2 el nuacutemero de puntos
experimentales de cada una de las funciones de calibrado
22
21
cal SS
F = (s1 gt s2) (224)
donde 21S y 2
2S representan las varianzas de los residuos para ambas
rectas de calibrado (con patrones y adicioacuten de patroacuten)
3) Se realiza el test de comparacioacuten de pendientes para comprobar si
la adicioacuten de patroacuten provoca un error sistemaacutetico constante o sea que
la recta de adicioacuten de patroacuten estaacute desplazada paralelamente respecto a
la recta del calibrado con patrones Para lo cual se realiza el test de la
t-Student Se calcula el estadiacutestico tcal para (n1 + n2 - 4) grados de
libertad Se acepta la hipoacutetesis nula para un nivel de significacioacuten
mayor del 5
Si existe diferencia estadiacutesticamente significativa entre las varianzas de
los residuos t seraacute calculado seguacuten la ecuacioacuten 225
Materiales y meacutetodo 187
sum minus+
sum minus
minus=
222
2
211
2
21cal
)cc(
S
)cc(
S
bbt
21
(225)
donde S1 y S2 representan los valores de la desviacioacuten estaacutendar de la regresioacuten
para CP y CA respectivamente
El valor de t calculado se compara con un valor de t tabulado para un
nivel de significacioacuten del 5 y f grados de libertad calculados seguacuten la
expresioacuten 226
( ) ( )
( ) ( )2ncc
S
2ncc
Scc
S
cc
S
f
2
222
2
1
211
2
222
2
211
2
11
21
minussum minus
+minus
sum minus
sum minus+
sum minus= (226)
Si no existe diferencia significativa entre las varianzas se calcula la
desviacioacuten estaacutendar ponderada de regresioacuten (Sp) a partir de las
correspondientes desviaciones estaacutendar del calibrado con patrones (S1) y
adicioacuten de patroacuten (S2)
( ) ( )
4nnS2nS2n
S21
222
211
p minus+minus+minus
= (227)
donde n1 y n2 son el nuacutemero de datos experimentales de cada uno de los
calibrados
188 Tesis Doctoral
El estadiacutestico a calcular es el mostrado a continuacioacuten
sum minus+
sum minus
minus=
22i
21i
p
21cal
)cc(1
)cc(1S
bbt (228)
El valor de tcal se compara con el valor de ttab con (n1 + n2 ndash 4) grados de
libertad y con un nivel de significacioacuten del 5 Las hipoacutetesis a tener en
cuenta son las siguientes
Pendientes iguales b1 = b2 tcal lt ttab rArr hipoacutetesis nula (H0)
Pendientes distintas b1 ne b2 tcal ge ttab rArr hipoacutetesis alternativa (H1)
- Una vez comprobado que la pendiente del calibrado con patrones es
igual a la pendiente del calibrado con adicioacuten de patroacuten se calcula la
pendiente promedio
sumsum
sum summinus+minus
minusminus+minusminus= 2
221
2211
)cc()cc()yy()cc()yy()cc(
bii
iiiip (229)
- Se calculan las nuevas ordenadas en el origen (a) para el calibrado
con patrones (a1 o aCP) y para el calibrado con adicioacuten de patroacuten (a2 o
aCA) a partir del valor de pendiente promedio A continuacioacuten se compara
la nueva ordenada en el origen del calibrado con patrones (aCP) con la
ordenada en el origen del calibrado de Youden (aY o aCY) si hay diferencia
entre ambas seraacute debida a la existencia de error sistemaacutetico por efecto
matriz de la muestra En este caso no se puede realizar un test de
comparacioacuten de aCP y aCY porque ambas estaacuten obtenidas a partir de
Materiales y meacutetodo 189
variables independientes distintas Para compararlas se comprueba que aCY
estaacute incluido en el intervalo de confianza de aCP Se utiliza un valor de t-
Student con (n1 - 2) grados de libertad para un nivel de significacioacuten del
5 Si aCY no estaacute incluido en el intervalo calculado se obtiene el
verdadero blanco de muestra denominado blanco de Youden
acuteCAa = RCA - bp middot CCA acute
CPa = RCP - bp middot CCP (230)
Intervalo de confianza de la ordenada en el origen aCP
sum
sum
minusplusmnisin
2CPi
2CPi
pacuteCPCY )cc(n
cStaa α (231)
aY - blanco de Youden
aY = aCY - aCP (232)
- Finalmente se comprueba la exactitud del meacutetodo analiacutetico Para ello
se compara el contenido de analito en la disolucioacuten (Cx) calculado a partir
del calibrado con patrones (Cx1 o CCP) y el calculado a partir del calibrado
con adicioacuten de patroacuten (Cx2 o CCA) Ambos valores (CCP y CCA) se
comparan mediante un test de t-Student de comparacioacuten de dos medias
con (n1 + n2 - 3) grados de libertad Si concluimos por la hipoacutetesis nula
con un nivel de significacioacuten mayor del 5 ambos resultados son iguales
y por tanto el meacutetodo es exacto Se calcula el estadiacutestico
190 Tesis Doctoral
[ ]sum minus+minus
minusminus+
minus=
222i
211i
2P
221
21P
P
2x1x
)cc()cc(b)yy(
n1
n1
bS
cc)c(t (233)
CAPIacuteTULO 3
DETERMINACIOacuteN DE TENSIOACTIVOS POR HPLC
OPTIMIZACIOacuteN DE LAS VARIABLES
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 193
1- INTRODUCCIOacuteN
En el presente capiacutetulo se presenta la optimizacioacuten de las variables tanto
quiacutemicas como fiacutesicas de las diferentes metodologiacuteas propuestas para la
determinacioacuten de tensioactivos anioacutenicos (LAS y jaboacuten) en matrices
ambientales
En el primer apartado se desarrolla la puesta a punto de las metodologiacuteas
para el jaboacuten Con objeto de su determinacioacuten se propone en la primera
parte la siacutentesis de diferentes patrones del jaboacuten (caacutelcico potaacutesico y el
procedente del aacutecido graso de coco) La carencia por parte del analito
(jaboacuten) de propiedad fiacutesica lo suficientemente sensible para llevar a cabo
su anaacutelisis en matrices ambientales hizo necesaria la puesta a punto de
una o varias reacciones de derivacioacuten Previa optimizacioacuten en la segunda
parte de los paraacutemetros instrumentales propios de un equipo de
cromatografiacutea liacutequida de alta resolucioacuten entre los que se incluye la
separacioacuten cromatograacutefica de cada uno de los compuestos objeto de
estudio se proponen en la tercera y cuarta parte dos diferentes reacciones
194 Tesis Doctoral
de derivacioacuten para el jaboacuten Las variables de cada reaccioacuten propuesta son
optimizadas mediante la aplicacioacuten de un disentildeo experimental Cabe
resaltar que cada reaccioacuten es especiacutefica para cada tipo de deteccioacuten
empleado presentaacutendose una derivacioacuten para la deteccioacuten fluorescente y
otra para la deteccioacuten ultravioleta
Por otro lado se desarrolla en el segundo apartado la optimizacioacuten de las
variables para la determinacioacuten del LAS El hecho de ser un tensioactivo
con fluorescencia nativa simplificoacute la propuesta metodoloacutegica de manera
significativa en la cual se optimizaron los paraacutemetros cromatograacuteficos de
acuerdo a las exigencias analiacuteticas de la presente Memoria Estas
exigencias fueron sobre todo resolver de manera aceptable los isoacutemeros
del LAS fundamentalmente el 2Oslash de cada homoacutelogo
2- DETERMINACIOacuteN DE JABOacuteN POR HPLC OPTIMIZACIOacuteN
DE LAS VARIABLES
21 - Siacutentesis del jaboacuten
211 - Patrones individuales
Para la determinacioacuten del jaboacuten y su posterior estudio ambiental se
requirioacute la siacutentesis de dos especies de jaboacuten el jaboacuten caacutelcico y el jaboacuten
potaacutesico La metodologiacutea se basoacute en la presentada por Moreno1 la cual
comprende varios pasos para cada especie de jaboacuten
1 Moreno A Bravo J Ferrer J Bengoechea C Soap determination in sewage sludge by
HPLC SETAC Europe meeting Postdam 1992
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 195
Siacutentesis del jaboacuten potaacutesico
bull Se partioacute de patrones de pureza conocida para cada aacutecido
graso con longitud de cadena comprendida entre C8 y C18
bull Se disolvioacute una cantidad conocida del aacutecido graso (por lo
general 10 g) en 100 mL de acetona
bull Se preparoacute una disolucioacuten saturada de K2CO3 en 15 mL
de agua
bull Se mezclaron ambas disoluciones lo que dio lugar a un
precipitado blanco proveniente de la insolubilidad en
acetona del jaboacuten potaacutesico generado
bull Se filtroacute la suspensioacuten generada en un sistema de filtrado
formado por un quitasato un Buumlchner y un papel de filtro
de celulosa
bull Se lavoacute el precipitado varias veces con acetona para
eliminar los posibles restos de aacutecido graso que pudieran
quedar
bull Con objeto de precipitar los posibles restos de aacutecidos que
pudieran quedar se antildeadioacute disolucioacuten saturada de K2CO3
a las aguas de filtrado esta disolucioacuten se volvioacute a filtrar y
a lavar
bull Se combinaron ambos precipitados y se dejaron secar a
temperatura ambiente durante un diacutea
bull Se calculoacute su rendimiento mol a mol
bull Se repitioacute este protocolo para cada uno de los aacutecidos
grasos
196 Tesis Doctoral
Tabla 31- Rendimientos de la siacutentesis de jaboacuten potaacutesico
JABOacuteN POTAacuteSICO RENDIMIENTO ()
C8 987
C10 991
C12 977
C13 993
C14 984
C16 991
C17 971
C18 979
C181 993
C182 997
Siacutentesis del jaboacuten caacutelcico
bull Se partioacute del jaboacuten potaacutesico obtenido en la etapa anterior
bull Se disolvioacute una cantidad conocida del jaboacuten potaacutesico en la
cantidad miacutenima posible de agua caliente
bull Se prepararon 15 mL de disolucioacuten saturada de CaCl2 en
agua caliente
bull Se mezclaron ambas disoluciones lo que dio lugar a un
precipitado blanco instantaacuteneo proveniente de la
insolubilidad en agua del jaboacuten caacutelcico generado
bull Se filtroacute la suspensioacuten generada en un sistema de filtrado
formado por un quitasato un Buumlchner y un papel de filtro
de celulosa
bull Se lavoacute el precipitado varias veces con agua caliente para
eliminar los posibles restos de jaboacuten potaacutesico y de cloruro
caacutelcico que pudieran quedar
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 197
bull Con objeto de precipitar los posibles restos de jaboacuten
potaacutesico que pudieran quedar se antildeadioacute disolucioacuten
saturada en agua caliente de CaCl2 a las aguas de filtrado
esta disolucioacuten se volvioacute a filtrar y a lavar
bull Se combinaron ambos precipitados y se secaron en una
estufa a 60 grados durante varios diacuteas hasta pesada
constante
bull Se calculoacute su rendimiento mol a mol
bull Se repitioacute este protocolo para cada uno de los jabones
potaacutesicos Cabe resaltar que debido a la insolubilidad en
agua del jaboacuten potaacutesico de cadena maacutes larga (C16 y C18)
se calentoacute las disoluciones a una temperatura mayor
Tabla 32- Rendimientos de la siacutentesis del jaboacuten caacutelcico
JABOacuteN CAacuteLCICO RENDIMIENTO ()
C8 965
C10 976
C12 964
C13 961
C14 973
C16 971
C17 974
C18 946
C181 973
C182 987
198 Tesis Doctoral
212 - Patroacuten de jaboacuten proveniente del aacutecido graso de coco
Para llevar a cabo el ensayo de campo se utilizoacute como analito objeto de
estudio jaboacuten soacutedico de coco el cual proviene del aacutecido graso de coco La
razoacuten que justifica la eleccioacuten de este tipo de jaboacuten radica en su amplia
utilizacioacuten en detergentes comerciales siendo de esta manera el jaboacuten maacutes
utilizado y por tanto el de mayor intereacutes desde el punto de vista
medioambiental Otra caracteriacutestica tambieacuten relacionada con la anterior
es su relativa buena solubilidad sobre todo si se compara con el jaboacuten de
grasas de origen animal Este hecho es debido a su mayor proporcioacuten de
jaboacuten de cadena maacutes corta (C12-C14) llegando a tener concentraciones
proacuteximas al 50 en C12
La composicioacuten del aacutecido graso de partida se determinoacute mediante
cromatografiacutea de gases con espectrometriacutea de masas previa derivacioacuten con
metanol y BF32
Para la determinacioacuten de la composicioacuten se establecioacute mediante relacioacuten
de aacutereas (A patroacuten A patroacuten interno) un calibrado a un solo nivel (100
mgmiddotL-1)
Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 33
2 Gonzaacutelez Casado A Determinacioacuten de aacutecidos grasos mediante cromatografiacutea de
gases-espectrometria de masas Tesis Doctoral Universidad de Granada 1996
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 199
Figura 31- Cromatograma obtenido de los esteres del aacutecido graso de coco Modo Scan
Tabla 33- Composicioacuten del aacutecido graso de coco por GC-MS
AacuteCIDOS GRASOS (ESTERIFICADOS)
COMPOSICIOacuteN ()
C12 516
C13 Patroacuten interno
C14 164
C16 106
C181 183
C18 31
Total 100
La siacutentesis del jaboacuten de coco se realizoacute de la misma manera que para los
aacutecidos grasos individuales descritos en el apartado anterior Cabe destacar
que como consecuencia de la gran cantidad de muestra tratada (800 g de
aacutecido graso) y al volumen de agua utilizado (1 L) el periacuteodo de secado se
alargoacute de manera notable en comparacioacuten con los aacutecidos grasos
Tiempo (min)
Abundancia
C12
C13 (PI)
C14 C18C16C181
200 Tesis Doctoral
individuales (1 diacutea de secado) llegando a durar varias semanas hasta
conseguir un soacutelido seco de alta pureza El rendimiento se calculoacute de la
misma manera que en apartado anterior obtenieacutendose un valor del 95
Finalmente se analizoacute el soacutelido obtenido mediante cromatografiacutea liacutequida1
para comprobar si durante el proceso de siacutentesis se habiacutea producido
alguna alteracioacuten en la proporcioacuten de partida
Tabla 34- Composicioacuten del aacutecido graso de coco por HPLC
AacuteCIDOS GRASOS COMPOSICIOacuteN ()
C12 512
C13 Patroacuten interno
C14 166
C16 108
C181 185
C18 29
Total 100
A la vista de los resultados obtenidos no existe una variacioacuten apreciable
en la composicioacuten Las pequentildeas oscilaciones puede achacarse maacutes a la
diferencia de los meacutetodos analiacuteticos utilizados (para el aacutecido graso
cromatografiacutea de gases para el jaboacuten cromatografiacutea de liacutequidos) que a
alguacuten tipo de incidente derivado del proceso de siacutentesis
Una vez sintetizado y despueacutes de su anaacutelisis el soacutelido se conservoacute en un
recipiente de plaacutestico en el frigoriacutefico a 4 ordmC
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 201
22 - Optimizacioacuten de las variables implicadas en el proceso
cromatograacutefico
Para la optimizacioacuten de las variables cromatograacuteficas se partioacute de las
condiciones para la reaccioacuten de derivacioacuten del jaboacuten encontradas en
bibliografiacutea con algunas modificaciones13
Protocolo de derivacioacuten
1 Se disolvioacute una mezcla de jaboacuten potaacutesico (C8K- C18K) en
metanol (5 mgmiddotL-1)
2 Se pipeteoacute una cantidad de la disolucioacuten metanoacutelica (3 mL)
Se evaporoacute hasta sequedad
3 Se antildeadioacute 15 mL de disolucioacuten de 4-Bromometil-7-
metoxicumarina (BrMMC) al 05 en acetona y 15 mL de
disolucioacuten de 18-eacuteter-6-corona al 01 en acetona
4 Se calentoacute a 80 ordmC durante 30 minutos
5 Se inyectoacute en el cromatoacutegrafo de liacutequidos
Se partioacute del siguiente meacutetodo cromatograacutefico
3 Hayashi K Kawase J Yoshimura K Ara K Determination of trace of levels fatty
metal salts by HPLC with fluorescene prelabeling Analytical Biochemistry 136 314-320 1984
202 Tesis Doctoral
Tabla 35- Variables cromatograacuteficas iniacuteciales
PARAacuteMETROS INIacuteCIALES
Vol Inyeccioacuten 50 μL
Flujo 15 mLmiddotmin-1
Temperatura 30 ordmC
Deteccioacuten λex = 325 nm λem = 398 nm
Eluyentes Canal A = Agua HPLC Canal B = ACN HPLC
Gradiente T0= 70B T10= 80B T15= 85B T20= 85B
T25= 100B
Ganancia 12 eV
A partir de dicho meacutetodo se fueron optimizando cada una de las
variables Para la optimizacioacuten se usoacute un patroacuten de jaboacuten potaacutesico de 5
mgmiddotL-1 (C8K-C18K)
221 - Seleccioacuten de la fase estacionaria
Con objeto de optimizar la separacioacuten cromatograacutefica del jaboacuten se
estudiaron distintos tipos de fases estacionarias Atendiendo a la diferente
polaridad relativa existente entre fase moacutevil y fase estacionaria se pueden
distinguir dos tipos de cromatografiacutea liacutequida cromatografiacutea en fase
normal (fase estacionaria maacutes polar que la fase moacutevil) y cromatografiacutea en
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 203
fase inversa donde la fase estacionaria es menos polar que la fase moacutevil
A continuacioacuten se comenta cada una de ellas
Los rellenos maacutes comuacutenmente utilizados en fase normal son siacutelice y
aluacutemina aunque tambieacuten pueden poseer algunos grupos funcionales
polares enlazados sobre la de siacutelice como ciano diol y amino
Normalmente la fase amino (-NH2) proporciona un buen nivel de
selectividad y una gran versatilidad dado que ofrece la posibilidad de
utilizarla en fase normal como intercambiadora anioacutenica deacutebil (usando
pH aacutecidos en la fase moacutevil) e incluso en fase inversa aunque adolece de
buena estabilidad quiacutemica si se compara con rellenos de similares
caracteriacutesticas mucho maacutes estables aunque menos versaacutetiles como es el
relleno compuesto de grupos ciano (-CN) enlazados al soporte de siacutelice
De todas ellas se ensayoacute la fase -NH2 No se obtuvieron buenos resultados
con esta columna Por lo tanto se desechoacute la cromatografiacutea en fase
normal
Para la modalidad reversa el relleno maacutes comuacutenmente utilizado es siacutelice
enlazada a cadenas alquiacutelicas de distinta longitud que ofrecen distintos
grados de polaridad Las partiacuteculas de este relleno se presentan con
diferentes morfologiacuteas partiacuteculas amorfas (ej LiChrosorb - Merck) o con
esferas simeacutetricas (ej LiChrospher - Merck Zorbax - Agilent
Technologies Symmetry - Waters Luna - Phenomenex) Las partiacuteculas
con morfologiacutea de esferas simeacutetricas proporcionan un empaquetamiento
uniforme con una elevada resistencia fiacutesica y quiacutemica ademaacutes se
favorece la reaccioacuten de enlace entre la base siacutelicea y la fase enlazada (C8
C18) mejorando asiacute la eficiencia de la columna
204 Tesis Doctoral
El poder de resolucioacuten de este tipo de rellenos radica en las interacciones
hidrofoacutebicas existentes entre las cadenas hidrocarbonadas que conforman
la fase enlazada y la parte apolar de las moleacuteculas de analito De este
modo cuanto mayor sea la longitud de la cadena alquiacutelica de la fase
estacionaria mayor seraacute la interaccioacuten entre eacutesta y el analito mayor seraacute
tambieacuten el nuacutemero de equilibrios establecidos o platos teoacutericos (N) y
mayor por tanto el poder de resolucioacuten Asiacute se puede saber a priori que el
mayor poder resolutivo vendraacute dado por rellenos donde la base siliacutecea ha
sido enlazada a cadenas alquiacutelicas largas normalmente cadenas de 18
carbonos (C18)
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones previas se comentan a
continuacioacuten las columnas ensayadas
bull Lichrospher RP-8 250 mm x 46 mm con 5 microm de tamantildeo de
partiacutecula (Agilent Technologies)
bull Lichrospher RP-8 125 mm x 46 mm con 5 microm de tamantildeo de
partiacutecula (Agilent Technologies)
bull Lichrospher RP-18 125 mm x 46 mm con 5 microm de tamantildeo de
partiacutecula (Agilent Technologies)
bull Lichrospher RP-18 250 mm x 46 mm con 5 microm de tamantildeo de
partiacutecula (Agilent Technologies)
Se ensayaron diferentes gradientes para las distintas columnas para
evaluar en cuaacutel de todas ellas se obteniacutean mejor resolucioacuten
cromatograacutefica Los resultados obtenidos se muestran a continuacioacuten
junto con los cromatogramas correspondientes
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 205
bull Lichrospher RP-8 250 mm x 46 mm
Tabla 36- Gradientes RP-8 250 mm x 46 mm
t (min)
0 10 15 20 25
Gradiente 1 70 80 85 85 100
Gradiente 2 60 70 75 75 90
Gradiente 3 65 75 80 80 95
Gradiente 4 75 85 90 90 100
Figura 32- Lichrospher RP-8 250 mm x 46 mm Por orden de elucioacuten C8K(1) C10K(2) C12K(3) C13K(4) C14K(5) C182K(6) C16K(7) C181K(8) C17K(9) C18K(10)
LU
1
23
4 56
78
9 10
LU
1
2 3
4 6
75 8
9 10
Gradiente 2
LU
1
23
45
6 710 9
8
Gradiente 3
min 5 10 15 20
LU 1
2 3
45
67
10 9
8
Gradiente 4
Gradiente 1
206 Tesis Doctoral
bull Lichrospher RP-8 125 mm x 46 mm
Tabla 37- Gradientes RP-8 125 mm x 46 mm
t (min)
0 10 15 20 25 30
Gradiente 1 70 80 85 85 100 -
Gradiente 2 50 - - 65 85 100
Gradiente 3 65 - 70 85 100 -
Gradiente 4 65 - 80 90 100 -
Figura 33- Lichrospher RP-8 125 mm x 46 mm La nomenclatura de los picos es la misma que para la figura 32
Gradiente 1 LU
12 3
4 5 6 7 89+10
LU
1 2 3
4 5
6 7+8 9 10
Gradiente 2
LU
1 2 3
4 5 6
7 9 8
10
Gradiente 3
min 5 10 15 20
LU
1
2 3 4 5
6 7 8 10 9
Gradiente 4
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 207
bull Lichrospher RP-18 125 mm x 46 mm
Tabla 38- Gradientes RP-18 125 mm x 46 mm
t (min)
0 10 15 20 25 30
Gradiente 1 70 80 85 85 100 -
Gradiente 2 75 80 - 100 - -
Gradiente 3 65 - 75 80 - 100
Figura 34- Lichrospher RP-18 125 mm x 46 mm La nomenclatura de los picos es la misma que para la figura 32
Gradiente 1 LU
1
2 3
4 5 7+8 6 10 9
LU
1
2 34 5
67+8 9 10
Gradiente 2
min 5 10 15 20 25 30
LU
1
2 3 4 5 6 7+8 9 10
Gradiente 3
208 Tesis Doctoral
bull Lichrospher RP-18 250 mm x 46 mm
Tabla 38- Gradientes RP-18 250 mm x 46 mm
t (min)
0 10 15 20 25 30
Gradiente 1 70 80 85 85 100 -
Gradiente 2 80 - 85 85 - 100
Gradiente 3 85 - 85 85 - 95
Gradiente 4 60 - - - 100 -
Figura 35- Lichrospher RP-18 250 mm x 46 mm La nomenclatura de los picos es la misma que para la figura 32
Gradiente 1 LU
1
23
4 5 6 7+89 10
5 10
LU
1
2 34 5 6 7+8
9
Gradiente 2
LU
12 3
4 5 6 7+8
Gradiente 3
5 10 15 20 25 30
LU
1
23
4 5 6 10 97+8
min
Gradiente 4
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 209
Discusioacuten
De las cuatro columnas estudiadas la columna Lichrospher RP-8 250 mm
x 46 mm es la que presentoacute una mejor relacioacuten entre separacioacuten tiempo
de anaacutelisis y resolucioacuten de los analitos presentes por lo que se seleccionoacute
como columna de trabajo La columna RP-8 de 125 mm aunque mostraba
buena separacioacuten para todos los analitos teniacutea el inconveniente de la
menor resolucioacuten debido a la mayor anchura de los picos Del mismo
modo se desecharon las columnas RP-18 ya que a pesar de que los picos
poseiacutean buenas caracteriacutesticas la fase estacionaria fue incapaz de separar
las sales de los aacutecidos grasos C16 del C181
222 - Optimizacioacuten del gradiente y del flujo
Una vez seleccionado el tipo de columna el siguiente paso fue la
optimizacioacuten conjunta del gradiente y del flujo con objeto de buscar un
compromiso entre el gasto de eluyente la sensibilidad y la resolucioacuten
Existen dos modalidades diferentes para llevar a cabo un anaacutelisis
cromatograacutefico manteniendo constante la composicioacuten de la fase moacutevil
esto es en modo isocraacutetico y variando de manera proporcional la
composicioacuten de la fase moacutevil o en modo gradiente Debido a la
complejidad de la mezcla de jaboacuten y al gran nuacutemero de analitos
analizados el meacutetodo isocraacutetico no fue adecuado para resolver todos los
picos Por lo tanto se procedioacute a llevar a cabo una elucioacuten en gradiente
partiendo de las condiciones descritas en la Tabla 36 gradiente 1 Las
condiciones de partida fueron Gradiente T0 = 70 B T10 = 80 B T15 =
85B T20 = 85 B T25 = 100 B Los demaacutes paraacutemetros se mantuvieron
constantes
210 Tesis Doctoral
Tabla 39- Gradientes para flujo 1 mLmiddotmin-1
t (min)
0 10 15 20 25
Gradiente 1 70 80 85 85 100
Gradiente 2 80 90 95 95 100
Gradiente 3 75 85 90 90 95
Figura 36- Flujo 1 mLmiddotmin-1 La nomenclatura de los picos es la misma que para la figura 32
Gradiente 1 LU
1
23
4 56
10 9
87
Gradiente 2 LU
1
23
4 5 6 7
8
9 10
Gradiente 3 LU
1
2 3
4 56 7 10 9
8
5 10 15 20 min
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 211
Tabla 310- Gradientes para flujo 15 mLmiddotmin-1
t (min)
0 10 15 20 25
Gradiente 1 70 80 85 85 100
Gradiente 2 60 70 75 75 90
Gradiente 3 65 75 80 80 95
Gradiente 4 75 85 90 90 100
Figura 37- Flujo 15 mLmiddotmin-1 La nomenclatura de los picos es la misma que para la figura 32
LU
1
23
4 56
78
9 10
LU
1
2 3
4 6
75 8
9 10
Gradiente 2
LU
1
23
45
6 710 9
8
Gradiente 3
min 5 10 15 20
LU 1
2 3
45
67
10 9
8
Gradiente 4
Gradiente 1
212 Tesis Doctoral
Tabla 311- Gradientes para flujo 2 mLmiddotmin-1
t (min)
0 10 15 20 25
Gradiente 1 70 80 85 85 100
Gradiente 2 65 75 80 80 100
Gradiente 3 75 85 90 90 100
Figura 38- Flujo 2 mLmiddotmin-1 La nomenclatura de los picos es la misma que para la figura 32
Discusioacuten
Despueacutes de haber ensayado varios gradientes a diferentes flujos se
concluyoacute como solucioacuten de compromiso la eleccioacuten del siguiente flujo y
Gradiente 1 LU
1
23
4 56 7
1098
LU
1
2 3
4 56 7 8
9 10
Gradiente 2
min5 10 15 20
LU
1
23
4 56
10987
Gradiente 3
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 213
gradiente de trabajo Gradiente T0 = 70B T10 = 80B T15 = 85B T20
= 85B T25 = 100B Flujo 15 mLmiddotmin-1 (Figura 32 gradiente 1) La
seleccioacuten de estas condiciones se basoacute en que aunque a flujos maacutes altos se
obteniacutean menores tiempos de elucioacuten la mejora que esto mostraba no era
tan significativa si lo comparamos con el gasto de eluyente que suponiacutea
trabajar a flujo de 2 mLmiddotmin-1 con el consiguiente descenso de la
sensibilidad Ademaacutes una disminucioacuten del flujo a 1 mLmiddotmin-1 daba como
resultado una disminucioacuten de los tiempos de retencioacuten pero una peor
separacioacuten entre el jaboacuten C16 y C181 En cuanto al gradiente para un flujo
seleccionado de 15 mLmiddotmin-1 un aumento en la cantidad de fase orgaacutenica
(acetonitrilo) superior al seleccionado provocaba una disminucioacuten de los
tiempos de retencioacuten junto con una disminucioacuten en la resolucioacuten de los
analitos especialmente entre el jaboacuten C16 y C181 Del mismo modo un
excesivo aumento del porcentaje del eluyente polar (agua) generaba
tiempos mayores alargando el cromatograma de manera innecesaria
223 - Composicioacuten de la fase moacutevil
El estudio de la fase moacutevil es crucial debido a que puede afectar de
manera notable a la separacioacuten cromatograacutefica A continuacioacuten se
presentan los ensayos realizados sobre la fase moacutevil
bull Influencia del metanol
Inicialmente se eligieron como eluyentes de cromatografiacutea agua y
acetonitrilo por ser los maacutes usuales para cromatografiacutea reserva A pesar
de que la resolucioacuten usando estos dos eluyentes fue aceptable se propuso
ensayar otro tipo de disolventes como fase moacutevil ya que a parte del
acetonitrilo tanto el metanol como el tetrahidrofurano son habitualmente
214 Tesis Doctoral
usados como complementos al agua en cromatografiacutea reversa El
tetrahidrofurano mostraba el inconveniente de que provocaba
inestabilidad y aumento en la presioacuten en columna por lo que quedoacute el
metanol como uacutenica alternativa Para comprobar su comportamiento se
prepararon varias mezclas de disolventes Las fases moacuteviles compuestas
por canal A metanol canal B acetonitrilo y la formada por canal A agua
y canal B metanol dieron resultados poco satisfactorios debido a que en
el caso uno se obteniacutea una fase moacutevil excesivamente poco polar
provocando poca separacioacuten entre los picos y en el caso dos por el
contrario la composicioacuten era muy polar con lo que se alargaba los
tiempos de retencioacuten maacutes de lo deseable Por lo tanto para comprobar su
posible efecto en la separacioacuten la uacutenica posibilidad que quedoacute fue ir
antildeadiendo al agua cantidades crecientes de metanol
Tabla 312- Porcentajes ensayados de metanol
ENSAYOS PORCENTAJE METANOL
Porcentaje 1 10
Porcentaje 2 20
Porcentaje 3 30
Porcentaje 4 50
Porcentaje 5 70
Porcentaje 6 100
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 215
Figura 39-Variacioacuten en la porporcioacuten de metanol La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
LU
12 3
4 5 6 10 9 87
10
LU
1
2 3
4 9 876
5 10
30
LU
1
23
4 5 10 9876
5 10 15 20 min
50
LU
12 3
4 5 10 9
8 7 6
20
216 Tesis Doctoral
Figura 39-Variacioacuten en la porporcioacuten de metanol La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32 (cont)
Discusioacuten
La adicioacuten de metanol en la fase moacutevil canal A (agua) provocoacute varios
efectos una bajada de la presioacuten proporcional a la cantidad de metanol
que se antildeadioacute un acortamiento en el tiempo de anaacutelisis cromatograacutefico y
una disminucioacuten de la resolucioacuten y separacioacuten cromatograacutefica es decir
con una mayor cantidad de metanol se obtuvo una menor presioacuten de
trabajo un menor tiempo de anaacutelisis y una peor separacioacuten Por lo tanto
la composicioacuten oacuteptima de la fase moacutevil fue la inicialmente propuesta
Canal A Agua HPLC Canal B ACN HPLC
bull Influencia del pH
La tolerancia de las columnas en fase reversa estaacute comprendida entre
valores de pH de 25 y 8 Si se trabaja a valores por encima o por debajo
LU
12
3
4 5 1098 7 6
70
LU
5 10 15 20 min
100
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 217
de este rango puede provocar una disminucioacuten en la vida de las mismas
La modificacioacuten del pH tiene mucha importancia en cromatografiacutea
reversa ya que la carga de los grupos silanoles enlazados en la fase
estacionaria depende en gran medida de la concentracioacuten de iones
hidronio del medio pudiendo en muchos casos modificar la separacioacuten
cromatograacutefica de manera sustancial
En este estudio se ensayaron varios tipos de aacutecidos y disoluciones
reguladoras Los aacutecidos utilizados fueron el aacutecido trifluoroaceacutetico y el
aacutecido foacutermico los cuales fueron antildeadidos a la fase acuosa en una
concentracioacuten del 01 vv generando un pH de 25 A continuacioacuten se
prepararon disoluciones reguladoras a diferentes valores de pH (3 4 5 7
8) usando para ello K2HPO4 (10 mM) anhidro y H3PO3 Las condiciones
de trabajo exceptuando la fase moacutevil fueron las iniacuteciales Los resultados
obtenidos se muestran a continuacioacuten
Tabla 313- Rango de pH ensayado
ENSAYOS pH
Ac foacutermico 24
TFA 25
Reguladora 1 4
Reguladora 2 5
Reguladora 3 7
Reguladora 4 8
218 Tesis Doctoral
Figura 310- Ensayos a diferente pH La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
min 5 10 15 20
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
Foacutermico
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
TFA
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
Reguladora 1
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
Reguladora 2
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
Reguladora 3
Reguladora 4
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 219
Discusioacuten
A la vista de los cromatogramas obtenidos se dedujo que no existiacutea
mejora en los paraacutemetros cromatograacuteficos a medida que iba variando el
pH de la fase moacutevil Ademaacutes se observoacute como la liacutenea de presioacuten durante
el transcurso del cromatograma no se manteniacutea estable por lo tanto no
fue necesario controlar el pH de la fase moacutevil
bull Influencia del agente micelar (SDS)
Seguacuten se recoge en bibliografiacutea4 este tensioactivo no forma micelas en la
fase moacutevil si la proporcioacuten de disolvente orgaacutenico es superior al 20 esto
es debido a que las interacciones entre los monoacutemeros de surfactante
(SDS) y moleacuteculas de disolvente orgaacutenico son preferidas a las
interacciones mutuas entre moleacuteculas Sin embargo si se producen
interacciones entre SDS y moleacuteculas de analito recibe el nombre de
asociacioacuten solvofoacutebica La separacioacuten se basa en la formacioacuten de
complejos de asociacioacuten de diferente fortaleza dependiendo de la
diferente hidrofobicidad de los analitos de acuerdo con el siguiente
equilibrio
(A) (S) + SDS (A) (SDS) + S
Donde A es el analito y S es el disolvente En nuestro caso se prepararon
cinco disoluciones acuosas con diferentes concentraciones de SDS
4 Heinig K Vogt C Werner G Determination of LAS in industrial and environmental
samples by CE Analyst 123 349-353 1998
220 Tesis Doctoral
Tabla 314- Concentraciones de SDS ensayadas
ENSAYOS CONCENTRACIOacuteN (mgmiddotL-1)
SDS 1 500
SDS 2 750
SDS 3 1500
SDS 4 2000
SDS 5 5000
Figura 311- Ensayos a diferentes concentraciones de SDS La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
SDS 1
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
SDS 2
min 5 10 15 20
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
SDS 3
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 221
Figura 311- Ensayos a diferentes concentraciones de SDS La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32 (cont)
Discusioacuten
La adicioacuten de un agente micelar no alteroacute ni la resolucioacuten ni la separacioacuten
cromatograacuteficas Por lo tanto no fue necesaria su utilizacioacuten ya que no
aporta ninguna ventaja
224 - Temperatura de la columna y la ganancia del
fotomultiplicador
bull Influencia de la temperatura
La temperatura de columna debe ser controlada para obtener resultados
reproducibles ya que tanto la viscosidad de la fase moacutevil como el
rendimiento de fluorescencia de los analitos son fenoacutemenos que se ven
influenciados en gran medida por este factor Por tanto se debe trabajar
con un sistema capaz de controlar la temperatura de la columna
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
SDS 4
min 5 10 15 20
LU
1 2
3
4 5 10 9 87 6
SDS 5
222 Tesis Doctoral
Un aumento en la temperatura representa una disminucioacuten en la
viscosidad de la fase moacutevil y una disminucioacuten por tanto de la presioacuten del
sistema mejorando la eficiencia de la separacioacuten pero a su vez implica
una disminucioacuten en la sentildeal de fluorescencia emitida por los analitos
Ademaacutes a temperaturas elevadas se puede producir la hidroacutelisis de la fase
estacionaria y la consiguiente peacuterdida de eficacia y resolucioacuten en la
separacioacuten En el caso de estudio se probaron tres temperaturas diferentes
Tabla 315-Temperaturas ensayadas
ENSAYOS TEMPERATURA (ordmC)
Temperatura 1 20
Temperatura 2 30
Temperatura 3 40
Figura 312- Ensayos a diferentes temperaturas La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
1
2 3
4 10 9 87 65
20 ordmC
1
23
4 5 6 810 9
7
30 ordmC
min 5 10 15 20
1
2 3
4 5 109876
40 ordmC
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 223
Discusioacuten
A medida que se aumentoacute la temperatura disminuyeron los tiempos de
retencioacuten pero a su vez se perdioacute resolucioacuten Por lo tanto se seleccionoacute
la temperatura intermedia de 30 ordmC como solucioacuten de compromiso
bull Influencia de la ganancia del fotomultiplicador
La ganancia del fotomultiplicador en fluorescencia se mide en electrones
voltios (eV) cuanto mayor es la cantidad de electrones voltios utilizada
mayor es la sentildeal la cual estaacute directamente relacionada con la
sensibilidad Sin embargo un excesivo aumento de la ganancia puede
generar en un tiempo menor de vida del detector En nuestro caso se
estudiaron tres diferentes ganancias
Tabla 316- Ganancias ensayadas
ENSAYOS GANANCIA (eV)
Ganancia 1 10
Ganancia 2 12
Ganancia 3 14
224 Tesis Doctoral
Figura 313- Ensayos a diferentes ganancias La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
Discusioacuten
Los resultados mostraron que al subir la ganancia se aumentaba la sentildeal
de los picos sin embargo se aprecioacute que los picos tendiacutean a igualar su
intensidad a medida que se iba aumentando la cantidad de electroacuten voltios
lo que indicoacute que los picos iniacuteciales se habiacutean saturado Por lo tanto como
solucioacuten de compromiso se seleccionoacute la ganancia de 12 eV como la
ganancia de trabajo
LU
12
3 4 5 109876
10 eV
min5 10 15 20
LU 2
3
45
6 7
109
8
14 eV
LU
1
2 3
4 5 109876
12 eV
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 225
225 - Optimizacioacuten de la longitud de onda de excitacioacuten y de
emisioacuten
Al usar la fluorescencia (FLD) como sistema de deteccioacuten de los analitos
se optimizaron las longitudes de onda de excitacioacuten y emisioacuten Para ello
se fijoacute en primer lugar una longitud de onda de excitacioacuten λexc = 329 nm y
se hizo un barrido de emisioacuten en busca de la longitud de onda de emisioacuten
maacutexima Para localizar la longitud de onda maacutexima de excitacioacuten se
mantuvo fija la longitud de onda de emisioacuten maacutexima obtenida en el paso
anterior y se hizo un barrido de excitacioacuten
λexc (329 nm) barrido de emisioacuten (300-500 nm)
Figura 314- Barrido de emisioacuten
226 Tesis Doctoral
λem (398 nm) barrido de excitacioacuten (230-370 nm)
Figura 315- Barrido de excitacioacuten
Discusioacuten
Seguacuten los resultados obtenidos en el 3Dplot las longitudes oacuteptimas
fueron
λexcitacioacuten = 329 nm λemisioacuten = 398 nm
226 - Optimizacioacuten de la composicioacuten del vial y el volumen de
inyeccioacuten
Dentro de la optimizacioacuten de un meacutetodo de cromatografiacutea liacutequida tanto el
volumen de inyeccioacuten como la composicioacuten del vial son paraacutemetros de
obligado estudio El volumen de inyeccioacuten afecta fundamentalmente a la
sensibilidad ya que a medida que se aumenta el volumen la sentildeal
tambieacuten se incrementa y como sabemos la sensibilidad y la sentildeal estaacuten
en directa proporcioacuten En cuanto a la composicioacuten del vial se sabe por
experiencias previas que una composicioacuten de vial parecida a la fase moacutevil
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 227
inicial puede mejorar la sensibilidad de la sentildeal y ademaacutes se percibe en
muchos casos una mejora en las caracteriacutesticas cromatograacuteficas
En el meacutetodo propuesto con objeto de asemejar la composicioacuten del vial a
la fase moacutevil inicial se estudioacute el efecto de antildeadir a los 3 mL (ACN)
finales de la reaccioacuten de derivacioacuten 05 mL de ACN (ensayo 1) 03 mL
ACN y 02 mL de agua (ensayo 2) y 05 mL de agua (ensayo 3) a
diferentes voluacutemenes de inyeccioacuten 5 μL 20 μL 50 μL 100 μL De esta
manera se pretendioacute optimizar de manera conjunta ambas variables ya su
relacioacuten suele ser muy estrecha
Tabla 317- Voluacutemenes de inyeccioacuten y composiciones ensayadas
VOLUacuteMENES COMPOSICIOacuteN ENSAYO
5 μL 05 ACN Ensayo 1
5 μL 03 ACN + 02 agua Ensayo 2
5 μL 05 agua Ensayo 3
20 μL 05 ACN Ensayo 4
20 μL 03 ACN + 02 agua Ensayo 5
20 μL 05 agua Ensayo 6
50 μL 05 ACN Ensayo 7
50 μL 03 ACN + 02 agua Ensayo 8
50 μL 05 agua Ensayo 9
100 μL 05 ACN Ensayo 10
100 μL 03 ACN + 02 agua Ensayo 11
100 μL 05 agua Ensayo 12
228 Tesis Doctoral
Figura 316- Ensayos a diferentes composiciones 5 microL La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
Figura 317- Ensayos a diferentes composiciones 20 microL La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
min 5 10 15 20
LU
400
1 2 3
4 5 6 10 987
LU
40
1 2 3 4 5 6 10987
Ensayo 4
LU
1 2 3
5Ensayo 1
LU
40
1
2 34 5 6 7 8 9 10
Ensayo 2
Ensayo 3
LU
80
1 2 3
Ensayo 5
min 5 10 15 20
LU 800
1
2 3
4 5 6 7 1098
Ensayo 6
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 229
Figura 318- Ensayos a diferentes composiciones 50 microL La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
Figura 319- Ensayos a diferentes composiciones 100 microL La nomenclatura de los picos es la misma que para la Figura 32
LU
35
1 2 3
4 5 6 7 10 9 8
LU
800
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Ensayo 8
min 5 10 15 20
LU
8001
2 3
4 56
10987
Ensayo 9
LU
35
1 2 3 4 5 6 10987
Ensayo 10
LU
800
1 2 34 5 6 7 8 109
Ensayo 11
min 5 10 15 20
LU
1200 1
2 3
4 56
109
87
Ensayo 12
Ensayo 7
230 Tesis Doctoral
Discusioacuten
A medida que se fueron aumentando la proporcioacuten de agua y el volumen
de inyeccioacuten se obtuvieron mejores resultados (mayor sensibilidad) No
se pudo aumentar maacutes la proporcioacuten de agua ya que a partir de 05 mL
apareciacutea una turbidez debida a la insolubilidad de la BrMMC en agua Por
lo tanto las condiciones oacuteptimas fueron Vol Inyeccioacuten 100 μL y 05 mL
agua
227 - Resultados oacuteptimos
Teniendo en cuenta todos los resultados alcanzados en los apartados
anteriores en la Tabla 318 se resumen los valores oacuteptimos y en la
Figura 320 se muestra un cromatograma obtenido bajo esas mismas
condiciones
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 231
Tabla 318- Variables cromatograacuteficas oacuteptimas
PARAacuteMETROS OacutePTIMOS
Columna Lichrospher RP-8 250 mm x46 mm
Vol Inyeccioacuten 100 μL
Flujo 15 mLmiddotmin-1
Temperatura 30 ordmC
Deteccioacuten λex = 329 nm λem = 398 nm
Eluyentes Canal A = Agua HPLC Canal B = ACN HPLC
Gradiente T0= 70B T10= 80B T15= 85B T20= 85B
T25= 100B
Comp Vial 3 mL ACN y 05 mL agua
Ganancia 12 eV
Figura 320- Cromatograma oacuteptimo Por orden C8K (1) C10K (2) C12K (3) C13K (4) C14K (5) C182K (6) C16K (7) C181K (8) C17K (9) C18K (10)
min 5 10 15 20
LU
1200 1
2 3
4 56
109
87
232 Tesis Doctoral
23 - Optimizacioacuten de la reaccioacuten de derivacioacuten para fluorescencia
231 - Justificacioacuten de la reaccioacuten de derivacioacuten
Como ya se ha comentado con anterioridad el jaboacuten es una sal alcalina
del aacutecido graso Desde el punto de vista estrictamente analiacutetico el jaboacuten
tiene un comportamiento parecido al aacutecido graso La dificultad en la
determinacioacuten del aacutecido graso y por ende del jaboacuten se basa
fundamentalmente en dos hechos
La falta de propiedad analiacutetica sensible medible Los aacutecidos
grasos no tienen en su estructura ni dobles enlaces (salvo los
insaturados) ni grupos aromaacuteticos lo que impide su anaacutelisis
mediante teacutecnicas especiacuteficas como la fluorescencia A pesar de
que presentan un pico de absorcioacuten entre 204 y 207 nm en el
ultravioleta su intensidad es poco significativa dificultando su
cuantificacioacuten a concentraciones bajas (mgmiddotL-1) Por lo tanto
para su correcta determinacioacuten hay que irse a teacutecnicas de
derivacioacuten para de este modo aumentar la respuesta a los
diferentes sistemas de deteccioacuten especiacuteficos Otra posibilidad
seriacutea la determinacioacuten mediante sistemas de deteccioacuten
universales como por ejemplo la espectrometriacutea de masas
Alto punto de ebullicioacuten Una de las caracteriacutesticas
fundamentales del aacutecido graso es su alto punto de ebullicioacuten lo
que dificulta su determinacioacuten por cualquier teacutecnica que requiera
el paso a un estado gaseoso del analito (cromatografiacutea de gases y
espectrometriacutea de masas) Aunque actualmente existen
columnas para cromatografiacutea de gases que son capaces de
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 233
trabajar a altas temperaturas y de determinar los aacutecidos grasos
sin derivacioacuten eacutestas son todaviacutea muy caras y en muchos casos
se prefiere utilizar meacutetodos de derivacioacuten ya que son maacutes
econoacutemicas
Teniendo en cuenta todo lo anteriormente expuesto la derivacioacuten es la viacutea
maacutes recomendable para el anaacutelisis de los aacutecidos grasos y de sus derivados
alcalinos el jaboacuten
232 - Eleccioacuten de la reaccioacuten de derivacioacuten
La reaccioacuten de derivacioacuten consiste en transformar la sustancia a analizar
(con pocas o nulas propiedades analiacuteticas medible) en otro compuesto
sensible a cualquiera de las teacutecnicas de deteccioacuten especiacutefica existentes
Por norma se suele antildeadir en el caso de la cromatografiacutea liacutequida un
compuesto con anillos aromaacuteticos sensible a fluorescencia yo absorcioacuten
por ultravioleta-visible y en el caso de la cromatografiacutea de gases se
adiciona un grupo que aumenta la volatilidad de la moleacutecula
Existen multitud de agentes derivantes para la determinacioacuten de los aacutecidos
grasos56 tanto para cromatografiacutea de gases como para cromatografiacutea
liacutequida Esta variedad es maacutes patente si cabe en la reacciones de
derivacioacuten de aacutecido grasos para fluorescencia de todas se seleccionoacute la
reaccioacuten de derivacioacuten con 4-Bromometil-7-metoxicuramina debido
fundamentalmente a dos razones 1) porque habiacutea sido utilizada de manera
satisfactoria en la determinacioacuten de jaboacuten12 y 2) debido a la semejanza
5 Knapp DR Handbook of Analytical Derivatization Reactions Wiley-Interscience First Edition Pp 768 1979
6 Blau K Halket J Handbook of Derivatives for Chromatography John Wiley amp Sons Second Edition Pp 369 1994
234 Tesis Doctoral
con el analito de estudio (jaboacuten) ya que la reaccioacuten se basa en la
formacioacuten previa de un jaboacuten de tipo potaacutesico a partir de un aacutecido graso
el cual es posteriormente derivado con el agente derivante (Figura 321)
En una primera etapa el aacutecido graso se hace reaccionar con carbonato
potaacutesico (K2CO3) para dar el jaboacuten potaacutesico anteriormente mencionado
como medio de reaccioacuten se suele utilizar acetona En una segunda etapa
el jaboacuten potaacutesico generado se hace reaccionar con el agente derivante (4-
Bromometil-7-metoxicuramina) en presencia de una cantidad en exceso
de Eacuteter 18-corona-6 el cual tiene como principal funcioacuten la retener los
iones K+ del jaboacuten liberando al medio iones R-COO- favoreciendo el
mecanismo de adicioacuten-eliminacioacuten del jaboacuten al agente derivante El medio
de reaccioacuten es tambieacuten acetona
Finalmente cabe resaltar que ambas etapas se suelen llevar a cabo en un
solo paso debido a que el medio de reaccioacuten es el mismo para ambas
Figura 321- Mecanismo de reaccioacuten para la derivacioacuten de aacutecidos grasos Fluorescencia
Determinacioacuten de tensioactivos por HPLC optimizacioacuten de las variables 235
233 - Eleccioacuten del patroacuten interno
Los analitos a estudiar fueron el jaboacuten C8 C10 C12 C14 C16 C181 C18 A
la hora de seleccionar un patroacuten interno se tuvieron en cuenta diferentes
aspectos el primero de ellos era encontrar patrones que tuvieran una
estructura parecida a los analitos a determinar y el segundo es que no se
encontraran en el ambiente tratando de evitar posibles problemas en la
cuantificacioacuten Tanto el jaboacuten C13 como el C17 cumpliacutean ambos requisitos
ya que teniacutean una cadena lineal parecida a los compuestos a analizar y
por otro lado ninguno de ellos estaba presente en el ambiente A la hora
de decantarse por uno de los dos compuestos se optoacute por seleccionar el
jaboacuten C13 ya que teniendo en cuenta la cadena lineal de los analitos a
estudiar el C13 se ajustaba maacutes a la media de carbonos del jaboacuten a
analizar Por su parte el C17 se asemejaba en nuacutemero de carbonos al
jaboacuten con cadena lineal maacutes pesada mantenieacutendose alejado de la media
en longitud de cadena del analito
Sin embargo como maacutes adelante se comentaraacute el patroacuten interno C17 tuvo
utilidad en la validacioacuten de la metodologiacutea analiacutetica
234 - Eleccioacuten del disolvente para la reaccioacuten de derivacioacuten
En la bibliografiacutea utilizada1245 el disolvente usado como medio de
reaccioacuten fue en todos los casos la acetona Durante la presente memoria
se estudiaron otros disolventes para mejorar los resultados obtenidos en
acetona Con este propoacutesito se hicieron ensayos con diferentes
disolventes los cuales teniacutean que cumplir la premisa de que todos los
reactivos usados (4-Bromometil-7-metoxicuramina Eacuteter 18-corona-6 y el
jaboacuten) fueran solubles en el mismo Del mismo modo se seleccionaron