Organizacion y formulacion de una pasta lava trastes

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Química
e Industrias Extractivas
“Optimización
Optimización y formulación de una pasta
lava trastes”
T E S I S
PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO QUÍMICO PETROLERO
PRESENTA:
IVAN GABRIEL SANTANA ARRIAGA
ASESORA:
M. en C. MA
MA. FELIPA SÁNCHEZ SALMERÓN
CD. DE MÉXICO, DICIEMBRE
DICIE
2016
Agradecimientos
Dios y la Virgen de Guadalupe, por darme vida y tiempo
para cumplir con esta gran meta personal.
Al Instituto Politécnico Nacional por permitirmeestudiar en
sus filas; en un inicio en el CECyT 9, en donde adquirí las
bases académicas para finalizar mis estudios en ESIQIE.
A Lubrizol por todo el apoyo y conocimiento para llevar
a cabo este proyecto; en especial al laboratorio de
Personal and Home Care México.
A Brafer por el apoyo y facilidades para
concluir este gran paso en mi vida.
A mis padres que día a día me hanbrindado su apoyo y cariño en cada
etapa de mi vida, los cuales han sidofundamentales siempre. Los amo.
A mis hermanos, por estar siemprea mi lado, apoyándome. Los quiero.
A mi Abuelita Rosa, mi abuelita Lucina, mis tíos y primos
por el apoyo y palabras de aliento que siempre me han brindado.
A mi novia Samanta, por todo el apoyo y motivación para concluir este capítulo
académico; por creer en mí y darmesu cariño y amor. Te amo
A mi directora de tesis, M. en C. Felipa Sánchez, por apoyarme
guiarme y auxiliarme en todo momento en la realización de esta tesis;
por todos sus conocimientos, consejos y su amistad.
A la Ing. Mariana Olguín, al Ing. Estelio Baltazar, Ing. Armando
Ávalos y al Dr. Mario Rodríguez por sus conocimientos, consejos
yser parte fundamental de este proyecto.
A Luci, Dani, Ise, Oscar, Ramón,Cristhian y Gabriel, que me brindaron
su apoyo, conocimientos, pero sobretodo amistad y compañerismo.
A todos mis amigos que me apoyaron y brindaron palabrasde
aliento a lo largo de mi formación académica y a lo largo de mi
proceso de titulación como Andrés, Mike, Lalo, Margarito,
Abraham, Carolina, Mariana y muchos más.
Objetivo General
Optimizar la formulación de una pasta lava trastes
Objetivos específicos
Realizar un diseño de experimentos para una pasta lava trastes
Formular una serie de pastas lava trastes
Evaluar el desempeño y características de las pastas lava trastes
formuladas
Optimizar la formulación de la pasta lava trastescon base en los
resultados obtenidos
Formular la pasta lava trastes óptima y caracterizarla
I
Resumen
En el presente trabajo, se recopilaron conceptos básicos sobre detergencia en
general, describiendo desde tipos de sustratos, tipos de suciedades, mecanismos de
remoción y modelos energéticos de remoción de partículas. Posteriormente se realizó una
semblanza de los detergentes, también se describieron los principales componentes de los
detergentes y sus características; para dar paso a las características de las pastas lava
trastes y sus formulaciones. Además se desarrolló un capítulo sobre diseño de
experimentos y sus características para explicar cómo se realizó la formulación.
La formulación comenzó con pruebas de carbonatos comerciales para verificar la
estructura que estos componentes podían brindarle a la pasta, se realizó un diseño de
experimentos para obtener mayor información de las interacciones de los componentes.
Posteriormente las pastas fueron elaboradas, se procedió a caracterizarlas mediante la
medición de la fuerza de penetración, pH, humedad relativa, desempeño de platos
lavados y diámetro de burbuja de la espuma generada. Gracias a los datos obtenidos de
las pruebas realizadas a las pastas, por medio de software especializado en diseño de
experimentos, se optimizó una fórmula base, que sirvió para realizar un segundo diseño
con la inclusión de modificadores reológicos para mejorar la apariencia y las
características deseadas.
Finalmente se caracterizó el segundo diseño y se encontró la pasta óptima con
modificador reológico que cumplía con los parámetros deseados de apariencia y
desempeño.
II
Abstract
In the present work, basic concepts of detergency in general were collected,
describing from types of substrates, types of dirt, removal mechanisms and energy models
of particle removal. Subsequently has been realized a semblance of detergents, the main
components of the detergents and their characteristics were also described to make way
for the characteristics of the dishwashing pastes and their formulations. In addition, a
chapter on experimental design and its characteristics was developed to explain how the
formulation was performed.
The formulation started with commercial carbonate tests to verify the structure
that these components could give to the pulp, an experiment design was made to obtain
more information of the interactions of the components. Subsequently, the pulps were
elaborated, characterizing them by measuring the penetration force, pH, relative
humidity, performance of washed dishes and bubble diameter of the generated foam.
Thanks to the data obtained from the tests performed from the tests carried out to the
pastes, by means of software specialized in design of experiments, a base formula was
optimized, which served to make a second design with the inclusion of rheological
modifiers to improve the appearance and the desired characteristics .
Finally the second design was characterizedand it was found the optimal paste
with rheological modifier who met the desired appearance and performance parameters.
III
Introducción
La limpieza es uno de los temas primordiales en todos los hogares del país, desde la
limpieza del piso, puertas, muebles, ropa e incluso la vajilla donde día a día cada
integrante de las familias toma sus alimentos; debido a estas necesidades, existen
diversos materiales de limpieza para cada área específica; en este trabajo, se retoma la
limpieza de los trastes (platos, vasos, ollas, cubiertos, entre otros) por medio de pastas
lava trastes, material necesario para remover los restos de comida y otras suciedades que
se encuentren adheridos.
Para lograr una pasta lava trastes óptima, es decir, que remueva toda la suciedad de los
trastes, mantenga una espuma cremosa y agradable, sea delicada con la loza y las manos,
tenga la capacidad de lavar el mayor número de platos, sea fácil de utilizar y sea
económico; es necesario experimentar con los diversos materiales que ayuden a todos
estos propósitos mencionados anteriormente, como son carbonatos, aminas,
surfactantes, modificadores reológicos, hidrótropos, entre algunos más.
Los pasos que se llevaron a cabo para formular una pasta lava trastes exitosa fueron
primeramente, utilizar un diseño un experimentos para ajustar las cantidades de los
diversos elementos de la pasta; elaborar las distintas pruebas y evaluar sus características
junto con su desempeño. Se recopilaron todos los datos resultantes de las primeras
pruebas para optimizar los aspectos de las pastas como la calidad de la espuma,
apariencia y desempeño. Se realizaron optimizaciones de superficies de respuesta para
obtener los mejores valores de mezclas y fabricar la mejor pasta lava trastes, la cual
gracias a la inclusión de modificadores reológicos, obtuvo las características de todo el
estudio.
IV
Índice
Objetivo General
Objetivos particulares
Resumen
Abstract
Introducción
Índice
Lista de figuras
Lista de esquemas
Lista de tablas
Siglas y abreviaturas
Capítulo I Detergencia
Generalidades
Suciedad grasosa
Suciedad de partículas sólidas
Sustratos
Cohesión y Adhesión
Tensión Superficial
Comportamiento de la tensión superficial según el medio
Retención de la suciedad
Remoción de suciedad orgánica líquida
Mojabilidad de una superficie
Mecanismo de "cambio de mojabilidad"
Solubilización
Emulsificación espontánea
Remoción de sucio sólido (Partículas)
Bases de la teoría de Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek (DLVO)
Efecto del surfactante
Modelo energético de remoción de partículas
Efectos especiales de los surfactantes
Suspensión de la suciedad
Deposición y re-deposición de la suciedad
Factores involucrados en la remoción y la re-deposición
Agentes de antire-deposición
Aspectos mecánicos de la detergencia
Capítulo II Detergentes
Semblanza de los detergentes
Componentes de las formulaciones de detergentes
Surfactantes
Clasificación de los agentes surfactantes
Agentes secuestrantes mejoradores (Builders)
Agentes dispersantes de jabones de calcio (LSDA)
Agentes antire-deposición
Pág.
I
I
II
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V
VII
VII
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IX
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22
V
Agentes espumantes y no espumantes
Agentes suavizadores
Agentes blanqueadores
Mejoradores ópticos fluorescentes
Enzimas
Perfumes
Otros componentes
Modificadores reológicos
Polímeros acrílicos
Polímeros acrílicos entrecruzados
Polímeros “hinchables” o solubilizables en medio alcalino
modificados hidrofóbicamente (HASE)
Formulaciones típicas de detergentes
Diferentes tipos de formulaciones
Detergentes para máquinas de lavar ropa y platos
Detergentes para lavado a mano de ropa o de loza
Detergentes lavaplatos
Barras y Pastas
Formulaciones y Tecnologías
Capítulo III Diseño de experimentos
Ventajas del DOE
Elementos básicos de un DOE
Principios básicos de un DOE
Clasificación de los DOE
DOE de tipo factorial
DOE de tipo factorial de tipo 2k
Capítulo IV Desarrollo experimental
Equipo utilizado
Materiales
Métodos
Formulación
Capítulo V Resultados
Resultados
Observaciones
Conclusiones
Perspectivas
Referencias
Anexo A Tablas y figuras
Anexo B Métodos de caracterización para pastas lava trastes
Anexo C Fotografías
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83
VI
Lista de Figuras
Página
Figura 1. Tensiones involucradas en un equilibrio trifásico sobre un
plano.
Figura 2. Ángulos de contacto en un equilibrio trifásico sobre un plano.
Figura 3. Encogimiento de una gota de sucio orgánico (O) por aumento
de la mojabilidad del sustrato.
Figura 4. Tipos de solubilización micelar en agua.
Figura 5. Varios casos de energía potencial al acercarse dos partículas.
Figura 6. Mecanismos de remoción de una partícula.
Figura 7. Términos de energía potencial involucrados en la remoción
de una partícula de un sustrato.
Figura 8. Ejemplos de moléculas surfactantes.
Figura 9. Mecanismo de la acción secuestrante de dos mejoradores
inorgánicos.
Figura 10. Agentes mejoradores secuestrantes orgánicos.
Figura 11. Agentes dispersantes presentes en jabón.
Figura 12. Microfotografías de microcápsulas de enzimas por
microscopia de barrido.
Figura 13. Representación de un polímero acrílico entrecruzado.
Figura 14. Gráfica log-log de 0 en función de la velocidad de corte de
un polielectrolito asociativo HASE a diferentes pH's.
Figura 15. Representación geométrica de diseños factoriales.
Figura 16. Familia del DOE factorial 2k.
Figura 17. Tipos de Diseños factoriales disponibles en Minitab 16.
Figura 18. Muestra de la optimización con Centurion XVI.
Figura 19. Gráfica de efectos principales para Penetración.
Figura 20. Gráfica de efectos principales para Humedad Relativa.
Figura 21. Gráfica de interacción para penetrabilidad.
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61
Lista deEsquemas
Esquema 1. Clasificación de los diseños experimentales.
Página
41
VII
Lista de Tablas
Tabla 1. Composición típica de las secreciones sebáceas.
Tabla 2. Tipos de enzimas y reacciones catalizadas.
Tabla 3. Efecto de polímeros en detergentes.
Tabla 4. Modificadores reológicos comerciales.
Tabla 4. Modificadores reológicos comerciales (Continuación).
Tabla 5. Producción mundial de jabones, detergentes y otros
limpiadores.
Tabla 6. Formulaciones de detergentes líquidos para lavar a mano
(ropa, platos).
Tabla 7. Formulaciones típicas de detergentes lavaplatos.
Tabla 7. Formulaciones típicas de detergentes lavaplatos
(Continuación).
Tabla 8. Comparación entre jabones duros y jabones sintéticos en
barra.
Tabla 9. Formulación de barras/pastas para lavandería.
Tabla 10. Formulación de pastas lava trastes.
Tabla 11. Ejemplo de notación de tratamientos para un DOE 22.
Tabla 12. Pruebas con carbonatos ligeros y densos.
Tabla 13. Diseño de experimentos 1.
Tabla 14. Formulación de pasta lava trastes DOE 1.
Tabla 14. Formulación de pasta lava trastes DOE 1 (Continuación).
Tabla 15. Formulación de pasta lava trastes óptima.
Tabla 16. Diseño de experimentos 2.
Tabla 17. Incorporación de modificadores reológicos en formulación de
pasta lava trastes óptima.
Tabla 18. Resultados de pruebas con carbonatos.
Tabla 19. Resultados DOE 1: pruebas 1, 2, 3 y 4
Tabla 20. Resultados DOE 1: pruebas 5, 6, 7 y 8
Tabla 21. Resultados DOE 1: pruebas 9, 10, 11 y 12
Tabla 22. Resultados DOE 1: pruebas 13, 14, 15 y 16
Tabla 23. Resultados DOE 2: pruebas 17, 18 y 19
Tabla 24. Resultados DOE 2: pruebas 20, 21, 22 y 23
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VIII
Siglas y abreviaturas
Sigla/abreviatura
Significado
Ɵ
°C
cm
µm
A
ABS
AGES
Ángulo de contacto
Grados centígrados
Centímetros
Micrómetros
Aire
Alquilbencensulfonatos
Alquilglicerilestersulfonatos
Espesantes hinchables alcalinos
(AlkaliSwellableThickeners en inglés)
Concentración Micelar Crítica
Carboximetilcelulosa
Distancia
Teoría de Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek
El diseño de experimentos
(Design of Experiments en inglés)
Tetracetato de etilendiamina
EstadosUnidos de América
Agente blanqueador fluorescente
Gramos por litro
Hertz
Polímeros “hinchables” o solubilizables en medio
alcalino modificados hidrofóbicamente
Alquilbencensulfonato lineal
Agentes dispersantes de jabones de calcio
(Lime soap dispersing agents en inglés)
Nitrilo-triacetato de sodio
Sucio orgánico líquido de tipo grasoso
Potencial de Hidrógeno
Sustrato
Carboximetilcelulosa de sodio
Tri(poli)fosfato de sodio
Tris-(carboximetoximetil)-etano
Tensión Superficial
Energía potencial total de interacción
Tetraacetiletilendiamina
Energía potencial de atracción
Barrera energética
Energías potencial de repulsión
Gota de agua/fase acuosa
AST
cmc
CMC
d
DLVO
DOE
EDTA
EUA
FWA
g/L
Hz
HASE
LAS
LSDA
NTA
O
pH
S
SCMC
STTP
TMETA
T.S.
V
TAED
VA
Vm
VR
W
IX
Capítulo I Detergencia
Capítulo I Detergencia
Generalidades
La detergencia se puede definir como la teoría y práctica de la eliminación de materiales
extraños de las superficies sólidas por medios químicos superficiales. (Adamson, 1990) Se
refiere al proceso de limpieza de una superficie sólida o de una estructura fibrosa
mediante un baño líquido, en el cual, la acción limpiadora del solvente está
considerablemente aumentada por procesos físico-químicos atribuibles al surfactante y
demás componentes del detergente.
Se denomina generalmente “suciedad” a los materiales indeseables que llegan a
acumularse en la superficie de un sólido o en la trama fibrosa de un textil. Existen
esencialmente dos tipos de suciedad. El primero es de carácter grasoso y puede
considerarse como aceite o grasa, y proviene de origen animal, vegetal o industrial. El
segundo es la suciedad sólida en forma de partículas solubles en agua u otros solventes.
Se denomina “mancha” generalmente a un depósito de material extraño localizado en un
sitio, a menudo de color diferente al sustrato (superficie que se busca limpiar), que puede
tener un carácter de suciedad líquida o sólida, o adherir al sustrato mediante enlaces
químicos (colorantes, óxidos).
En muchos casos, en lo que refiere a la suciedad doméstica, se denomina como una
combinación de los diferentes tipos: grasoso, sólidos solubles, partículas insolubles.
(Michael, 1998)
Suciedad grasosa
Las glándulas sebáceas de la piel secretan una sustancia del mismo nombre cuyo papel es
lubricar el sistema piloso, mantener la flexibilidad de la piel y retardar la penetración de
sustancias extrañas en la dermis, estas secreciones sebáceas generalmente están en
forma emulsionada con el sudor.
Las secreciones sebáceas representan por lo tanto la mayor suciedad presente en la ropa y
debe removerse completamente porque ayudan en parte a la acumulación de partículas
sólidas y por otra parte, producen un tono amarillento al oxidarse al aire. Estas
secreciones contienen hidrocarburos (principalmente escualeno), triglicéridos, ácidos
grasos, esteres grasos y cantidades menores de otras sustancias como el colesterol.
El escualeno es un hidrocarburo aciclico insaturado que contiene seis unidades de
isopreno. Su nombre deriva de la palabra "escualo" porque se encuentra en el aceite de
hígado de tiburón. El escualeno está producido en las glándulas sebáceas y es un
precursor de varios triterpenos cíclicos y de los esteroles relacionados (Tabla 1).
Los aceites y grasas presentes en la suciedad de loza o de cocina son en su mayoría
triglicéridos de origen animal o vegetal. Los sucios grasosos industriales son, según la
naturaleza de la industria, hidrocarburos, triglicéridos, o polímeros. (Salager, Detergencia.
Fenómenos y Mecanismos, 2000)
1
Capítulo I Detergencia
Tabla 1. Composición típica de las secreciones sebáceas
Sustancias
Porcentaje (%)
Triglicéridos
40
Mono/diglicéridos
5
Ácidos grasos
25
Esteres grasos
15
Escualeno
10
Colesterol
2
Otros
3
(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
Suciedad de partículas sólidas
Las partículas sólidas presentes en la ropa sucia pueden clasificarse en sustancias de
origen orgánico (finas escamas de piel, proteínas, residuos vegetales o animales) o
inorgánica (arcillas, partículas de humo, carbón, óxidos, cenizas).
Las partículas orgánicas pueden adherirse sobre un sustrato orgánico (fibra) por enlaces
de tipo químico, mientras que las partículas inorgánicas coloidales presentan a menudo
una geometría muy compleja que favorece un agrupamiento físico, particularmente sobre
un sustrato grasoso; además de la intervención de fuerzas electrostáticas de atracción.
La deposición de partículas de suciedad en ambientes industriales está favorecida por la
presencia de superficies porosas o rugosas (corrosión) o de películas grasosas.
En ciertos casos la suciedad puede formar una costra sólida (escama) depositada por
insolubilización (carbonato de calcio), condensación (calamina), o reacción química
(calcinación). En estos casos la acción detergente debe acompañarse por un proceso
mecánico de abrasión o de un proceso químico de disolución.
Sustratos
“El sustrato es la superficie a limpiar” (Rosen & Kunjappu, 2012).Los sustratos pueden clasificarse
según su naturaleza química (superficie de alta o baja energía) que determina sus
características eléctricas (doble capa) y su mojabilidad, también según su estructura
geométrica (poros, fibras, área específica) que influye sobre ciertos aspectos físicos del
proceso de remoción del sucio (agitación). (Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
El sustrato puede variar casi sin limitación en lo que respecta a la configuración de su
superficie. Puede ser liso y plano, como un vidrio de una ventana o un plato de porcelana,
o presentar una superficie muy compleja, como un tejido.(Cortes Vite, 1999)
Cohesión y Adhesión
Las moléculas en estado líquido experimentan una fuerte fuerza de atracción
intermolecular. Cuando esas fuerzas son entre moléculas iguales, entonces las referimos
como fuerzas cohesivas, estas fuerzas de cohesión son especialmente fuertes en la
superficie y constituyen la tensión superficial.
2
Capítulo I Detergencia
Las fuerzas de atracción entre moléculasson las fuerzas de adhesión. Las fuerzas de
adhesión entre las moléculas de agua y las paredes de un tubo de vidrio, son más fuertes
que las fuerzas cohesivas, con lo que se desarrolla un mecanismo de elevación del agua
sobre las paredes de la vasija y contribuyendo por tanto a la acción capilar.
Las fuerzas atractivas entre las moléculas de un líquido, se pueden considerar como
fuerzas electrostáticas residuales y algunas veces son llamadas fuerzas de Van Der Waals o
adherencia Van Der Waals.
Tensión Superficial
Las fuerzas cohesivas entre las moléculas dentro de un líquido están compartidas con
todos los átomos vecinos; las de la superficie no tienen átomos por encima por lo que
presentan fuerzas atractivas más fuertes sobre sus vecinas próximas de la superficie.
Las moléculas de la superficie son diferentes en todos sus lados, y por lo tanto se
cohesionan más fuertemente con aquellas asociadas directamente en la superficie. Esto
forma una película de superficie, que hace más difícil mover un objeto a través de la
superficie cuando está completamente sumergido. Esta mejora de las fuerzas de atracción
intermoleculares en la superficie, se llama tensión superficial (T.S.).
La T.S. se mide normalmente en dinas/cm y es la fuerza que se requiere (en dinas) para
romper una película de 1 cm de longitud. El agua a 20°C tiene una tensión superficial de
72.8 dinas/cm en comparación con 22.3 dinas/cm del alcohol etílico y 510 dinas/cm para
el mercurio.(Mejía Garcés, 2015)
Los jabones y detergentes ayudan a la limpieza de la ropa al disminuir la tensión
superficial del agua, de modo que ésta penetra más fácilmente en los poros y las
superficies manchadas.
Al lavar con agua fría o agua caliente se puede ver la diferencia en el comportamiento de
la tensión, al usar agua caliente, la T.S. es menor, por ende se tiene un mejor agente de
mojado, pero si el detergente baja la T.S., puede ser innecesario el uso de calor.
El comportamiento de la Tensión Superficial con desinfectantes generalmente es de baja
tensión superficial. Esto permite que se propaguen a través de las paredes celulares de las
bacterias y eliminar su desarrollo. (Nave, 1998)
Comportamiento de la tensión superficial según el medio
Los pequeños insectos como el zapatero de agua pueden caminar sobre el agua, porque
su peso no es suficiente para penetrar la superficie.
Si se coloca cuidadosamente sobre la superficie, una pequeña aguja puede flotar en la
superficie del agua a pesar de ser varias veces más densa que el agua. Si se agita la
superficie para romper la tensión superficial, entonces la aguja se hunde rápidamente.
Los materiales comunes de lonas, son de alguna forma impermeables, en los cuales la
tensión de superficie del agua, llenará los poros del tejido fino del material. Pero si toca la
lona con los dedos, se rompe la tensión superficial y el agua comenzará a atravesar la lona
comenzando el goteo. (Nave, 1998)
3
Capítulo I Detergencia
Retención de la suciedad
Las suciedades líquidas, especialmente las aceitosas, pueden estar retenidas por fuerzas
capilares, mientras que las suciedades sólidos pueden estar retenidas por simples razones
geométricas. Para completar los fenómenos físicos que originan la retención se debe
también citar las fuerzas electrostáticas, aunque no tienen en general mucha importancia
en un medio acuoso.
La retención tanto de los líquidos como de los sólidos se debe principalmente a las fuerzas
de adhesión de Van Der Waals tanto de tipo polar como apolar. Tales fuerzas tienen
mayor intensidad cuando las estructuras del sustrato y de la suciedad coinciden; por lo
tanto las suciedades apolares (hidrocarburos, aceites) se adhieren más en las sustratos
hidrofóbicos (poliéster, polietileno) que en los sustratos hidrofílicos (algodón, vidrio) y vice
versa para las suciedades polares (ácidos grasos, arcillas).
Asimismo, ciertas suciedades polares pueden producir manchas de difícil remoción sobre
sustratos polares, mediante una adhesión por puente hidrógeno. (Salager, Detergencia.
Fenómenos y Mecanismos, 2000)
Remoción de suciedad orgánica líquida
La remoción de suciedad orgánica líquida de un sustrato involucra varios mecanismos que
actúan en forma separada o concurrente: cambio de mojabilidad, solubilización,
emulsificación.
Mojabilidad de una superficie
Cuando una gota de líquido (W) (agua) se coloca sobre un sustrato sólido (S) (fibra, etc.)
en el aire (A), la gota se expande hasta tanto el contacto trifásico SWA presente un
equilibrio entre los diferentes fuerzas de tensión (Fig. 1).
El balance vectorial de las fuerzas de tensión (γ).
+
+
=0
Según describe la ecuación de Neumann, en la proyección sobre la normal a la interface
SW, el ángulo de contacto se mide dentro de la fase condensada W.
Figura1. Tensiones involucradas en un equilibrio trifásico sobre un plano.
Sustrato (S), agua (W), aceite (O).(Rosen & Kunjappu, 2012)
4
Capítulo I Detergencia
En el punto donde convergen las fases sólida, liquida y gaseosa, la fuerza de tensión entre
W y A representa la tensión.
Cuanto menor es el ángulo θ, mayor la mojabilidad de (S) debido a (W). Si θ tiende a cero
la gota se extiende completamente, lo que ocurre cuando:
|
|≥|
|+|
|
Tal condición de extensión puede satisfacerse eventualmente al disminuir la tensión
interfacial entre W y A, lo cual produce siempre un aumento de la mojabilidad (con lo que
se tiene el descenso de θ) ya que:
cos = (
∙
)/
En el otro caso extremo el ángulo de contacto θ llega a ser igual a 180°, y la gota es
entonces tangente a la superficie, es decir que no la moja.
Al despegar o separar un área unitaria de la interface SW, se forman dos nuevas interfaces
de área unitaria entre S y A, una S-W y S-A. Donde cada una de las energías involucradas
corresponde al producto de la tensión por el área. El trabajo de adhesión se define como
la diferencia entre las energías después y antes de la separación de un área unitaria
establecido por la Ecuación de Dupré:
=
+
−
Combinando con la ecuación de Neumann, se obtiene la llamada ecuación de Young.(Rosen
& Kunjappu, 2012)
=
∙ (1 +
)
Mecanismo de "cambio de mojabilidad"
En un caso típico de lavado el sustrato (S) está recubierto parcialmente por un sucio
orgánico líquido de tipo grasoso (O), y el conjunto baña en una fase acuosa (W). En tales
circunstancias se encuentra una analogía formal con el caso anterior
Figura 2. Ángulos de contacto en un equilibrio trifásico sobre un plano.
(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
5
Capítulo I Detergencia
El ángulo de contacto θ corresponde al ángulo de contacto entre O y S (θOS). De igual
forma se podría definir el ángulo de contacto entre W y S como el ángulo suplementario
θWS = 180° - θOS. Por lo tanto, la ecuación de Neumann puede escribirse de dos formas:
!
=(
=(
!
−
! )/ !
−
)/
!
En el caso de la figura θOS< 90°, el sustrato es mojado por la fase orgánica
preferentemente.
Al introducir un surfactante en la fase acuosa para remover la suciedad pueden producirse
varios cambios. La mayoría de los detergentes utilizados son muy poco solubles en la fase
orgánica y por lo tanto la tensiónγOSno se ve afectada. Por el contrario el surfactante se
adsorbe en las interfaces SW y OW y reduce ambas tensiones interfaciales. En
consecuencia cos WS tiende a aumentar, es decir que el ángulo θWS disminuye,
aumentando la mojabilidad al agua.
Esta situación llamada cambio de mojabilidad produce como efecto un encogimiento de
la gota sobre si-misma, denominado rolling-up en inglés.
Figura 3. Encogimiento de una gota de sucio orgánico (O) por aumento de la mojabilidad del sustrato (S) por
la fase acuosa (W) mediante adición de surfactante.
(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
Cuando la mojabilidad del sustrato por la solución acuosa de surfactante es casi completa
(θWS es casi 0°) la gota de sucio orgánico puede desprenderse fácilmente del sustrato bien
sea por la fuerza de Arquímedes, bien sea por las fuerzas de cizallamiento producidas por
la agitación mecánica del líquidoW. Al desprenderse la gota, puede despegarse
completamente (snap off en inglés), romperse en varias gotas, y eventualmente dejar un
residuo de suciedad sobre el sustrato.
La eficiencia del mecanismo de cambio de mojabilidad puede discutirse con las ecuaciones
de Dupré y de Young, en función de la afinidad relativa del sucio orgánico por el sustrato,
y de la disminución de tensión entre la fase orgánica y la fase acuosa.
= (1 +
! =
!+
!
)∙
−
!
!
6
Capítulo I Detergencia
El trabajo de adhesión (WSO) es una medida relativa de la afinidad de la fase orgánica para
el sustrato con respecto a la afinidad de la fase acuosa para el sustrato, en este caso
disminuye cuando la polaridad del sustrato aumenta, como por ejemplo en la serie del
polietileno, cloruro de polivinilo, poliacrilonitrilo, y la poliamida. Para una misma solución
detergente, una disminución de WSO resulta en una disminución de cos ! es decir en un
aumento de θOS o en un aumento de la mojabilidad al agua. De igual forma, la ecuación de
Dupré indica que una disminución de WSO resulta en una disminución de γSW y un
aumento de γSO. Para un sustrato dado, la introducción de un surfactante reduce a la vez
ambos términos cosθ#$ y,γWO, lo que resulta en una disminución de WSO.
El cambio en la mojabilidad es probablemente el principal mecanismo de remoción de
suciedad orgánica líquida de un sustrato, pero existen otros. (Ho Tan Tai, 2000)
Solubilización
En solución acuosa las moléculas de surfactantes forman agregados llamados micelas. Las
cuales pueden solubilizar moléculas orgánicas de varias formas como sustancias de tipo
hidrocarburo; y en general las sustancias netamente apolares solubilizadas en el interior o
corazón de las micelas, el cual está constituido por las partes lipofílicas de las moléculas de
surfactante.
Con respecto a las moléculas orgánicas con cierto carácter polar (ácidos, alcoholes) se
solubilizan en la superficie de la micela mediante un proceso conocido como comicelización. Cuando la solubilización es parte del mecanismo principal de la detergencia,
se observaría un aumento del poder detergente con el número de micelas, por otra parte
no ocurriría la detergencia alguna a concentración inferiores de surfactante, ni a la
concentración micelar crítica (cmc). Pese a ello, se observa que el poder detergente
aumenta con la concentración del surfactante hasta que alcanza la cmc; por encima de la
cmc el poder detergente en general es independiente de la concentración del surfactante.
Esto indica que la acción detergente se debe a las moléculas no micelizadas del
surfactante, es decir a la actividad interfacial (adsorción y cambio de mojabilidad del
sustrato, disminución de la tensión) y no a la presencia de micela.
Por consiguiente el mecanismo de solubilización es menos importante generalmente; sin
embargo existe una excepción, que corresponde a la formación de cristales líquidos o
mesofases. En estas circunstancias, el tamaño de las micelas puede crecer
descomunalmente (hasta 0,1 μm) y se pueden formar geles o cristales líquidos, los cuales
incorporan una considerable cantidad de fase acuosa y de fase orgánica. Un caso extremo
de tales mesofases son las microemulsiones.
La formación de tales estructuras está favorecida debido a factores que tienden a producir
un aumento del tamaño micelar (o una disminución de la cmc) como electrolitos,
acercamiento al punto de turbidez para los surfactantes no iónicos, etc. Otras mesofases
se originan cuando las afinidades del surfactante para las fases orgánica y acuosa están
cerca del equilibrio, es decir cerca de la formulación óptima. Sin embargo eso no es la
situación normal de uso de los detergentes comerciales, los cuales son en general
netamente hidrofílicos. (Kuo-Yann, 1997)
7
Capítulo I Detergencia
Figura 4. Tipos de solubilización micelar en agua.
(a) de sustancia apolar, hidrocarburo, aceite.
(b) co-micelización de un anfífilo, alcohol, amina.
(c) de un sólido insoluble en ambas fases, talco, arcilla.
(d) de sustancias polares en cadenas poli-óxido de etileno.
(Kuo-Yann, 1997)
Emulsificación espontánea
En ciertos casos se ha observado que se pueden formar gotas de fase acuosa en el interior
de las gotas de fase orgánica. Esto implica una transferencia de masa por difusión a través
de la fase orgánica, lo que puede resultar en un fenómeno de emulsificación espontánea.
Eso puede producirse también cuando el agente surfactante se forma in-situ en la
interface por reacción de una fase acuosa alcalina con ácidos grasos libres de la fase
orgánica.
Tal mecanismo no parece sin embargo tener una importancia sino en algunos casos
particulares.
Remoción de sucio sólido (Partículas)
El mecanismo de remoción de partículas de sucio sólido de un sustrato difiere
completamente de aquel visto para el sucio líquido. La retención de las partículas de sucio
proviene de la combinación de las fuerzas de atracción de Van Der Waals y de las fuerzas
eléctricas de repulsión; este problema está íntimamente relacionado con aquel de la
floculación y de la coagulación de coloides hidrofóbicos, eventualmente con correcciones
para tener en cuenta la hidratación de los sustratos celulósicos hidrofílicos o de partículas
hidrofílicas como arcillas o sílice. (Michael, 1998)
8
Capítulo I Detergencia
Bases de la teoría de Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek (DLVO)
La teoría de floculación y coagulación de los coloides hidrofóbicos fue desarrollados por
varios investigadores, específicamente Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek, de donde
su nombre DLVO. Se basa sobre una expresión de la energía potencial en función de la
distancia entre superficies, en la cual se combinan las fuerzas atractivas de London — Van
Der Waals y las fuerzas repulsivas de carácter electrostático.
La energía potencial total de interacción (V) se escribe como la suma de las energías
potencial de atracción (VA) y de repulsión (VR).
Típicamente VA es inversamente proporcional a la distancia (d) entre las superficies
sólidas (sustrato-partícula) y es negativo.
V = −A(d
Donde A es la llamada constante de Hamaker, que debe corregirse si el medio dispersante
es un líquido. La energía potencial de repulsión depende de la dimensión y de la forma de
las partículas, del potencial de la superficie (zeta), de la fuerza iónica y de la constante
dieléctrica del medio dispersante. Para el caso de una doble capa eléctrica espesa,
decrece exponencialmente con la distancia (d).
)* = +, -./
Estas expresiones son aproximadas o válidas sólo en caso particulares, pero son
suficientes para la siguiente discusión. La suma V tiene uno de los aspectos típicos
ilustrados a continuación. La distancia d se toma como cero a la mínima distancia
permitida por las fuerzas de repulsión estéricas de Born (que varían de manera
inversamente proporcional a la décima segunda potencia de d, que pueden resultar en
una cierta deformación).
9
Capítulo I Detergencia
Figura5.. Varios casos de energía potencial al acercarse dos partículas.
VR: energía pote
potencial de repulsión (eléctrica);.
VA: energía potencial de atr
atracción (Van Der Waals).
V: energía potencial total en función de la distancia “d”.
(Salager, Teorías relativa a la estabilidad de coloides liofóbicos, 2007)
En el diagrama (a) la energía potencial V decrece continuamente cuando d disminuye, y la
coagulación o adhesión es espontánea. En el caso (b), que es el más común, existe un
máximo de energía potencial llamado barrera energética (Vm) que debe vencerse antes de
llegar a la zona donde V decrece cuando d disminuye. Y para (c) ssucede
ucede cuando el tamaño
de la partícula es mucho mayor que el espesor de la doble capa eléctrica (1/κ)
(1/ 1. En este
caso existe un mínimo secundario de energía potencial que corresponde al fenómeno de
floculación para diferenciarlo de la coagulación o adhesión
adhesión.
Debido a que este mínimo tiene un valor negativo en general pequeño y que corresponde
a un valor relativamente grande de la distancia sustrato
sustrato-partícula,
partícula, no corresponde a un
estado muy estable.
Por lo tanto las partículas floculadas pueden en general de
deflocularse
flocularse fácilmente mediante
agitación mecánica del fluido. Sobre todo de partículas grandes (varias micras),
particularmente de forma plana. En caso contrario cuando la concentración de electrolito
en la fase dispersante aumenta, la doble capa se compri
comprime,
me, la posición del máximo de V
en la figura (b) se desplaza para valores menores de d, la altura de la barrera disminuye, y
finalmente se obtiene el tipo (a). Esta disminución del potencial de superficie tiende a
1
Donde k es la Constante
ante de Boltzman k = 1.38041 10
-23 J.K-1
.
10
Capítulo I Detergencia
producir el mismo tipo de transición, con un desplazamiento mínimo de la distancia a la
cual se produce el máximo.(Salager, Teorías relativa a la estabilidad de coloides liofóbicos, 2007)
Efecto del surfactante
La presencia de surfactante puede modificar el potencial de superficie por adsorción, así
mismo puede modificar el valor de la constante de Hamaker, y afectar la fuerza iónica del
líquido dispersante (surfactante iónico) y el espesor de la doble capa eléctrica. Debido a
que los surfactantes se usan en general a muy baja concentración, sólo el primer efecto
puede ser significativo.
Por ejemplo, la adición de un surfactante catiónico en un sistema en el cual ambos
sustrato y partículas poseen una carga superficial negativa, tiende a disminuir el potencial
superficial por adsorción, hasta llegar al punto de carga cero en el cual el potencial zeta se
anula.
En este punto se observa un máximo de coagulación. Si la adsorción de surfactante
catiónico aumenta, el potencial superficial se torna positivo y aparece de nuevo una
barrera energética. Y al aumentar la concentración de surfactante catiónico más alfa del
punto de carga cero se observa una menor coagulación. Sin embargo esta tendencia está
limitada por el aumento correspondiente de la fuerza iónica de la fase dispersante
(surfactante iónico) que tiende a reducir el espesor de la doble capa eléctrica y por lo
tanto producir el efecto inverso.
Además la adsorción del surfactante sobre el sustrato puede modificar el ángulo de
contacto entre la solución y el sustrato o las partículas, lo que pueda favorecer la
floculación o la flotación. Asimismo ciertos tipos de surfactantes de alto peso molecular
pueden, al adsorberse, añadir una barrera de repulsión de tipo estérico que impide la
coagulación aún en ausencia de repulsión electrostática. (Kuo-Yann, 1997)
Modelo energético de remoción de partículas
Se pueden ilustrar las diferentes etapas involucradas en la remoción de una partícula
sólida de un sustrato, mediante el modelo simple de una partícula con superficie plana
unitaria adherida al sustrato, ver figura 6.
En el estado inicial (a) la partícula aglutinada a la superficie del sustrato tiene una energía
potencial V(a) está dominada por el término de atracción de Van Der Waals.
En la primera etapa (a - b), una fina capa de fase dispersante (cuyo espesor se denomina
"e") penetra entre el sustrato y la partícula, resultando en el estado (b). El espesor "e"
corresponde a una capa de solvatación o de adsorción de sustancia surfactante. En vista
de la existencia de la distancia "e", se forman las dobles capas eléctricas y existen ambos
términos VA y VR.
Luego en la segunda etapa (b - c) la partícula se aleja de la superficie a distancia
suficientemente grande para que las fuerzas de atracción de Van Der Waals sean
esencialmente nulas
11
Capítulo I Detergencia
Figura 6. Mecanismos de remoción de una partícula
(a) Estado inicial
(b) Primera etapa de remoción de partículas
(c) Segunda etapa de remoción de partículas
(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
Figura 7. Términos de energía potencial involucrados en la remoción de una partícula de un sustrato.(Salager,
Teorías relativa a la estabilidad de coloides liofóbicos, 2007)
Efectos especiales de los surfactantes
Los conceptos anteriores destacan que la presencia de un surfactante favorece la
remoción de partículas por disminución de las energías superficiales. Sin embargo, la
adsorción de surfactantes puede también reducir el potencial zeta y por lo tanto inhibir la
remoción; por eso no se usan surfactantes iónicos de carga opuesta a la de los sólidos
involucrados.
Otros efectos de importancia son los efectos estéricos de los surfactantes poliméricos que
tienden a favorecer la dispersión de partículas al introducir términos de repulsión noeléctrica.
Definitivamente se debe notar que tanto en la remoción del sucio líquido por cambio de
mojabilidad como en la remoción de partículas sólidas adheridas, se tiene que suministrar
una cierta energía mecánica para vencer las fuerzas de adhesión. Es el papel de la
agitación en las máquinas de lavar u otros dispositivos de limpieza. Cuando más pequeño
el tamaño de la gota o de la partícula a remover, mayor tiene que ser la agitación para que
la sustancia a remover este sometida a un cizallamiento suficiente. (Salager, Detergencia.
Fenómenos y Mecanismos, 2000)
12
Capítulo I Detergencia
Suspensión de la suciedad
Deposición y re-deposición de la suciedad
Una vez removida la suciedad en forma de gotas o de partículas, es importante que la
suspensión de la suciedad en la fase acuosa sea estable, para que no vuelva a adherirse
sobre el mismo (re-deposición) u otro (deposición) sustrato presente en el sistema.
La re-deposición es el fenómeno inverso de la remoción y está regido por los mecanismos
inversos. Durante el lavado con una solución detergente, las condiciones son en general
tales que la remoción excede considerablemente la re-deposición (cambio de mojabilidad,
aumento de fuerzas repulsivas suciedad-sustrato); asimismo la agitación del líquido evita
la acción de la gravedad sobre la suciedad, la cual podría sedimentarse; también la
agitación favorece el contacto suciedad dispersada – sustrato, lo que ayuda a evitar que
esta se re-deposite en el sustrato.
La deposición o re-deposición del sucio ocurre en general cuando se produce una
inestabilidad o un cambio repentino en el líquido dispersante, por lo tanto pueden
producirse cuando la solución detergente se satura de suciedad, o en la precipitación de
suciedades como jabones de calcio, o bien al diluir considerablemente la solución como
por ejemplo en la operación de enjuague. En tales circunstancias el líquido puede perder
su capacidad dispersante y como consecuencia la suciedad puede depositarse o
redepositarse.
Factores involucrados en la remoción y la re-deposición
Existen diversos factores que pueden influenciar el equilibrio entre remoción y redeposición de la suciedad como son: el surfactante, los mejoradores o secuestradores de
iones polivalentes en caso de agua dura, el tipo de sustrato, el tipo de suciedad, la
agitación del sistema, y la presencia de agentes llamados de antire-deposición.
Para ver la importancia y del efecto de cada uno, se realizan diversos ensayos de lavado
en textiles con una solución detergente cargada de una suciedad en forma de partículas o
de emulsión, para cada ensayo se mide la deposición de suciedad, por balance (lo que
queda en el líquido), o por medición de la reflectancia del textil (blancura). Los resultados
dependen notablemente de las condiciones (dureza del agua, tipo de sustrato, tipo de
suciedad) y pueden solamente enunciarse algunas reglas generales para cada resultado,
las cuales pueden sufrir excepciones.
Del análisis de resultados obtenidos se llegó a las siguientes generalizaciones:
a) Los jabones de ácidos grasos producen soluciones con mejor poder suspensor2
que los detergentes sintéticos.
b) Los iones divalentes reducen considerablemente el poder suspensor,
particularmente cuando se usan surfactantes aniónicos (los jabones pueden
precipitarse en forma de sal de calcio de muy difícil remoción).
c) La naturaleza del sustrato y de la suciedad es determinante en cada prueba.
2
Poder suspensor se refiere a la capacidad de los materiales de suspender o levantar ciertas partículas
sólidas en un medio.
13
Capítulo I Detergencia
d) Los jabones de bajo peso molecular (C12) son menos eficientes, en particular
en caliente, que los jabones de alto peso molecular (C16-18).
e) La presencia de agentes secuestrantes de cationes divalentes mejora el poder
suspensor.
f) La presencia de agentes de antire-deposición puede aumentar notablemente el
poder suspensor.
g) La agitación evita la floculación de las partículas de sucio entre sí o la
coalescencia de gotas de suciedad, y reduce la re-deposición.
De lo anterior se puede concluir que cada situación es un caso particular que debe
optimizarse. Si bien es cierto que existen múltiples formulaciones detergentes para usos
particulares, en la mayoría de los casos una solución de detergente debe ser efectiva en
circunstancias muy variadas. Un detergente para lavar ropa debe: ser efectivo con fibras
hidrofílicas como algodón o hidrofóbicas como poliacrilonitrilo o polietilentereftalato; por
otra parte debe poder remover y suspender suciedades hidrofóbicas como grasas o
partículas hidrofílicas de arcillas. Visiblemente no hay solución general a para realizar una
buena limpieza en todas las fibras, lo que explica la gran variedad de formulaciones en
cuanto a surfactantes, secuestrantes y aditivos. (Michael, 1998)
Agentes de antire-deposición
Los surfactantes sintéticos del tipo alquilbencensulfonatos (ABS) que se desarrollaron
después de la segunda guerra mundial presentaban un poder suspensor netamente
inferior al de los jabones. Se hizo por lo tanto necesario añadir a las formulaciones
sintéticas un agente que favorezca la suspensión del sucio.
El primero y todavía muy utilizado agente de antire-deposición fue la carboximetilcelulosa
(CMC) la cual es uno de las poliéteres de celulosa, con carácter iónico, el cual es único en
su especie. La acción de la carboximetilcelulosa ha sido estudiada en detalles con
sustratos celulósicos (algodón) y sucios cargados negativamente. El efecto que esta tiene
es producir una adsorción de la CMC sobre ambos sustrato y suciedad; por otra parte la
CMC adsorbida puede hidratarse, lo que produce una capa protectora sobre la fibra y/o
sobre la suciedad En tales condiciones existen fuerzas de repulsión eléctrica y fuerzas de
repulsión estérica suficientes para evitar la adhesión.
El tipo, la cantidad y la uniformidad de los grupos sustituyentes tienen una gran
importancia sobre el desempeño del poliéter de celulosa como agente de antiredeposición. Ya que como polielectrolito que se adsorbe sobre las fibras de algodón
mediante puentes hidrógenos, y evita la deposición de los sucios cargados negativamente
por repulsión electrostática. Sin embargo la misma sustancia tiene poco efecto sobre
fibras sintéticas hidrofóbicas. Por lo que es necesario usar un poliéter del tipo
hidroxietilcelulosa, que produce mejores resultados, o utilizar otras sustancias poliméricas
como el polivinil alcohol o la polivinilpirolidona.
Todavía no existe un agente de antire-deposición perfectamente satisfactorio para
sustratos hidrófobos y sucios hidrófobos. En la actualidad se evita el problema mediante
14
Capítulo I Detergencia
una operación de lavado en medio apolar (lavado en seco) o un tratamiento de
mercerización de la fibra hidrófoba. (Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
Aspectos mecánicos de la detergencia
La agitación mecánica del líquido dispersante tiene varios papeles. De una parte mantiene
el líquido homogéneo a la escala del sistema, es decir asegura la misma concentración de
detergente y de suciedad en todas partes y evita fenómenos de sedimentación.
Por otra parte tiene un papel indispensable a nivel de la capa límite ya que produce el
cizallamiento necesario para remover, disolver o solubilizar la suciedad retenida, y
emulsionarla o deflocularla según el caso.
En la mayoría de los casos se usa una agitación que produce turbulencia, lo cual favorece
la transferencia de masa y la suspensión de la suciedad. En cierto tipo de aplicaciones
como máquinas lavaplatos, se usa un chorro turbulento lo que resulta en general en un
movimiento rápido del líquido paralelo a la superficie a limpiar. El efecto global de mezcla
está asegurado por un reciclo del líquido detergente en el transcurso del cual se filtran las
partículas de sucio.
En aplicaciones especiales donde es necesaria la agitación dentro de los poros u otras
ubicaciones, que no se pueden normalmente alcanzar por la simple turbulencia externa,
se usan generadores de energía ultrasónica. La energía ultrasónica corresponde a
vibraciones mecánicas de alta frecuencia (20.000-200.000 Hz) producidas por excitación
piezoeléctrica o electrostrictiva de un cristal refractario (titanato de bario, zirconato de
plomo), o por excitación magnetostrictiva de un cristal de níquel o de ferrita.
Las ondas ultrasónicas de presión alcanzan en la amplitud de su fase negativa una presión
debajo de la tensión de vapor del agua. En estas condiciones se producen burbujas de
vapor, es decir el fenómeno conocido como cavitación. Al aumentar de nuevo la presión,
la burbuja de vapor reviente violentamente. En ausencia de gas disuelto esta implosión
genera ondas de choque de muy alta presión, capaces de producir cizallamientos intensos
a la escala microscópica. La energía ultrasónica es particularmente útil para remover
sucios que han formado depósitos compactos o escamas. Sin embargo su aplicación es
todavía reducida a otros casos particulares, de una parte debido al costo elevado de los
equipos de gran tamaño y de otra parte por la contaminación acústica que produce.(Broze
Guy, 1999)
15
Capítulo II Detergentes
Capítulo II Detergentes
Semblanza de los detergentes
Los detergentes, tanto en polvo como líquidos, de uso doméstico o industrial, son
formulaciones complejas en las cuales un surfactante (o una mezcla de surfactantes) juega
un papel determinante en la combinación de efectos que se desean como: mojabilidad,
descenso de la tensión interfacial, adsorción en las interfaces líquido-líquida y sólidolíquida, solubilización y emulsionación. Por lo tanto puede decirse queundetergentees un
producto que posee un poder limpiador al aplicarse a una superficie.
Durante décadas los detergentes de lavandería se caracterizaron por ser polvos sintéticos
de baja densidad que contienen un número relativamente limitado de ingredientes, es
decir, alquilbencensulfonato y surfactantes de sulfato de alquilo, los builders de fosfato,
carbonato de sodio y silicato para la alcalinidad y protección de la máquina, y relleno de
sulfato de sodio.
La distribución del mercado comenzó a cambiar a mediados de 1960 cuando, bajo la
presión del medio ambiente, la industria inició una transición gradual de fosfato a
sistemas basados en agente secuestrantede zeolita (builder). La multiplicación del
producto comenzó a principios de 1970 con la introducción de los detergentes líquidos.
Sin embargo, a través de la década de 1980 las formas leves de productos básicos con sus
dosis de alto volumen y voluminosos envases de tamaño gigante que se mantuvieron
prácticamente sin cambios.
Sin embargo, a partir de finales de 1980, una revolución en la industria de los detergentes
permitió la introducción y expansión del mercado rápidamente de detergentes con forma
de polvos compactos. La revolución iniciada en Japón (1987), en la KaoCorporation
presentó un producto en polvo de alta densidad compacta. Dentro el primer año de la
conversión a polvos compactos, fue del 60% en el mercado japonés de lavandería,
creciendo a más del 90%. A principios de 1989 los polvos compactos comenzaron a
aparecer en Europa, y a finales de ese año se expandieron hacia los Estados Unidos.
De 1990 a 1994, polvos compactos concentrados crecieron de 2% a más del 90% en el
mercado de polvo de los Estados Unidos(Michael, 1998). Los polvos compactos hoy han
suplantado en gran parte a los productos tradicionales de baja densidad en los Estados
Unidos, Europa y Japón, y se extiende a los mercados en desarrollo en la región del
Pacífico de América Latina, Europa del Este y Asia.
¿Qué es exactamente un polvo compacto? En comparación con polvos tradicionales,
compactos se caracterizan por:
1. Densidades aparentes superiores. En comparación a los polvos tradicionales que tienen
densidades aparentes en el rango de 200 a aproximadamente 500 g/L, las densidades
compactos típicamente oscila de 600 a 900 g/L y más, aunque hay algunas excepciones
regionales, por ejemplo, los polvos compactos que se encuentran en el mercado
canadiense tienen densidades del orden de 400 g/L. Esto generalmente resulta en la
misma cantidad de polvo de lavado entregado en un volumen mucho menor de producto.
16
Capítulo II Detergentes
2. Los niveles de surfactante superiores. En productos de baja densidad por lo general los
niveles de surfactantes no superan el 20% en peso, contrario a los polvos compactos
cuyos niveles de surfactante están en un 25% en peso o más.
3. Dosis más bajas. En América del Norte, se recomiendan trabajar dosis de polvos de baja
densidad van desde 85 hasta 100 gramos por carga de lavado. Las dosis de detergentes
compactos actualmente van desde alrededor de 60 a 90 gramos por carga. En términos
de volumen de producto utilizado por carga, las dosis en los Estados Unidos han pasado
de 1 taza y 1/2 de taza o menos. En 1986, una dosis de detergente en polvo típico europeo
era ~ 200 gramos por carga de lavado. Los compactos están en el mercado hoy con las
dosis recomendadas de ~ 70 gramos por carga.
El paso a polvos compactos ha impulsado cambios significativos tanto en el proceso de
fabricación de detergentes y las tecnologías químicas utilizadas en la formulación de
detergente. Los fabricantes se están alejando de la operación estándar torre de
pulverización que ha sido el sello distintivo de la producción de detergente en polvo
durante casi 50 años. La demanda de cada vez mayores densidades de productos ha
obligado a los fabricantes a los procesos alternativos como la aglomeración (Michael, 1998).
Componentes de las formulaciones de detergentes
Para lograr su papel limpiador, el detergente debe producir numerosos fenómenos, los
cuales dependen en general del tipo de sustrato, tipo de sucio y de las condiciones
(temperatura de lavado, dureza del agua, entre otras). Así se han diseñado fórmulas
específicas capaces de actuar con eficiencia en casos particulares, y fórmulas generales
con resultados más o menos satisfactorios en la mayoría de los casos.
En estas formulaciones entran un gran número de componentes cuyos papeles se
complementan, a menudo con un efecto de sinergia, lo que proporciona un mejor
resultado al sumar los efectos independientes de cada uno de los componentes.
Existe un gran número y diferentes tipos de componentes en las formulaciones de
detergentes, los cuales juegan diversospapeles en forma simple o en simbiosis, como son
los surfactantes, agentes secuestrantes, agentes dispersantes, agentes antire-deposición,
agentes espumantes y no espumantes, agentes blanqueadores, mejoradores ópticos,
entre otros,cuyas funciones se explicaran a continuación.
Surfactantes
Surfactante es un término que deriva de surfactant, un vocablo inglés. Éste, a su vez, es un
acrónimo formado a partir de la expresión surface active agent (que puede traducirse
como “agente activo de superficie”).Un surfactante es un elemento que actúa como
detergente, emulsionante o humectante y que permite reducir la tensión superficial que
existe en un fluido.
17
Capítulo II Detergentes
Clasificación de los agentes surfactantes
Una molécula de surfactante consta de dos partes, una parte hidrófoba (insoluble en
agua) y una parte hidrófila (soluble en agua). Estas moléculas son altamente activos en las
interfaces entre el aire y el agua o el aceite y el agua. (Ho Tan Tai, 2000)
Las cuatro clases principales de agentes surfactantes son: aniónicos, no iónicos, catiónicos
y anfóteros.
a. Los surfactantes aniónicos se disocian en un anión anfífilo y un catión, el cual es en
general un metal alcalino o un amonio cuaternario. A este tipo pertenecen los
detergentes sintéticos como los alquilbencensulfonatos, los jabones (sales de sodio
de ácidos grasos), los agentes espumantes como el lauril sulfato, los humectantes
del tipo sulfosuccinato y los dispersantes del tipo lignosulfonatos. La producción de
los surfactantes aniónicos representa alrededor del 55% de los surfactantes
producidos anualmente en el mundo. (Cross, Anionics Surfactants Analytical Chemistry, 1998)
b. Los surfactantes no iónicos en solución acuosa no se ionizan, puesto que ellos
poseen grupos hidrófilos del tipo alcohol, fenol, éter o amida. Una alta proporción
de estos surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofílicos gracias a la
presencia de una cadena poliéter del tipo polióxido de etileno. El grupo hidrófobo
es generalmente un radical alquilo o alquilbenceno y a veces una estructura de
origen natural como un ácido graso, sobre todo cuando se requiere una baja
toxicidad.Los surfactantes no iónicos están en el segundo nivel por orden de
importancia con un poco menos del 40% del total. (Schick, 1987)
c. Los surfactantes catiónicosse disocian en solución acuosa en un catión orgánico
anfífilo y un anión generalmente del tipo halogenuro. La gran mayoría de estos
surfactantes son compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de
amonio cuaternario. La fabricación de estos surfactantes es mucho más cara que la
de los anteriores y es por esta razón que no se les utilizan salvo en caso de
aplicación particular, como cuando se hace uso de sus propiedades bactericidas,
en los cuales están a menudo asociados con surfactantes no iónicos; o de su
facilidad de adsorción sobre sustratos biológicos o inertes que poseen una carga
negativa. Esta última propiedad hace que sean excelentes agentes antiestáticos,
así como inhibidores de corrosión, y puedan ser utilizados tanto en productos
industriales como para uso doméstico. (Cross & Singer, Cationic Surfactant. Analytical and
Biological Evaluation, 1994)
d. Los surfactantes anfóteros son producidos con la combinación dentro de una
misma molécula de dos caracteres: aniónico y catiónico, como por ejemplo los
aminoácidos, las betaínas o los fosfolípidos; ciertos anfóteros son insensibles al pH,
otros son de tipo catiónico a pH ácido y de tipo aniónico a pH alcalino. Los
anfóteros son en general tan caros como los catiónicos y por esta razón su
utilización se reduce a aplicaciones particulares. (Salager, Surfactantes, 2002)Existen
surfactantes anfóteros, que generalmente no se usan como surfactantes únicos en
18
Capítulo II Detergentes
formulaciones detergentes por su alto costo, en este caso se utilizan como aditivos
dispersantes de jabones de calcio ((Lime soap dispersing agents — LSDA — en
inglés). (Michael, 1998)
Figura 8.Ejemplos de moléculas surfactantes.
(Sanz Tejedor)
Los surfactantes aniónicos (sulfonatos, éster-sulfatos,
sulfatos, jabones) y no iónicos (alcoholes o
fenoles etoxilados) actúan como agentes de mojabilidad del sustrat
sustrato,
o, rebajan la tensión
interfacial, se adsorben y cambian el potencial superficial, ayudan a emulsiona
mulsionar el sucio
líquido, y dispersan las partículas sólidas.
Agentes secuestrantes mejoradores ((Builders)
Estos agentes tienen como propósito mejorar la acció
acción
n limpiadora del surfactante
mediante varias tareas.. Su principal objetivo es secuestrar a los cationes divalentes del
agua dura (calcio, magnesio) para evitar la interacción de estos iones con los surfactantes.
La eliminación de los iones, se hace en form
forma de solubilización (quelado),
o), precipitación, o
intercambio iónico.
Otra de las funciones es mantener el pH de la solución detergente a un valor alcalino, así
como neutralizar los ácidos grasos libres y formar jabones in
in-situ en la interface.
interface
Además aumentan
an el potencial (negativo) de superficie de los textiles y de los sucios,en
sucios
consecuencia inhiben la re-deposición
deposición.
Existen dos tipos de agentes: los inorgánicos y los orgánicos. Los más utilizados en la
actualidad son los agentes mejoradores inorgánicos so
solubles,
lubles, principalmente fosfatos, y
en menor grado silicatos y carbonatos de sodio, o insolubles como las zeolitas (alumino(alumino
silicatos naturales o sintéticos):
- Tripolifosfatode sodio Na5P3O10 (STTP)
- Pirofosfato de sodio Na4P2O7
- Silicato de sodio Na2O – y SiO2
- Carbonato de sodio Na2CO3
- Aluminosilicatode sodio (SASIL
SASIL); Zeolita A Na2O – Al3O3 – 2 SiO2 – x H2O
19
Capítulo II Detergentes
Estas sustancias secuestran los cationes divalentes por quelación(soluble) o intercambio
iónico (insoluble) tiene dos mecanismos diferentes como lo indica la figura 9.
El manejo extendido de fosfatos en formulaciones detergentes ha producido un nuevo
tipo de contaminación de aguas llamada eutroficación. Este fenómeno proviene del
enriquecimiento excesivo de las aguas en fitonutrientes, el cual tiene como resultado un
crecimiento abundante de las algas y otras plantas, lo que agota el oxígeno disuelto y
acaba con la fauna acuática. Este fenómeno, que había sido observado hace varias
décadas cerca de la salida de aguas negras conteniendo materias orgánicas, se ha vuelto
incontrolable en ciertos casos por la acción fertilizante adicional de los fosfatos
proviniendo del uso amplio de detergentes.
En los últimos 20 años se ha tratado de hallar un sustituto económico a los fosfatos para
evitar los problemas mencionados, sin embargo, ni los silicatos ni los carbonatos han dado
resultados comparables. La disposición actual es utilizar mezclas de
quelatación/intercambio iónico (Sodio Tri(poli)Fosfato o STP/Sodio Alumino Silicato o
SASIL) en exceso sobre la dureza del agua, lo que permite una acción secuestrante incluso
durante el enjuague.
Figura 9. Mecanismo de la acción secuestrante de dos mejoradores inorgánicos.
Sodio Tri(poli)Fosfato STP y Sodio Alumino Silicato SASIL (Zeolita)
(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
20
Capítulo II Detergentes
Por otra parte se han realizado numerosas investigaciones para desarrollar sustitutos
orgánicos a los fosfatos, sin embargo secuestrantes eficientes como el tetracetato de
etilendiamina(EDTA) son demasiado costosos para su uso en detergentes corrientes. Hace
aproximadamente 20 años, se descubrió que el nitrilo-triacetato de sodio (NTA) podía ser
un excelente sustituto de los fosfatos; desafortunadamente hay cierta controversia de que
pueda ser cancerígeno y por lo tanto su producción ha sido considerablemente reducida.
La química orgánica provee actualmente de numerosas estructuras con capacidad
secuestrante como los heteroátomos de Azufre (S), Nitrógeno(N), Fósforo(P)uOxigeno
(O). Sin embargo los tres primeros pueden provocar problemas de contaminación
ambiental, por lo cual quedan los derivados del Oxigeno.
Por otra parte se han encontrado varias estructuras de tipo alfa-éter-carboxilato, véase
Figura 10, que mimetizan el desempeño de los fosfatos, particularmente el tris(carboximetoximetil)-etano (TMETA). Tales sustancias presentan un poder secuestrante
del mismo orden que el STP y pueden biodegradarse rápidamente en lodo activado.
Figura 10. Agentes mejoradores secuestrantes orgánicos
(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
También se han propuesto polielectrólitos para tales efectos; los cuales poseen un poder
secuestrante netamente mejor que el STP pero no son fácilmente biodegradables.
21
Capítulo II Detergentes
Agentes dispersantes de jabones de calcio (LSDA)
Se pueden encontrar diversas formulaciones detergentes liquidas y en polvo para
máquina de lavar que contienen sales alcalinas de ácidos grasos, es decir jabones cuyo
papel es reducir la espuma. Estos jabones en barra o en escamas contienen un alto
porcentaje de esos productos y tienen excelentes propiedades limpiadoras, son seguros y
fácilmente biodegradables; sin embargo son muy sensibles a los cationes divalentes,
especialmente el calcio con el cual producen sales insolubles en agua.
Los agentes dispersantes de jabones de calcio (LSDA) son surfactantes aniónicos o
anfóteros que se comercializan con los jabones para formar soluciones que no producen
precipitado en agua dura. Entre los agentes dispersantes de jabones de calcio se
encuentran los alfa-sulfo-esteres de ácido grasos que son de los productos menos
costosos, aunque con eficiencia relativamente moderada. Otros compuestos del mismo
tipo son los alquilgliceriléstersulfonatos (AGES): R-CH(SO3Na)-COO-CH3 con Radicales de
C16-18.
La gran mayoría de los agentes dispersantes de jabones de calcio con buena eficiencia son
surfactantes anfóteros con un grupo amina o amida (grasa). Las betainas, en las cuales el
grupo aniónico es un carboxilato, son menos efectivas que las taurinas (grupo SO3-) o los
compuestospolietoxilados.
Figura 11. Agentes dispersantes presentes en jabón.
(Michael, 1998)
Agentes antire-deposición
Son ingredientes primordiales en los detergentes para ropa, cuya función es impedir que
las manchas o suciedades separadas de los tejidos durante el lavado vuelvan a depositarse
en el mismo. (Fernández Soto & Fernández Soto, 2007). Los agentes más utilizados son la
carboximetilcelulosa y otros derivados noiónicos de la celulosa.
Pero comercialmentese usan también la polivinilpirolidona, los polivinil alcoholes y otros
copolímeros entre moléculas de este tipo.
22
Capítulo II Detergentes
Agentes espumantes y no espumantes
La producción de espuma no tiene nada que ver con el poder detergente. Sin embargo el
consumidor tiene siempre la impresión de que si no hay espuma no hay buena
detergencia. Este malentendido es a menudo mantenido y acentuado por la publicidad de
los propios fabricantesde detergentes. En consecuencia muchos productos para el lavado
a mano producen una abundante espuma.
Debe notarse sin embargo que en ciertas aplicaciones como el lavado a máquina tanto de
ropa como de loza, una producción notable de espuma es un inconveniente; para estas
aplicaciones se han desarrollado las formulaciones baja-espuma.
Los agentes espumantes más utilizados son el lauril sulfato (aniónico), y los surfactantes
no iónicos nitrogenados como óxido de aminas, alcanolamidas, aminas y amidas
etoxiladas: También se usan compuestos complejos como alcanolamidas o monoglicéridos
sulfatados. En los detergentes de baja espuma se usan principalmente jabones, pero
también sulfonatos de parafinas, copolímeros bloques de óxido de etileno y óxido de
propileno, polietoxi esteres de ácidos grasos, glicoles acetilénicos etoxilados y esteres de
etilenglicol o de glicerol.
Agentes suavizadores
La necesidad de agentes suavizadores surgió cuando se cambiaron los jabones por los
detergentes sintéticos. Después de un lavado con jabón quedaba siempre sobre las fibras
un residuo de jabón de calcio precipitado que actuaba como suavizador. Después de un
lavado con detergentes sintéticos del tipo alquilbencensulfonatos formulados con
secuestradores, el textil seco presenta una superficie cuyo contacto no es siempre
agradable sobre la piel, especialmente si se trata de fibras naturales. Esta sensación de
falta de suavidad proviene del hecho de que el textil es demasiado limpio.
El residuo de surfactante sintético adsorbido tiende a aumentar la carga eléctrica estática
de las fibras y la ausencia de sustancias con acción lubricante vuelve el textil relativamente
rígido ya que las fibras no pueden deslizar una sobre otra. El papel de los agentes
suavizadores es contrarrestar estos fenómenos. En un caso se debe reducir la carga
estática remanente y en otrocaso se debe depositar una sustancia con acción lubricante,
muchos surfactantes catiónicos producen estos efectos, sin embargo lossurfactantes
catiónicos son incompatibles con los surfactantes aniónicos utilizados en las
formulaciones. Consecuentemente deben usarse en un baño separado, o en máquinas de
lavar, durante el ciclo de enjuague. Los mejores suavizadores de este tipo son los alquil
amonios cuaternarios y las sales de imidazolinio.
Sin embargo la introducción de un agente suavizador en el ciclo de enjuague complica la
operación de lavado, y la tendencia actual es introducir el suavizador en la formulación
detergente. Se debe por tanto utilizar un surfactante con cierto carácter catiónico para
23
Capítulo II Detergentes
que se adsorba en las fibras, pero compatible con los surfactantes aniónicos del
tipoAlquilbencensulfonato(ABS) o Alquilbencensulfonato lineal (LAS). Para esta finalidad
se usan varios surfactantes no iónicos que poseen un grupo nitrogenado, tales como las
aminas etoxiladas, imidazolasetoxiladas, óxidos de aminas cuaternarias con uno o dos
grupos hidroxi-etilos, y por otra parte algunos surfactantes anfóteros, particularmente los
que contienen un grupo amido-amina (y que son también dispersantes de jabones de
calcio).(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
Agentes blanqueadores
La blancura de los textiles lavados es quizás la propiedad más importante para el
consumidor. Desde milenios se sabe que el sol produce un efecto blanqueador, y hace
más de 500 años que se empezaron a usar sustancias naturales (leche agria, arcillas
alcalinas) para blanquear los textiles. Sin embargo, es solamente al final del siglo XVIII que
se inició la carrera de los agentes blanqueadores con el descubrimiento del cloro por
Scheele y del hipoclorito de sodio por Berthollet. Un empresario parisino de nombre
Javelle comercializó el descubrimiento de Berthollet (solución de potasa cáustica clorada)
que se volvió desde entonces el "eau de Javel" (agua de Javel), llamada comúnmente,
pero equivocadamente, lejía o cloro. En la actualidad, en el mercado existen dos tipos de
agentes blanqueadores para textiles, ambos con propiedades oxidantes: los hipo haluros,
esencialmente el hipoclorito de sodio, y las sales inorgánicas per-oxigenadas,
principalmente el perborato de sodio.
Los agentes blanqueadores oxidantes deben ser intrínsecamente inestables para cumplir
con su función, que consiste en oxidar. De manera paradójica deben ser lo más estables
posible cuando están almacenados solo o en la mezcla detergente, e inestables cuando
están en el baño de lavado.
Entre las amplias propiedades de los blanqueadores se tienen: 1) Un aumento de
temperatura aumenta la velocidad de descomposición; 2) Ciertos metales pesados a nivel
de traza catalizan la descomposición; 3) La actividad blanqueadora aumenta con la
concentración pero no describen un aumento lineal; 4) El pH tiene un efecto importante
pues un pH ácido acelera la descomposición del hipoclorito, mientras que pH alcalino
acelera la descomposición de las sales inorgánicas per-oxigenadas.
Uno de los compuestos más usados como blanqueador es el hipoclorito, el cual se
descompone por dos vías, de las cuales solo la segunda produce el efecto oxidante de
interés.
Vía del clorato
312345 → 21234 + 12345
Vía del oxígeno
212345 → 21234 + 5
El hipoclorito es un agente blanqueador más activo y más agresivo que el perborato. Este
es particularmente eficiente al oxidar el sucio proteico, y en general todas las sustancias
que contienen nitrógeno. Posee una acción blanqueadora aún a baja temperatura, y
24
Capítulo II Detergentes
adicionalmente es un efectivo bactericida. Por su acción sobre las sustancias nitrogenadas
no se puede conservar en forma de polvo o de líquido en formulaciones de detergentes
que contengan sales de amonio, aminas, amidas etc. Por eso se prefiere usar como un
ingrediente aparte, que se conserva en solución acuosa separada y se añade al baño
detergente en el momento.
Las sales inorgánicas per oxigenadas que se utilizan como blanqueadores son las
siguientes:
Perborato de sodio tetra hidratado (más usada)
Carbonato de sodio per-oxihidratado
Peroximonosulfato de potasio
Na BO3● 4 H2O
2 Na2CO3● 3 H2O2
KHSO5
Este tipo de sustancias trabajan a pH alcalino; para lavado en frio se puede acelerar su
descomposición con la adición de peróxidos orgánicos como el ácido peracético o
perácidos más largos. El perborato y sus compuestos semejantes exhiben una acción
blanqueadora menos agresiva que el hipoclorito, y son sólidos compatibles con la gran
mayoría de los componentes de los detergentes en polvo.(Michael, 1998)
Mejoradores ópticos fluorescentes
Ciertos colorantes orgánicos poliaromáticos pueden absorber la luz ultravioleta y remitir
una luz visible azulada mediante el proceso conocido como fluorescencia, por ello se les
conoce como ópticos fluorescentes. Este tipo de compuesto añade un tono azulado que
compensa el tono amarillento del textil y mejora la blancura o la profundidad de los
colores a la luz del sol. Generalmente se encuentran como granitos azules, naranjas o
verdesen ciertos polvos de lavar. Cuando la sustancia es alumbradaexclusivamente con
luz ultra-violeta (luz negra) producen una fluorescencia muy notable.
Esteingrediente se adsorbe sobre fibras hidrofílicas (algodón) o hidrófobas (poliéster)
poseen grupos polares lo que realza su coloración o su blancura.
Se han desarrollado hoy en día agentes fluorescentes solubles en agua que resisten al
hipoclorito u otros blanqueadores, cuya resistencia se debe a que los átomos de
nitrógenos presentes en las estructuras altamente aromáticas de tipo benzo-triazol o
benzo-furano.
Enzimas
Los detergentes necesitan eliminar una amplia gama de suciedad compleja presente en
diferentes superficies o tejidos, procedente de desechos que genera el cuerpo, de las
bacterias que viven en la piel humana, de sustancias que derivan de productos de higiene
personal (lociones, cremas, desodorantes, maquillaje, lacas, entre otros.), de compuestos
del ambiente, de agregados de los tejidos (suavizantes, blanqueadores ópticos, fijadores
de tintes, etc.), de restos de alimentos y otras sustancias (residuos proteicos y/o grasos) y
de residuos de detergentes (aromas, suavizantes, etc.), entre otros.
25
Capítulo II Detergentes
Eliminar la totalidad de esa suciedad en un solo lavado sigue siendo en la actualidad un
reto y el uso de enzimas supone un acercamiento a la consecución de este objetivo.
Cuando existe una solubilidad óptima, la suciedad y los componentes presentes en las
manchas se eliminan fácilmente durante un proceso de limpieza. Sin embargo, en muchos
otros casos las manchas son sólo parcialmente eliminadas por los surfactantes, builders o
agentes de blanqueo presentes en los detergentes.
Los surfactantes con actividad biológica contienen enzimas tales como esperasa, savinasa
o alcalasa. Estas enzimas son proteasas capaces de degradar rápidamente manchas de
proteínas en un medio de pH alcalino y a temperatura de hasta 60°C. Su actividad permite
el uso de un medio detergente en frio, particularmente en detergentes líquido, con
remojado a temperatura ambiente.
Estas enzimas son altamente específicas y los procesos que ocupan generan menos
reacciones secundarias y subproductos que los otros procesos químicos, y además son
más respetuosos del medio ambiente. Además, debido a su estructura tridimensional, la
actividad de la actividad de una enzima puede ser fácilmente eliminada, lo cual hace el
uso en la industria más atractivo en la mayoría de los casos ya que pueden ser inactivadas
de una manera fácil y rápida después de su uso.
En la mayoría de los casos el uso de la enzima adecuada en un detergente ayuda a la
eliminación de la suciedad y las manchas, y mientras que los componentes detergentes
tienen una acción puramente físico-química, las enzimas actúan degradando la suciedad
en fragmentos más pequeños y solubles.
Las enzimas que se usan industrialmente como aditivos en detergentes proceden
principalmente de bacterias y hongos e industrialmente son producidas en grandes
cultivando estas bacterias y hongos en fermentadores. Las proteasas fueron
históricamente las primeras enzimas en ser usadas como aditivos en detergentes, pero
además de éstas, otras hidrolasas tales como lipasas, amilasas y celulasas han sido
incluidas en las formulaciones detergentes. No obstante las enzimas proteolíticas
(proteasas) siguen representando casi el 60% del mercado industrial en el mundo, ya que
tienen aplicaciones en un amplio espectro de procesos biotecnológicos como la
elaboración de alimentos y productos farmacéuticos, la industria del cuero, la industria de
los detergentes, etc. La tabla 2 muestra los principales grupos de enzimas para
detergentes aplicaciones.
Tabla 2. Tipos de enzimas y reacciones catalizadas
Tipo de
Sustrato
Tipo de reacción catalizada
enzima
Proteasa
Proteína
Ruptura de proteínas en fragmentos más pequeños:
péptidos y/o aminoácidos
Lipasa
Grasas
Hidrólisis de grasas en ácidos grasos y moléculas de
(triglicéridos)
glicerol
Celulasa
Celulosa
Hidrólisis de la celulosa
Amilasa
Glúcidos
Hidrólisis de glúcidos en azúcares simples
(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
26
Capítulo II Detergentes
Actualmente, la ventaja competitiva del uso de enzimas como aditivos en detergentes no
está relacionada con la reducción de los costos de producción de los detergentes. El
incentivo se encuentra más en la línea de la aplicación por parte de los usuarios finales
como por ejemplo el uso de temperaturas de limpieza más bajas. Las enzimas se utilizan
en pequeñas cantidades en la mayoría de las preparaciones detergentes, en torno a 0.4%
– 1% en peso, lo que supone alrededor de 1% en costo; sin embargo, su presencia
aumenta significativamente la eficacia de los detergentes. Las enzimas se usan con el
objetivo de reemplazar a los compuestos sintéticos, minimizando el uso del agua, así
como el consumo de energía, ya que antes las manchas sólo podían ser eliminadas con
blanqueadores y a altas temperaturas, lo que suponía un considerable gasto energético y
una gran contaminación al medio ambiente. En particular, como aditivos para detergentes
comerciales, las enzimas han contribuido enormemente al desarrollo y mejora de éstos,
tanto a nivel industrial como doméstico. Entre lasventajas al usar enzimas como aditivos
en los detergentes se mencionan los siguientes:
1) Una buena eficiencia de limpieza.
2) Tiempos de lavado cortos debido a un aumento en la rapidez de degradación de la
suciedad.
3) Reducción del consumo de energía mediante la reducción de la temperatura de lavado.
4) Mínimo impacto ambiental debido a que las enzimas son biodegradables.
5) Eliminación de los últimos restos de las manchas (aproximación a la limpieza total).
6) Rejuvenecimiento de la tela de algodón. La mayoría de las enzimas presentes hoy en el
mercado han sido mejoradas por técnicas de ingeniería de proteínas o bien provienen de
microorganismos recombinantes (genéticamente modificados) para optimizar su proceso
de fabricación, y minimizar el impacto medioambiental.(Broze Guy, 1999)
Figura 12.- Microfotografías de microcápsulas de enzimas por microscopia de barrido.
(Salager, Detergencia. Fenómenos y Mecanismos, 2000)
27
Capítulo II Detergentes
Perfumes
En detergentes de uso doméstico, particularmente para lavaplatos y desinfectantes, se
incorporan perfumes, la mayoría de los cuales son terpenos, cuyo esqueleto está
compuesto de con 2, 3 ó más unidades del isopreno (2 metil-butadieno).
Hasta los años 60, el aceite de terebentina o trementina, que se obtiene de la resina del
pino o como subproducto del pulpado de la madera, era una de las fuentes principales de
materia prima para perfumes; contiene los monoterpenosbicíclicos alfa y beta-pinenos,
los cuales se transforman fácilmente en una variedad de derivados oxigenados con
fragancia particular. La esencia de citronela y la esencia de eucalipto contienen también
varios terpenos odoríferos. Los más utilizados son los siguientes:
• Hidroxicitronela (olor de lirio)
• Geraniol (olor de geranio)
• Citronela (olor de limón)
• Citronelo (olor de rosa)
• Linalol (olor de lavanda)
• Mentol (olor de menta fuerte)
Desde hace unos veinte años se han encontrado métodos de síntesis a partir de materias
primas petroleras tales como etileno, isobutileno e isopreno. Las vías sintéticas son en
general menos costosas que las purificaciones y conversiones de los productos naturales,
aunque produzcan sustancias más puras, lo que en el campo de los perfumes puede ser
un inconveniente al resultar en fragancias que carecen de la sutileza de las naturales.
Otros componentes
Las formulaciones detergentes pueden contener también otras sustancias, dependiendo
del uso final del producto como loshidrótropos, agentes anticorrosión y desinfectantes.
Los hidrótropos son sustancias muy hidrofílicas destinadas a mejorar la solubilización del
surfactante en formulaciones líquidas. Los hidrótropos no tienen en simismos propiedades
surfactantes pero actúan como co-solubilizadores a alta concentración. Los más utilizados
son los sulfonatos de tolueno, etil-benceno y xileno.
Algunosagentes anticorrosión se añaden a las formulaciones detergentes para proteger
las partes metálicas de los artefactos de lavar. En general se usa el silicato de sodio que
posee además un papel secundario como mejorador.
Ciertas formulas desinfectantes contienen bactericidas, los cuales pueden ser surfactantes
anfóteros que actúan también como dispersantes de jabones de calcio, o catiónicos que
además producen un efecto suavizador por sus propiedades antiestáticas.
Los desinfectantes pueden también contener productos clorados bactericidas y sustancias
con propiedades desodorantes.
Ciertos polvos para fregar y raspar contienen abrasivos como polvo de piedra pómez, talco
o arcillas.(Ho Tan Tai, 2000)
28
Capítulo II Detergentes
Modificadores reológicos
Los modificadores reológicos son polímeros (moléculas químicas de alto peso molecular)
que modifican las características reológicas de las formulaciones, brindándole un
comportamiento diferente, dándole una mejor apariencia, modificando el tipo de fluido
del producto, un cambio drástico de viscosidad e incluso una mejor fluidización en el
proceso de fabricación. En el caso particular de los detergentes, algunos polímeros
rindan algunas características que ayudan en el proceso de lavado, las cuales se presentan
en la tabla 3.
Tabla 3. Efecto de polímeros en detergentes
Tipo
Peso Molecular
Ácido acrílico/ácido maleico
Alto
Ácido acrílico/ácido maleico
Bajo
Ácido acrílico
Ácido acrílico
Alto
Bajo
Polímeros
injertos
polialquilénglicol
Polivinilpirolidona
Poliéster
anfifílicotereftálico
de
ácido
Efecto
Inhibidor de incrustaciones
Reducción de viscosidad de la pasta
Agente de antire-deposición
Reducción de viscosidad de la pasta
Agente dispersante
Agente dispersante
Agente de antire-deposición
Agente dispersante
Agente de antire-deposición
Agente protector de manchas
Inhibidor de transferencia de color
Agente de remoción de manchas
(Bertleff, Neumann, Baur, & Kiessling, Julio 1998)
Existe una gran variedad de modificadores reológicos comercialmente, cada uno con
características particulares, así como ventajas y desventajas dentro de cada tipo de
formulación. En las tabla4se presenta una clasificación de los principales tipos de
modificadores reológicos que se encuentran comercialmente, su carga iónica y el área de
aplicación recomendada por el fabricante.
Tabla 4. Modificadores reológicos comerciales
Tipo de modificador
Carga iónica
reológico
Polímeros acrílicos
Aniónica
Polímeros acrílicos
entrecruzados
Aniónica
Espesantes asociativos
No iónica
•
•
•
•
•
•
•
Área de aplicación
recomendada
Cuidado personal
Cuidado del hogar
Farmacéutica
Cuidado personal
Cuidado del hogar
Cuidado personal
Cuidado del hogar
(Braun & Rosen, 2000)
29
Capítulo II Detergentes
Tabla 4. Modificadores reológicos comerciales (Continuación).
Tipo de modificador
Carga iónica
Área de aplicación
reológico
recomendada
• Farmacéutica
Carrageninas
Aniónica
• Alimentos
• Farmacéutica
• Alimentos
Celulosas y derivados
No iónica
• Cuidado personal
• Cuidado del hogar
• Farmacéutica
Goma Guar y derivados
No iónica o Catiónica
• Alimentos
• Cuidado personal
• Cuidado personal
Arcillas orgánicas
n/a
• Cuidado del hogar
• Cuidado personal
Polietileno
n/a
• Cuidado del hogar
• Farmacéutica
Óxido de polietileno
No iónica
• Cuidado personal
• Cuidado del hogar
• Farmacéutica
Polivinilpirolidona
No iónica
• Cuidado personal
• Cuidado del hogar
• Farmacéutica
Sílice
n/a
• Cuidado personal
• Cuidado del hogar
• Farmacéutica
Arcillas hinchables
Aniónica
• Cuidado personal
en agua
• Cuidado del hogar
• Farmacéutica
• Alimentos
Goma de Xantana
Aniónica
• Cuidado personal
• Cuidado del hogar
(Braun & Rosen, 2000)
Debido a la gran cantidad de modificadores reológicos presentes, es imposible definir
cada uno de ellos; sin embargo a continuación se presentan los tipos de modificadores
reológicos que fueron utilizados para el presente trabajo:
Polímeros acrílicos
El ácido acrílico, H2C = CH - COOH, es un elemento importante de la industria química. La
molécula contiene tanto un radical insaturado que puede ser utilizado para la
polimerización de radicales libres y un grupo de ácido carboxílico que puede reaccionar
con una serie de diferentes especies químicas.
Aunque la estructura química general del grupo de polímeros en este tipo varía, todos
ellos poseen dos características comunes; un polímero acrílico o grupos troncales y
30
Capítulo II Detergentes
copolímero de ácido carboxílico lateral, que algunos casos hacen reaccionar con otras
especies orgánicas.
Cuando se dispersa en medios acuosos, y mientras el sistema es ácido, se producen
efectos reológicos mínimos. Pero cuando el grupo carboxílico lateral se neutralizan con un
ingrediente alcalino, se dice que el polímero se “hincha” produciendo aumento de la
viscosidad y una modificación dramática de la reología. Por lo tanto, estos productos se
denominan a veces como polímeros acrílicos álcali hinchable. Son espesantes altamente
eficientes y modificadores de la reología. (Braun & Rosen, 2000)
Polímeros acrílicos entrecruzados
Al igual que los polímeros acrílicos, este grupo de modificadores reológicos también se
deriva del ácido acrílico. Pero, a diferencia de los polímeros acrílicos, estos productos son
homopolímero de alto peso molecular del ácido acrílico reticulado con un éter alílico de
pentaeritritol, un éter alílico de sacarosa o un éter alílico de propileno. La figura 13
representa de forma esquemática estos polímeros acrílicos entrecruzados (reticulados).
Figura 13. Representación de un polímero acrílico entrecruzado.
(Braun & Rosen, 2000)
En estado seco, estos polímeros están en una configuración enrollada apretadamente.
Cuando se dispersa en agua, un ligero desenrollamiento de la molécula se produce
acompañado por el espesamiento mínimo del sistema. La neutralización de los grupos
ácido carboxílico colgantes hace que la molécula se desenrolle y proporcione un
espesamiento dramático e instantáneo, así como otros efectos reológicas deseables, tales
como el valor de rendimiento, mejor conocido comoYield Value (en inglés) . Dado que una
concentración de 0,5% o menos se utiliza normalmente, pueden ser clasificados como
31
Capítulo II Detergentes
modificadores de la reología de muy alta eficiencia. Estos productos se clasifican bajo el
nombre de "Carbómeros"" en la Farmacopea de los Estados Unidos / Formulario Nacional.
(Braun & Rosen, 2000)
Polímeros “hinchables” o solubilizables en medio alcalino modificados
hidrofóbicamente (HASE)
Los polímeros “hinchables” o solubilizables een
n medio alcalino modificados
hidrofóbicamente (HASE) proceden de los polímeros “hinchables” o solubilizables en
medio alcalino (AlkaliSwellableThickeners
AlkaliSwellableThickeners – AST- por sus siglas en inglés); a los cuales se
les ha añadido un tercer monómero, que es asociativo
asociativo.. Tienen siempre un monómero
carboxílico y uno asociativo, mientras que el monómero hidrófobo puede ser suprimido,
siempre que el asociativo sea capaz de impartir el balance hidrofílico
hidrofílico-lipofílico
lipofílico necesario
para una solubilización por neutralización adecua
adecuada. (Maestro Garrigo, 2002)
Los HASE presentan un aumento de la viscosidad de la solución acuosa al incrementar el
pH de la misma: a pH neutro, los grupos carboxilo permanecen en su forma ácida y sin
cargas, mientras que a pH elevado
levado (usualmente mayor a 6), los grupos carboxilo están en
forma de carboxilato facilitando la solubilidad del polímero en el agua debido a las cargas
presentes. Estos polímeros espesan las soluciones acuosas por un mecanismo asociativo y
por expansión dee la estructura polimérica debida a la repulsión electrostática entre los
grupos carboxilato. Como se observa en la Figura 14,, existe un máximo de viscosidad en
función del pH que depende de cada sistema.
Figura 14. Gráfica log-log de θ en función de la velocidad de corte de un polielectrolito asociativo HASE a
diferentes pH.(Lara Ceniceros)
Formulaciones típicas de detergentes
Diferentes tipos de formulaciones
La producción mundial de jabones, detergente
detergentess y otros agentes limpiadoresvaría
limpiadores
dependiendo el continente, sin embargo la producción en Norte América es del 30% de la
producción mundial, muy cercana a la producción de Europa occidental cuyo valor
32
Capítulo II Detergentes
seestima en 28%, el 40% restante corresponde a la producción de resto de la población.
En la tabla5 se pueden ver las producciones totales y el porcentaje de cada uno de los
productos para los mercados de Norte América y Europa Occidental, los cuales
representan cada uno un cuarto dela producción total.
Tabla 5. Producción mundial de jabones, detergentes y otros limpiadores.
Mundo
Norte
Europa Occidental
América
Jabones
7000
30%
800
11%
600
9%
Tocador
2000
9%
500
7%
350
5%
Lavado
5000
21%
300
4%
250
4%
Detergentes Sint.
15000
64%
6000
82%
5500
83%
Sólido
10000
43%
3500
46%
3800
56%
Líquido
5000
21%
2500
34%
1700
27%
Otros Agentes
15000
6%
500
7%
500
8%
Total
23500 100% 7300 100%
6600
100%
(Michael, 1998)
La tabla de datos demuestra que el uso de los jabones para lavado de ropa (barras, polvos,
escamas) ha sido desplazado en Norte América y Europa Occidental por el uso de
detergentes sintéticos tanto en formulaciones sólidas como líquidas. También se
desprende que en estas regiones se hace un mayor usó de "otros agentes", los cuales
comprenden productos de uso doméstico (remojo, blanqueadores, suavizadores), pero
también productos de limpieza industrial.
Comparando el consumo de jabones de tocador, el bajo porcentaje relativo registrado en
los datos respectivos de Norte América y Europa, indica que ha ocurrido un
desplazamiento hacia otros productos especializados de cuidado personal que contienen
sintéticos en formulaciones líquidas (cremas de afeitar, jabón líquido, champús, etc.).
En cuanto a la formulación de los detergentes sólidos y líquidos, dependen en buena parte
de los hábitos de lavado de cada país y de la utilización de artefactos como máquinas de
lavar la ropa o la loza.
En Europa se lava a mayor temperatura con un líquido más concentrado en detergente,
por lo tanto se debe reducir más la espuma (con jabones). También se usan más los
blanqueadores (perborato) y los fosfatos, ya que la legislación no los limita. El caso de
Venezuela se asemeja al de los EUA.
Según el uso del producto se necesitan varias características:
• Alta o baja espuma
• Moderada o alta mojabilidad
• Moderado o alto poder emulsionante
• Alta o moderada tolerancia a los cationes divalentes
• Alta o moderada alcalinidad
• Contenido variable de fosfatos
33
Capítulo II Detergentes
• Aditivos especiales: abrasivo, desinfectante etc.
Detergentes para máquinas de lavar ropa y platos
Los detergentes para máquinas de lavar ropa son productos de uso general; tienen que
ser buenos detergentes, en caliente o en frió, con todo tipo de sucio. Tienen que ser
baratos, por eso se usan los ABS o LAS; tiene que tener baja espuma, por eso se añade una
pequeña cantidad de jabón; tienen que trabajar en agua dura, por lo tanto contienen una
fuerte cantidad de mejoradores secuestrantes STP u otros, y a menudo hidrótropos y
dispersantes de jabones de calcio.
La presencia de no iónicos de tipo alcohol etoxilado o alcohol etoxilado (2-3 EO) sulfatado
mejora la mojabilidad y la detergencia; un pH alcalino mejora la remoción y la
saponificación de grasas; la presencia de no iónicos nitrogenados o de anfóteros produce
una acción suavizante.
Los demás aditivos: agente antire-deposición (CMC), blanqueadores, mejoradores ópticos,
colorantes, perfumes y enzimas, depende esencialmente de la marca. Las Tablas 6 y 7
indican algunas formulaciones comerciales típicas de detergentes en polvo y líquidos para
lavar ropa en máquina.
Las formulaciones detergentes para lavar platos en máquina deben tener propiedades
adaptadas al proceso: excelente mojabilidad con baja concentración de surfactante, muy
baja espuma, alto poder de saponificación de los ácidos libres de aceites y grasos, es decir
alta alcalinidad, y alto poder secuestrante. Para esto se usan fórmulas del tipo siguiente:
• 2% alquil fenol 8 EO o copolímero PEO/PPO
• 30% STP o tampón citrato
• 45% Silicato de sodio + 10% carbonato de sodio
• 10% Bórax
• 1% Desinfectante clorado o catiónico
Detergentes para lavado a mano de ropa o de loza
La diferencia con los anteriores es esencialmente la necesidad de un agente espumante,
ya que el consumidor asocia el poder limpiador con la presencia de espuma. También
tiene que ser poco agresivo para las manos. En inglés se llaman detergentes light duty, o
sea de acción moderada.
Todavía quedan algunas formulaciones sólidas en tabletas o en escamas, pero han sido
prácticamente reemplazadas en todas partes del mundo por las formulaciones liquidas.
Las formulaciones típicas contienen en general ambos tipos de surfactantes (aniónico-no
iónico), agentes espumantes como alcohol-éter sulfato, óxido de amina o alquil amida,
colorantes y perfumes, y a menudo agentes suavizantes para la ropa (anfóteros) o las
manos (urea), ver tabla 6.(Kuo-Yann, 1997)
34
Capítulo II Detergentes
Tabla 6. Formulaciones de detergentes líquidos para lavar a mano (ropa, platos).
Polvo todo uso
Lavaplatos (liq)
Ropa fina (liq)
Surfactante 5% C12 LAS
23% C12 LAS
17% C12 LAS
4% C9 fenol 10 EO 5% C12 éter sulfato 10% fenol éter sulfato
5% Coco amida
6% C12 dietanolamina
Hidrótopo
2% xileno sulf.
5% xileno sulf.
Mejoradores 20% STP
20% C12 taurina
26% carbonato
Álcali
5% silicato
Sales inorg. 15% sulfato
Agua
8%
60%
60%
Otros
15% bórax
30% etanol
0.50% CMC
1% látex
4% urea
(Michael, 1998)
Detergentes lavaplatos
Los detergentes lavaplatos son de importancia práctica desde el punto de vista de
saneamiento y de higiene.La correcta formulación y selección del adecuado detergente o
lavaplatos depende de la dureza del agua.Por lo tanto esto es lo más importante en las
áreas de detergentes buscar que el detergente sea compatible con el agua dura. De
acuerdo a lo anterior se dan algunas formulaciones típicas para detergentes lavaplatos,
tabla 7.
Tabla 7. Formulaciones típicas de detergentes lavaplatos.
Ingredientes
Porcentaje (%)
1 Carbonato de sodio
70
Fosfato trisódico
25
Nacconal NR
5
2 Sesquicarbonato de sodio
82
Hipoclorito de calcio
18
3 Fosfato trisódico
85
Bórax
12
Jabón anhidro
3
4 Jabón anhidro
50
Silicato de sodio
12
Carbonato de sodio
12
Pirofosfatotrisódico
12
Agua
14
(NIIR board, 2013)
35
Capítulo II Detergentes
Tabla 7. Formulaciones típicas de detergentes lavaplatos
continuación (Continuación).
Ingredientes
Porcentaje (%)
5 Carbonato de sodio
25
Bicarbonato de sodio
18
Fosfato trisódico
45
Hidróxido de sodio
3
Jabón
7
DodecilBencenSulfonato de sodio
2
6 Carbonato de sodio
21
Bicarbonato de sodio
29
Pirofosfato tetra sódico
16.5
Fosfato trisódico H2O
16.5
Fosfato trisódico 12 H2O
8
Bórax
7
Jabón anhidro
2
(NIIR board, 2013)
Barras y Pastas
En 1996, las barras y pastas ascendieron a 1,7 x 106 toneladas en todo el mundo. Su uso se
encuentra predominantemente en los países en desarrollo y para el lavado de manos.
Hábitos de lavandería varían muy poco de un país a otro. La ropa se clasifica primero, con
los blancos y ropa menos sucios se lavan en primer lugar. El remojo previo es de uso
frecuente y puede durar desde unos pocos minutos a una noche entera. Después del
tratamiento, la ropa se lava a fondo y colgado en el sol para secar. (NIIR board, 2013)
Formulaciones y Tecnologías
Donde el agua es muy suave o la solución de lavado va a ser reutilizada, no se requiere
una gran cantidad de builder; sin embargo, el pH inicial debe ser alto para reducir al
mínimo el cambio en la reducción del pH del baño de lavado, lo que llevaría a la
inactivación de STPP y la precipitación de los surfactantes aniónicos.
Los silicatos ayudan a mantener el pH en el nivel adecuado y dan estructura al producto.
Existen dentro de las formulaciones dos tipos de barras de jabones, los jabones duros y
syndets o detergentes sintéticos. (NIIR board, 2013)
La siguiente Tabla se muestra una comparación entre las formulaciones de estos dos tipos
de jabones, mencionando las ventajas y desventajas en su desempeño, ver tabla 8.
36
Capítulo II Detergentes
Tabla 8. Comparación entre jabones duros y jabones sintéticos en barra
Características
Materias primas Ventajas
Desventajas
Jabones
Contienen una
-Jabón.
-Buen
Desempeño y
duros
gran cantidad de -Algunos aditivos desempeño.
nivel de espuma
agua.
(silicatos, arcilla
-Suavidad.
dependiente de la
para reducir
-Bajo precio.
dureza del agua.
costo).
Jabones
-Surfactantes.
-Mejor
Más costosos que
sintéticos
-Builders.
desempeño.
el jabón duro.
en barra
-Aditivos e
-Menos
ingredientes
susceptible a la
secundarios para dureza del
reducir costo.
agua.
(NIIR board, 2013)
Syndets en barra o en forma de pasta están hechos de la misma materia prima, incluyendo
surfactantes, su función es eliminar la suciedad y generar una gran cantidad de espuma.
El ABS sigue siendo el más utilizado hoy en día, pero el gobierno y las presiones
ambientales están impulsando el aumento del uso de LAS lineal. LAS requiere aditivos
adicionales, tales como zeolitas, fosfatos, y sulfato de magnesio, que ayudan a los syndets
a endurecer rápidamente. Algunos países producen sus propios agentes surfactantes a
partir de materias primas disponibles localmente. Por ejemplo, en las Filipinas, el aceite de
coco se utiliza para hacer PAS, y formulaciones tienen que ser adaptados para obtener las
propiedades de formación de espuma requerida, el rendimiento, y la dureza del producto.
Las materias primas también incluyen un sistema estructurado para evitar el efecto
negativo de los iones de calcio y magnesio en el rendimiento. Los builders también dan
mejores consistencia y propiedades de antire-deposición al producto. Los fosfatos se
utilizan generalmente, a menudo en combinación con el carbonato de sodio que es
menos costoso. Además de los fosfatos, la antire-deposición se mejora por la presencia de
agentes específicos tales como carboximetilcelulosa de sodio (SCMC).
Arcilla de bentonita puede ser añadida para dar suavidad al lavado, y agentes
antibacterianos tales como aceite de pino se incluye a veces. Perfume puede ser utilizado
para cubrir el olor de base y para atraer a los consumidores. Otros materiales posibles
incluyen un sistema de TAED / perborato de blanqueo (en Filipinas, por ejemplo) o
enzimas (proteasas).
Ingredientes secundarios están presentes en todas las formulaciones, ya que ayudan a
unir las materias primas, ayudar en el proceso de fabricación, y son relativamente baratos.
Estos incluyen carbonato de calcio, arcillas, almidón o talco. Ejemplos de formulaciones de
barras / pastas para lavado y pastas para lavar platos se dan en las tablas presentadas a
continuación.
37
Capítulo II Detergentes
Tabla 9. Formulación de barras/pastas para lavanderíaa
Ingrediente
(%)
15-30
ABS/LAS
STPP
2-10
Carbonato de Sodio
5-10
Aluminosilicato
0-5
Silicato de Sodio
2-5
Calcita
0-20
Urea
0-2
(activador de espuma)
Glicerol
0-2
(humidificador)
FWA
+
Perfume
+
SCMC
+
Sulfato de Aluminio
0-5
Caolín
0-15
Sulfato de Sodio
5-20
Perborato/TAED (en barras)
-/+
Enzimas (en barras)
-/+
Agua
Balance
a
Abreviaturas: ABS, alquilbencensulfonato; LAS, alquilbencensulfonato lineal;
STTP, tripolifosfato de sodio; FWA, Agente blanqueador fluorescente;
SCMC, carboximetilcelulosa de sodio; TAED, tetraacetiletilendiamina.
(NIIR board, 2013)
Tabla 10. Formulación de pastas lava trastesa,b
Ingrediente
(%)
ABS/LAS
16-28
Carbonato de sodio
5-10
Sulfato de Aluminio
0-5
Silicato de Sodio
2-5
Sulfato de sodio
15-25
Perfume
+
Conservador
+
Colorantes
+
Agua
Balance
a
Este tipo de productos es muy común en Turquía y Colombia
Abreviaturas: ABS, alquilbencensulfonato; LAS, alquilbencensulfonato lineal.
(NIIR board, 2013)
b
38
Capítulo III Diseño de experimentos
Capítulo III Diseño de Experimentos
El diseño de experimentos puede ser definido como: “Método estructurado y organizado
para determinar la relación entre los factores que afectan a un proceso y a la respuesta de
ese proceso.” (Alcalá Alcalá, 2015)
El diseño de experimentos o DOE (Design of Experiments – por sus siglas en inglés)
consiste en planear un conjunto de pruebas experimentales, de tal manera que los datos
generados puedan analizarse estadísticamente para obtener conclusiones válidas y
objetivas acerca del sistema o proceso. (Gutiérrez Pulido & de la Vara Salazar, 2004)
Ventajas del DOE
Permite conocer los factores clave que afectan a la calidad.
Se elimina el efecto de las variables perturbadoras o extrañas, mediante el efecto
de la aleatorización.
Da información para el desarrollo y mejora de los procesos.
El número de pruebas a menudo puede reducirse.
Permite la ejecución por etapas y la producción única de datos útiles.
La exactitud de las conclusiones se conoce con una precisión matemática definida.
Menos costos.
Requiere menos recursos (pruebas, tiempo, material) para la cantidad de
información obtenida.
Elementos básicos de un DOE
Unidad experimental: es la muestra de artículos que es necesario producir en una
condición para obtener una medición o dato representativo.
Variable fija: es aquella variable que se define por el usuario y permanece
constante en el proceso.
Función de probabilidad: es la forma que define o predice cómo se comportan los
datos del proceso.
Variable de respuesta: es la salida del proceso, a menudo se toma como
característica de calidad a obtener.
Factor: es la característica que influye en la variable de respuesta, dentro de estos,
se encuentran 2 tipos: factores controlables y factores no controlables.
Factor controlable: son las variables de proceso que se pueden definir.
Factor no controlable: son las variables que no se puede controlar en el proceso.
Niveles de un factor: son los diferentes valore asignados a un factor.
Tratamiento: son las combinaciones de niveles de todos los factores.
Error aleatorio: es la variabilidad que no se puede explicar por los factores.
Error sistémico: es el error producido durante el diseño de experimentos (sesgo).
(Huertas Miranda, 2015)
39
Capítulo III Diseño de experimentos
Principios básicos de un DOE
Se debe ser muy cuidadoso en la planeación y análisis de un experimento. El punto de
partida para una correcta planeación es aplicar los principios básicos del DOE:
aleatorización, repetición y bloqueo, los cuales tienen que ver directamente con que los
datos obtenidos sea útiles para responder a las preguntas planteadas, es decir, la validez
del análisis de los datos se apoya en estos principios. (Gutiérrez Pulido & de la Vara Salazar, 2004)
Aleatorización: consiste en hacer corridas experimentales en orden aleatorio; este
principio aumenta la posibilidad de que el supuesto de independencia se cumpla.
Repetición: es correr más de una vez un tratamiento o combinación de factores.
Bloqueo: es nulificar o tomar en cuenta en forma adecuada todos los factores que
pueden afectar la respuesta observada.
Clasificación de los DOE
Existen muchos diseños experimentales para estudiar la gran diversidad de problemas o
situaciones que ocurren en la práctica. Esta cantidad de diseños hace necesario saber
cómo elegir el más adecuado para una situación dada, por lo que es preciso conocer
cómo se clasifican estos diseños de acuerdo con su objetivo y su alcance.
Los 5 aspectos que más influyen en la selección de un DOE son:
1.
2.
3.
4.
5.
El objetivo del experimento.
El número de factores a estudiar.
El número de niveles que se pretendan en cada factor.
Los efectos que interesa investigar (relación factores-respuesta).
El costo del experimento, tiempo y precisión deseada.
El objetivo del experimento se ha utilizado como un criterio general de clasificación de los
DOE, mientras que los otros 4 puntos son útiles para subclasificarlos. Con base en estos
puntos, los diseños pueden clasificarse como:
1.
2.
3.
4.
5.
Diseños para comparar 2 o más tratamientos.
Diseños para estudiar el efecto de varios factores sobre la(s) respuesta(s).
Diseños para determinar el punto óptimo de operación del proceso.
Diseños para la optimización de una mezcla.
Diseños para hacer el producto insensible a factores no controlables.
En la figura 15 se muestra la clasificación general de los DOE de acuerdo con su objetivo.
Dentro de cada rama se pueden clasificar de acuerdo al número de factores, al tipo de
40
Capítulo III Diseño
iseño de experimentos
efectos que se pretende estudiar y ssegún
egún las restricciones existentes. En la misma figura
se enlistan los diseños particulares más representativos de cada rama. (Gutiérrez Pulido & de la
Vara Salazar, 2004)
Esquema 11. Clasificación de los diseños experimentales.
(Gutiérrez Pulido & de la Vara Salazar, 2004)
DOE tipo factorial
Este tipo de diseños permiten estudiar de manera simultánea el efecto de varios factores
(y sus niveles) sobre una o varias variables de respuesta, incluida su interacción; dentro de
sus objetivos se encuentran:
•
•
•
Estudiar la relación factor – variable de respuesta.
Determinar la combinación de niveles de los factores en el cual el desempeño de
un proceso es óptimo.
Centrar la media de la respuesta con la menor variación.
Son diseños muyy versátiles, puesto que se pueden aumentar en caso de que se requiera
una exploración más completa, se pueden correr fracciones (puntos específicos del diseño
completo), las cuales son muy útiles en las primeras etapas de investigación
investi
que
involucren muchos factores. Los diseños factoriales pueden utilizarse en combinación con
diseños de bloques en situaciones en las que no puede correrse todo el diseño factorial
completo bajo las mismas condiciones.
Una de las características imp
importantes
ortantes de este tipo de diseño es que permite el estudio de
la interacción, esto es, estudiar el grado y forma en la cual se modifica el efecto de un
factor por los niveles de otros factores.(Alcalá Alcalá, 2015)
41
Capítulo III Diseño
iseño de experimentos
Figura 15.. Representación geométrica de diseños factoriales.
(Huertas Miranda, 2015)
DOE tipo factorial de tipo 2k
Este tipo de DOE es un caso particular de los DOE tipo factorial, en el cual sin importar el
número de factores a estudiar,
iar, sólo existen 2 niveles para cada factor (alto y bajo), lo cual
los hace muy útiles para realizar diseños exploratorios, con lo cual, se disminuye el
número de experimentos y tiempo necesarios para lograr un proceso. Existen una gran
cantidad de DOE tipo
po factorial 2k, la siguiente figura nos muestra los diferentes diseños
que pueden utilizarse:
k
Figura 16. Familia del DOE factorial 2
(Gutiérrez Pulido & de la Vara Salazar, 2004)
42
Capítulo III Diseño de experimentos
Con un diseño factorial 2k se estudia el efecto de k factores considerando dos niveles en
cada uno. Cada réplica de este diseño consiste de 2k × 2 combinaciones o tratamientos
que se pueden denotar de diferentes maneras, como se muestra en la tabla 11. Algunas
de estas notaciones se utilizan en situaciones muy particulares; por ejemplo, la notación
+1, –1 es útil a la hora de hacer los cálculos para ajustar por mínimos cuadrados un
modelo de regresión a los datos; es la notación que utilizan los paquetes Statgraphics y
Minitab.
La notación de signos +, – es muy práctica para escribir las matrices de diseño; esta
notación, combinada con la de Yates (véase última columna de la tabla 11) permite
representar y calcular fácilmente los efectos de interés. La notación con letras A+, A– se
utiliza para escribir, al final del análisis del experimento, el mejor punto o tratamiento
ganador que se ha encontrado.
La notación de Yates [(1), a, b, ab] tiene un significado diferente a las demás: con ella se
representa el total o la suma de las observaciones en cada tratamiento, más que al
tratamiento mismo. Hay que observar que la lógica de la notación de Yates es la siguiente:
si una letra minúscula está presente, entonces el factor correspondiente se encuentra en
su nivel alto; si está ausente, el factor está en su nivel bajo; por ejemplo, ab se refiere al
tratamiento en el que los factores A y B están en su nivel alto. (Gutiérrez Pulido & de la Vara Salazar,
2004)
Tabla 11. Ejemplo de notación de tratamientos para un DOE 22
Trat 1 →
Trat 2 →
Trat 3 →
Trat 4 →
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
bajo
alto
bajo
alto
bajo
bajo
alto
alto
A1
A2
A1
A2
B1
B1
B2
B2
AA+
AA+
BBB+
B+
+
+
+
+
0
1
0
1
0
0
1
1
-1
1
-1
1
-1
-1
1
1
Notación
de Yates
(1)
a
b
ab
43
Capítulo IV Desarrollo experimental
Capítulo IV Desarrollo experimental
Material y Equipo utilizado
Material o Equipo
Vaso de precipitado.
Agitador mecánico tipo Caframo.
Especificaciones
•
Capacidad 400-1000 ml
• Resistente al calor
Modelo BDC2002
•
Propela tipo marina.
Balanza digital.
Agitador magnético. (mosca)
Pipetas Pasteur.
Parrilla de calentamiento con agitación
magnética.
Vidrios de reloj.
Espátulas de agitación.
Texturómetro.
Pipeta.
Medidor de humedad.
Potenciómetro digital.
Viscosímetro.
Cámara de luz .
Cámara fotográfica.
Brocha.
Velocidad de agitación 40-2002 rpm
Utilizada para:
•
•
Suspensión de sólidos
Homogeneización
Emulsión
•
•
•
Rango de medida 0.01g – 4.1kg
Recubierta de teflón
Plásticas
•
Marca Mettler Toledo
Modelo XS4002S
Marca ThermoScientificCimarec
Modelo SP131015Q
• Velocidad de agitación 60–1200 rpm
• Temperatura 0-540 °C
• 1 ½ y 1 pulgada de diámetro
• Teflón.
Modelo TA XT Plus
Marca Eppendorf Research® plus
• Capacidad 10-1000μl
Marca Mettler Toledo
Modelo HR73
Marca VWR
Marca Brookfield
BYK Garner
Marca Canon
Marca Comex
•
•
Pelo de camello
Medida de 1 pulgada
44
Capítulo IV Desarrollo experimental
Reactivos
Reactivos
Función
Agua desionizada
Ácido Dodecilbencensulfónico (ADBS)
Lauril éter sulfato de sodio (LESS)
Carbonato de Sodio ligero (Na2CO3)
Carbonato de Calcio ligero (CaCO3)
Carbonato de Sodio denso (Na2CO3)
Carbonato de Calcio denso (CaCO3)
Silicato de Sodio
Óxido de Amina
Glicerina
Fragancia
Hidróxido de Sodio (NaOH)
Polímero 1 tipo Carbómero
Polímero 2 tipo HASE
Polímero 3 tipo Híper HASE
Medio diluyente
Surfactante aniónico
Surfactante aniónico
Builder
Builder
Builder
Builder
Función Buffer y agente secuestrante
Surfactante no iónico
Hidrótropo
Proveer un aroma agradable
Agente neutralizante
Modificador reológico
Modificador reológico
Modificador reológico
45
Capítulo IV Desarrollo experimental
Métodos
Penetrabilidad de pastas lava trastes
La prueba de penetrabilidad de pastas ayuda a cuantificar la fuerza necesaria para poder
penetrar al producto; una fuerza muy pequeña indicaría una consistencia líquida o muy
suave, una fuerza muy alta indica que la pasta es muy dura; se buscaba un valor
intermedio para que tuviera una textura agradable al tacto y fuera fácil de manipular al
momento de su uso. Esta prueba debe realizarse antes que cualquier otra para evitar
causar modificación de la consistencia de la pasta; consiste en penetrar la pasta
lavatrastes con un cono de metal de 45°, tomar los datos y procesarlos mediante el
software del equipo. La prueba se explica detalladamente en el anexo B (página 76).
46
Capítulo IV Desarrollo experimental
Determinación de pH de pastas lava trastes*
*Modificación de la norma NMX-Q-049-1988
La prueba de medición de pH se realizó por medio de una disolución de la pasta debido a
que no se puede medir el pH a un sólido; esta prueba es de vital importancia debido a que
el pH en el agua de lavado no debe ser básico para evitar daños en la piel al usar el
producto. La prueba consiste en colocar una pequeña porción de pasta lava trastes en
agua deionizada, agitar vigorosamente, dejar reposar unos minutos la disolución y medir
el pH mediante el potenciómetro digital. La prueba se explica detalladamente en el anexo
B (página 77).
47
Capítulo IV Desarrollo experimental
Determinación de humedad de pastas lava trastes
La prueba de determinación de humedad en pastas lava trastes es importante en el
estudio para determinar la cantidad de producto sólido que contiene la formulación,
ayuda a estandarizar el peso necesario del producto en las diversas pruebas. La prueba
consiste en medir la humedad por medio de una analizador que eleva drásticamente la
temperatura de la muestra y bajo monitoreo de peso determina el porcentaje de
humedad (agua) liberada. La prueba se explica detalladamente en el anexo B (página 78).
48
Capítulo IV Desarrollo experimental
Determinación del diámetro de burbuja de la espuma de la pasta lava trastes
El determinar el diámetro promedio de burbuja de las disoluciones de las pastas lava
trastes, ayudó a analizar matemáticamente y estadísticamente el comportamiento de la
espuma generada. La prueba consiste en realizar una disolución de la pasta en agua
desionizada agitarla vigorosamente y por medio de un deposito especial sacar foto de la
espuma a 0, 5, 10 y 15 minutos a partir de que la espuma es almacenada en el depósito;
una vez las fotos se pasen a un equipo de cómputo, mediante el software ImageJ se
manipularon las imágenes para determinar las dimensiones de las burbujas y poder
apreciarlas de manera gráfica. La prueba se explica detalladamente en el anexo B (página
79).
49
Capítulo IV Desarrollo experimental
Prueba de desempeño de mini platos de pastas lava trastes**
1ª Parte: Preparación de la prueba
2ª Parte: Lavado de mini platos
**Modificación de la norma NMX-Q-048-1988
Esta prueba se realizó para demostrar el poder de limpieza de las pastas formuladas en
comparación con los productos comerciales, dentro de las características fundamentales
que se buscaron, se encontraba el hecho que fuera un producto con un buen desempeño
en el lavado de platos. La prueba consiste en 2 partes, dentro de la primera se ensucian
mini platos con una mezcla grasosa; en la segunda parte se prepara una disolución de la
pasta lava trastes y con la ayuda de una brocha, se realiza el lavado de los platos sucios, la
prueba termina al cortar por completo la espuma generada por la pasta. La prueba se
explica detalladamente en el anexo B (página 81).
50
Capítulo IV Desarrollo experimental
Formulación
Como primer paso para la elaboración de las pastas se realizó una prueba para verificar
que tipo de carbonatos eran los más idóneos para la textura y dureza deseada, debido a
que comercialmente se pueden encontrar 2 tipos carbonatos ligeros y densos. Para
comprobar el efecto de los carbonatos se hicieron 2 pastas, las cuales siguieron
lossiguientes rangos de composición, ver tabla 12:
Tabla 12.Pruebas con carbonatos ligeros y densos
Material
% Peso
% Peso
Prueba A
Prueba B
Agua desionizada
Balance
Balance
ABDS
10-25
10-25
LESS
0-10
0-10
Na2CO3 ligero
10-30
CaCO3 ligero
0-20
Na2CO3 denso
10-30
CaCO3 denso
0-20
Silicato de Sodio
0-15
0-15
Óxido de Amina
0-5
0-5
Glicerina
0-5
0-5
Fragancia
0-1
0-1
NaOH (50%)
*
*
Con base en los resultados obtenidos de las pruebas de los carbonatos ligeros y densos, se
implementó un diseño de experimentos factorial de tipo 2k para desarrollar una pasta
base, donde los 2 niveles fueron: bajo y alto, y los 7 factores fueron: ADBS, LESS, Na2CO3,
CaCO3, silicato de sodio, óxido de amina y glicerina; sin embargo, debido al gran número
de experimentos que representa realizar un diseño factorial de 27 completo (128
experimentos), se decidió realizar 1/8 del diseño completo (resolución IV), el cual consiste
en tan solo 16 experimentos, como se muestra en la figura 17.
Figura 17.Tipos de Diseños factoriales disponibles en Minitab 16
51
Capítulo IV Desarrollo experimental
La tabla 13muestra un ejemplo del diseño que se utilizó para las formulaciones:
Tabla 13. Diseño de experimentos 1
Orden de
preparación
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Número de
ADBS LESS Na2CO3 CaCO3
experimento
6
11
3
12
2
14
5
13
8
15
10
16
9
7
1
4
1
-1
-1
1
1
1
-1
-1
1
-1
1
1
-1
-1
-1
1
-1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
1
1
-1
1
-1
1
-1
1
1
-1
-1
-1
-1
1
1
1
1
1
-1
1
-1
1
-1
-1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
1
1
1
-1
-1
-1
Silicato Óxido
de
de
Glicerina
sodio amina
-1
1
-1
1
-1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
1
-1
1
-1
-1
1
1
1
1
1
-1
-1
1
-1
-1
-1
1
-1
1
1
-1
1
1
1
-1
1
1
-1
-1
1
-1
-1
-1
-1
1
1
Los valores -1 y 1 utilizados en la tabla, representan la cantidad (nivel bajo y alto, respectivamente) de los materiales a
usar.
El DOE utilizado para las 16 formulaciones sigue los parámetros de la tabla 14:
Tabla 14. Formulación de pasta lava trastes DOE 1.
Material
% Peso
Agua
desionizada
ABDS
LESS
Na2CO3 denso
CaCO3 denso
Silicato de
Sodio
Óxido de Amina
Glicerina
Fragancia
NaOH (50%)
Prueba
1
Balance
Prueba
2
Balance
Prueba
3
Balance
Prueba
4
Balance
Prueba
5
Balance
Prueba
6
Balance
Prueba
7
Balance
Prueba
8
Balance
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
0-2
0-5
0-0.5
*
0-2
0-5
0-0.5
*
0-2
0-5
0-0.5
*
0-2
0-5
0-0.5
*
0-2
0-5
0-0.5
*
0-2
0-5
0-0.5
*
0-2
0-5
0-0.5
*
0-2
0-5
0-0.5
*
*Cantidad suficiente para neutralizar el ADBS
52
Capítulo IV Desarrollo experimental
Tabla 14. Formulación de pasta lava trastes DOE 1 (Continuación).
Material
% Peso
Agua
desionizada
ABDS
LESS
Na2CO3 denso
CaCO3 denso
Silicato de
Sodio
Óxido de
Amina
Glicerina
Fragancia
NaOH (50%)
Prueba
9
Balance
Prueba
10
Balance
Prueba
11
Balance
Prueba
12
Balance
Prueba
13
Balance
Prueba
14
Balance
Prueba
15
Balance
Prueba
16
Balance
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
10-25
0-10
15-30
5-20
0-15
0-2
0-2
0-2
0-2
0-2
0-2
0-2
0-2
0-5
0-0.5
*
0-5
0-0.5
*
0-5
0-0.5
*
0-5
0-0.5
*
0-5
0-0.5
*
0-5
0-0.5
*
0-5
0-0.5
*
0-5
0-0.5
*
*Cantidad suficiente para neutralizar el ADBS
Preparación de las pastas
1. En la balanza digital, adicionar a un vaso de precipitados el agua necesaria seguida
del ADBS.
2. Colocar bajo agitación (300-400 rpm) en el caframo con la propela marina hasta
homogenizar la mezcla.
3. Adicionar el LESS y agitar hasta incorporar.
4. Agregar lentamente el NaOH (50%) y continuar agitando hasta que se encuentre
totalmente homogéneo.
5. Pesar el Na2CO3 y el CaCO3, agregar poco a poco, primero el de Sodio y después el
de Calcio; en este punto la mezcla se vuelve más viscosa, por lo que se requiere
subir las velocidades de agitación (800-1000 rpm) y auxiliar el mezclado con una
espátula para garantizar la mezcla uniforme.
6. Una vez la mezcla se encuentre totalmente homogénea, adicionar el silicato de
sodio, el óxido de amina y la glicerina.
7. Para terminar adicionar la fragancia, agitar para incorporar y envasar al terminar.
Una vez terminadas las pastas, se dejó que reposaran el tiempo suficiente para poder
realizarles los análisis necesarios para su caracterización. En base a los resultados
obtenidos y con la ayuda del programa Centurion XVI, se realizó la optimización del DOE
obteniendo así los parámetros para la realización de la pasta base óptima (apariencia
agradable al tacto, eficacia de lavado de platos, formulación estable, fácil de manipular,
espuma estable con el tiempo). La optimización, se llevó a cabo mediante el análisis del
DOE, dentro del cual se observaron los efectos que cada componente de la formulación
afectaba a la apariencia final; cada uno de estos datos resultantes de los análisis ayudó a
establecer los parámetros finales.
53
Capítulo IV Desarrollo
esarrollo experimental
ex
Centurion XVI tiene dentro de sus opciones de optimización diferentes paneles con
diversa información y gráficas; dentro de esta ggama
ama de herramientas, el panel de
optimización por respuesta fue uno de los más importantes, debido a que se encontraron
los puntos clave de los análisis, además permite realizar una optimización por análisis o
resultado, lo que ayuda a realizar una optimiz
optimización
ación más objetiva, ayudados por las gráficas
de contorno, superficie de respuesta y gráficos sobrepuestos, se adquirieron los valores
óptimos teóricos para una pasta lava trastes con la apariencia deseada, algunas de estas
herramientas que se utilizaron een Centurion XVI, se muestran en la figura 18..
Figura 18.Muestra
.Muestra de la optimización con Centurion XVI
Tabla 15.. Formulación de pasta lava trastes óptima.
Material
% Peso
Agua desionizada
Balance
ABDS
10-18
LESS
0-5
Na2CO3 denso
15-25
CaCO3 denso
10-20
Silicato de Sodio
0-10
Óxido de Amina
0-1
Glicerina
0-5
Fragancia
0-0.5
NaOH (50%)
*
*Cantidad suficiente para neutralizar el ADBS
54
Capítulo IV Desarrollo experimental
Se realizó un segundo DOE, en el cual se tomó una fórmula base (formulación óptima del
DOE 1) y 2 niveles de modificador reológicoque se pude apreciar en la tabla 16; con estos
parámetros se realizaron 7 nuevas pastas, una testigo y 3 pares de pruebas con diferentes
polímeros (nivel bajo y nivel alto de cantidad de polímero usada).
Tabla 16. Diseño de experimentos 2
Testigo
Prueba
(Prueba 17)
18
Polímero
-1
1
Polímero
2
Polímero
3
Prueba
19
Prueba
20
Prueba
21
Prueba
22
Prueba
23
+1
-
-
-
-
-
-1
+1
-
-
-
-
-
-1
+1
Los valores -1 y 1 utilizados en la tabla, representan la cantidad (nivel bajo y alto, respectivamente) de los modificadores
reológicos.
Con la incorporación de los modificadores reológicos, la formulación se modifica como se
detalla en la tabla 17:
Tabla 17. Incorporación de modificadores reológicosen
formulación de pasta lava trastes óptima.
Material
% Peso
Agua desionizada
Balance
ADBS
10-18
LESS
0-5
Na2CO3 denso
15-25
CaCO3 denso
10-20
Silicato de Sodio
0-10
Óxido de Amina
0-1
Glicerina
0-5
Fragancia
0-0.5
NaOH (50%)
*
NaOH (18%)
**
Polímero 1
0-2
Polímero 2
0-2
Polímero 3
0-2
*Cantidad suficiente para neutralizar el ADBS
**Cantidad suficiente para neutralizar el polímero 1
55
Capítulo IV Desarrollo experimental
Debido a que este nuevo diseño contiene materiales que no contenía el primer diseño, el
modo de preparación cambia en algunos aspectos; por eso, se presentan a continuación
los 4 métodos de preparación del segundo diseño:
I.
Preparación de las pasta testigo
1. En la balanza digital, adicionar a un vaso de precipitados el agua necesaria seguida
del ADBS.
2. Colocar bajo agitación (300-400 rpm) en el caframo con la propela marina hasta
homogenizar la mezcla.
3. Adicionar el LESS y agitar hasta incorporar.
4. Agregar lentamente el NaOH (50%) y continuar agitando hasta que se encuentre
totalmente homogéneo.
5. Pesar el Na2CO3 y el CaCO3, agregar poco a poco, primero el de Sodio y después el
de Calcio; en este punto la mezcla se vuelve más viscosa, por lo que se requiere
subir las velocidades de agitación (800-1000 rpm) y auxiliar el mezclado con una
espátula para garantizar la mezcla uniforme.
6. Una vez la mezcla se encuentre totalmente homogénea, adicionar el silicato de
sodio, el óxido de amina y la glicerina.
7. Para terminar adicionar la fragancia, agitar para incorporar y envasar al terminar.
II.
Preparación de las pastas con incorporación del polímero 1 (pruebas 18 y 19 )
1. En la balanza digital, adicionar a un vaso de precipitados el agua necesaria.
2. Con ayuda de un tamiz, agregar el polímero 1 sobre el agua y dejar reposar para
que se hidrate.
3. Una vez hidratado el polímero, agitar a 45° (300-400 rpm) para dispersar
completamente.
4. Neutralizar el polímero con ayuda del NaOH (18%) y llevar a un pH cercano a 7.
5. Adicionar el ADBS y colocar bajo agitación (300-400 rpm) en el caframo con la
propela marina hasta homogenizar la mezcla.
6. Adicionar el LESS y agitar hasta incorporar.
7. Agregar lentamente el NaOH (50%) y continuar agitando hasta que se encuentre
totalmente homogéneo.
8. Pesar el Na2CO3 y el CaCO3, agregar poco a poco, primero el de Sodio y después el
de Calcio; en este punto la mezcla se vuelve más viscosa, por lo que se requiere
subir las velocidades de agitación (800-1000 rpm) y auxiliar el mezclado con una
espátula para garantizar la mezcla uniforme.
9. Una vez la mezcla se encuentre totalmente homogénea, adicionar el silicato de
sodio, el óxido de amina y la glicerina.
10. Para terminar adicionar la fragancia, agitar para incorporar y envasar al terminar.
56
Capítulo IV Desarrollo experimental
III.
Preparación de las pastas con incorporación del polímero 2 (pruebas 20 y 21 )
1. En la balanza digital, adicionar a un vaso de precipitados el agua necesaria seguida
del ADBS.
2. Colocar bajo agitación (300-400 rpm) en el caframo con la propela marina hasta
homogenizar la mezcla.
3. Adicionar el LESS y agitar hasta incorporar.
4. Agregar lentamente el NaOH (50%) y continuar agitando hasta que se encuentre
totalmente homogéneo.
5. Pesar el Na2CO3 y el CaCO3, agregar poco a poco, primero el de Sodio y después el
de Calcio; en este punto la mezcla se vuelve más viscosa, por lo que se requiere
subir las velocidades de agitación (800-1000 rpm) y auxiliar el mezclado con una
espátula para garantizar la mezcla uniforme.
6. Una vez la mezcla se encuentre totalmente homogénea, agregar el polímero 2 y
continuar agitando para incorporar.
7. Adicionar el silicato de sodio, el óxido de amina y la glicerina, continuar el
mezclado para homogeneizar.
8. Para terminar adicionar la fragancia, agitar para incorporar y envasar al terminar.
IV.
Preparación de las pastas con incorporación del polímero 3 (pruebas 22 y 23 )
1. En la balanza digital, adicionar a un vaso de precipitados el agua necesaria seguida
del ADBS.
2. Colocar bajo agitación (300-400 rpm) en el caframo con la propela marina hasta
homogenizar la mezcla.
3. Adicionar el LESS y agitar hasta incorporar.
4. Agregar lentamente el NaOH (50%) y continuar agitando hasta que se encuentre
totalmente homogéneo.
5. Pesar el Na2CO3 y el CaCO3, agregar poco a poco, primero el de Sodio y después el
de Calcio; en este punto la mezcla se vuelve más viscosa, por lo que se requiere
subir las velocidades de agitación (800-1000 rpm) y auxiliar el mezclado con una
espátula para garantizar la mezcla uniforme.
6. Una vez la mezcla se encuentre totalmente homogénea, agregar el polímero 3 y
continuar agitando para incorporar.
7. Adicionar el silicato de sodio, el óxido de amina y la glicerina, continuar el
mezclado para homogeneizar.
8. Para terminar adicionar la fragancia, agitar para incorporar y envasar al terminar.
57
Capítulo V Resultados
Capítulo V Resultados
Las primeras pruebas se realizaron con la finalidad de encontrar el tipo de carbonato que
le brindara a la formulación la textura y firmeza deseada; debido a que comercialmente se
encuentran los carbonatos de sodio y calcio en presentación ligera y densa. Después de
realizar una pasta lava trastes utilizando ambos carbonatos ligeros y una pasta más
utilizando los carbonatos densos, se encontraron los siguientes resultados:
Tabla 18. Resultados de pruebas con carbonatos
Carbonatos ligeros Carbonatos densos
VISCOSIDAD (cP)
10,000 – 12,000
22,000 – 24,000
pH @dis 10%
11.5 – 12.5
11 – 12
Tal como muestra la tabla18, la pasta elaborada con los carbonatos ligeros presentan una
viscosidad aparente de la mitad que la pasta elaborada con carbonatos densos, además de
un ligero incremento en el valor del pH. En base a estos resultados y tomando en cuenta
que la textura de la pasta elaborada con carbonatos ligeros fue más parecida a la de una
crema; se decidió descartar estos materiales de la formulación debido a que el objetivo de
la formulación es tener una pasta firme.
Después de haber realizado el primer DOE (16 experimentos), se procedió a caracterizar
cada una de las pastas después de 3 días de reposo (fin de semana), para darles tiempo a
que secaran adecuadamente; los datos resultantes de los análisis se presentan a
continuación en las tablas 19,20,21 y 22.
Tabla 19. Resultados DOE 1: pruebas 1, 2, 3 y 4
Nivel de espuma
pH en disolución 10%
Viscosidad @20rpm(cP)Spindle 7
Humedad relativa (%)
Área (N.m)
Fuerza (N)
Platos lavados
Suavidad
Apariencia
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
Prueba 4
Muy Alto
11 - 12
Muy Alto
11.5 – 12.5
Muy Alto
11.63
----
35,000 – 45,000
6-7
50 – 150
0.01 – 0.05
600 – 750
√
Pasta
2–4
0 – 15
0.01 – 0.03
1300 – 1500
XXX
Crema separada
Muy Alto
11.5 – 12.5
120,000 –
140,000
1–3
5 – 20
0.01 – 0.04
730 – 840
XXX
Crema
---1–2
10 – 30
0.01 – 0.05
420 – 500
√Más suave
58
Capítulo V Resultados
Tabla 20. Resultados DOE 1: pruebas 5, 6, 7 y 8
Nivel de espuma
pH en disolución 10%
Viscosidad @20rpm(cP) Spindle 7
Humedad relativa (%)
Área (N.m)
Fuerza (N)
Platos lavados
Suavidad
Apariencia
Prueba 5
Prueba 6
Prueba 7
Prueba 8
Muy Alto
11.5 – 12.5
Muy Alto
11.5 – 12.5
70,000 –
90,000
1–3
80 – 110
0.01 – 0.03
880 – 950
√
Pasta
Alto
11.5 – 12.5
70,000 –
90,000
2–4
130 – 170
0.02 – 0.04
1300 – 1400
√+
Más dura
Alto
11.5 – 12.5
100,000110,000
1–3
40 – 70
0.01 – 0.03
200 – 350
√
Pasta
8,000 – 10,000
4–6
1–4
0.01 – 0.03
700 – 900
XXXX
Apariencia horrible
Tabla 21. Resultados DOE 1: pruebas 9, 10, 11 y 12
Prueba 9
Alto
Nivel de espuma
11.5 – 12.5
pH en disolución 10%
---Viscosidad @20rpm(cP) Spindle 7
4–7
Humedad relativa (%)
400 - 600
Área (N.m)
0.05 – 0.1
Fuerza (N)
700 – 900
Platos lavados
Suavidad
X
Apariencia
Piedra
Prueba 10
Prueba 11
Prueba 12
Bajo
11.5 – 12.5
10,000 – 30,000
4–7
1 – 10
0.02 – 0.05
1200 – 1500
XX
Liquida separada
Muy Alto
11.5 – 12.5
30,000 – 50,000
1–3
90 – 110
0.02 – 0.05
1000 – 1400
X
Piedra
Bajo
11.5 – 12.5
---0.5 – 2
750 – 900
0.02 – 0.04
1300 – 1500
X
Piedra
Tabla 22. Resultados DOE 1: pruebas 13, 14, 15 y 16
Nivel de espuma
pH en disolución 10%
Viscosidad @20rpm(cP) Spindle5
Humedad relativa (%)
Área (N.m)
Fuerza (N)
Platos lavados
Suavidad
Apariencia
Prueba 13
Prueba 14
Prueba 15
Prueba 16
Muy Alto
11.5 – 12.5
15,000 – 20,000
3–6
0.5 – 3
0.01 – 0.03
1300 – 1500
XX
Líquida
Alto
11.5 – 12.5
---0.5 – 2.5
70 – 90
0.01 – 0.03
1300 – 1500
√+
Más dura
Alto
11.5 – 12.5
---2–4
80 – 100
0.01 – 0.03
1000 – 1300
√++
Más dura
Alto
11.5 – 12.5
---1–2
25 – 35
0.01 – 0.03
800 – 1000
√
Pasta
59
Capítulo V Resultados
Tal como lo muestran las tablas 19, 20, 21 y 22 ninguna de las 16 formulaciones es igual a
otra, se obtuvieron desde formulaciones líquidas, formulaciones cremosas, algunas tan
duras como piedras y algunas
unas otras con una textura muy agradable, más sin embargo,
ninguna de las formulaciones aún cumple con todas las especificaciones que se buscan.
Para lograr obtener una formulación base óptima, se analizaron los resultados de las
caracterizaciones con ayuda
da del software Minitab, gracias a esto se estudiaron los efectos
que causan los niveles de cada componenteen la formulación
formulación. A continuación se
presentan las figuras 19 y 20 que muestran cual es el efecto que causan los niveles altos o
bajos de cada componente
nente para la apariencia final de la pasta.
Figura 19.. Gráfica de efectos principales para Penetración.
Figura 20.. Gráfica de efectos principales para Humedad Relativa.
60
Capítulo V Resultados
Las gráficas anteriores muestran parámetros importantes que se midieron en cada una de
las pastas: humedad relativa y penetrabilidad (fuerza); dentro de ellas se observan efectos
interesantes de cada uno de los componentes; entre ellos destacó el efecto de la glicerina,
en cada uno de los casos mayor concentración de la misma, afecta de manera negativa a
la apariencia final,, así también se distingueque
que el carbonato de calcio a pesar de tener
cambio en el efecto en ambos parámetros, su influencia es muy pequeña en comparación
con los demás componentes. Fue trascendental conocer el efecto
to de cada uno de los
componentes, sin embargo,, el efecto más importante es la interacción entre los
componentes, ya que brinda mayor información de los niveles óptimos de cada
componente; a continuación se presenta
presentan las interacciones para el parámetro de
penetración.
Figura 221. Gráfica de interacción para penetrabilidad.
A diferencia de las gráficas de efectos principales, en la figura 21 se distingue la
interacción de 2 componentes con sus respectivos niveles para una misma respuesta,
respuesta cabe
mencionar que para cada parámetro las gráficas son distintas, además que no todas las
interacciones resultaron favorables en cada punto. Se reconocióque
que algunos componentes
tienen la misma tendencia negativa aun al aumentar la cantidad adicionada del
compuesto, un ejemplo
jemplo de estos pares es la glicerina con el carbonato de calcio, el silicato
de sodio con el SLES, entre otros; de forma contraria algunas interacciones brindan mayor
respuestas como son el carbonato de sodio y el LAS; también hay interacciones que
producen un efectoadverso,, es decir, las líneas de los niveles de cada componente cruzan
y tienen pendientes contrarias (valor positivo y negativo) como el caso del silicato de
sodio y el carbonato de calcio. Es importante tener en cuenta que valores altos en la
l
61
Capítulo V Resultados
respuesta, no siempre significa que sea lo mejor; en el caso de la figura 21, la respuesta en
la fuerza que se necesita para penetrar cierta distancia en la pasta, por lo que un valor
alto, significaría que la pasta es muy dura lo cual no es deseable para nuestro caso; caso
contrario si el valor es muy bajo, esto se debe a que el producto puede incluso
comportarse como un líquido, una crema o una pasta demasiado suave, lo cual tampoco
interesa a la formulación.
Fue necesario realizar un análisis por parámetro y posteriormente elaborar una
optimización general en base a los parámetros que reflejaron mayores variaciones en los
efectos e interacciones de los componentes, siendo estos la penetración, la humedad
relativa y el área; de la misma forma se encontró que algunos componentes afectaban de
mayor manera las apariencias y texturas, por lo que algunos componentes quedaron a ser
valores constantes, por lo que la optimización se hizo más sencilla al existir un número
más pequeño de factores que en el DOE 1 (Tablas 19, 20, 21 y 22).
Una vez optimizada la formulación en base a las caracterizaciones del DOE1, se preparó la
pasta base óptima, obteniendo una pasta con una mejor apariencia, los resultados de los
análisis se presentan a continuación junto con los resultados del DOE 2 (tablas 23 y 24), el
cual involucra la pasta base óptima como testigo y la incorporación de los modificadores
reológicosa la prueba óptima del DOE anterior.
Tabla 23. Resultados DOE 2: pruebas 17, 18 y 19
Nivel de espuma
pH en disolución 10%
Humedad relativa (%)
Área (N.m)
Fuerza (N)
Platos lavados
Suavidad
Apariencia
Prueba óptima DOE 1
(Prueba 17)
Prueba 18
Prueba 19
Alto
10.5 – 11.5
1.5 – 2.5
6 – 10
0.02 – 0.05
400 – 500
√-
Medio
10.5 – 11.5
3–5
160 – 200
0.02 – 0.05
650 – 750
X
Pasta dura
Medio
10.5 – 11.5
1–3
100 – 400
0.01 – 0.05
1300 – 1500
X
Muy dura
Más suave
Tabla 24. Resultados DOE 2: pruebas 20, 21, 22 y 23
Nivel de espuma
pH en disolución 10%
Humedad relativa (%)
Área (N.m)
Fuerza (N)
Platos lavados
Suavidad
Apariencia
Prueba 20
Prueba 21
Prueba 22
Prueba 23
Alto
10.5 – 11.5
3–6
1 – 10
0.01 – 0.04
1300 – 1500
XX
Líquida
Alto
10.5 – 11.5
0.5 – 3
30 – 50
0.01 – 0.04
650 – 750
√
Pasta
Alto
10.5 – 11.5
1–3
5 – 15
0.01 – 0.04
550 – 650
√Muy pegajosa
Alto
10.5 – 11.5
1–3
40 – 60
0.01 – 0.04
600 – 700
√Pegajosa
62
Capítulo V Resultados
Tomando en cuenta los resultados obtenidos por el DOE 2, en comparación con el DOE 1,
se logró obtener unas pastas con una mejor apariencia, una variación de pH menor y una
humedad relativa más estable en la mayoría de las formulaciones. La primera diferencia
notoria entre las tablas del DOE 1 y las del DOE 2 es la eliminación de la medición de la
viscosidad, ya que las pastas del nuevo diseño a excepción de la prueba 20 no es un dato
significativo, ya que la aguja al penetrar la pasta genera un cilindro hueco y la medición se
realizaba sobre un hueco de aire, por lo que la medición era errónea. Teniendo en cuenta
que la pasta óptima del DOE 1 tenía un buen desempeño en general, los modificadores
reológicos ayudaron a darle más forma, apariencia y cuerpo a la pasta, gracias a ellos se
eliminaron los problemas de estratificación, la separación y la cristalización que se tenía
en las primeras pruebas.
La prueba 21 fue elegida como la pasta óptima, ya que cumplió con las pruebas de
desempeño, posee una apariencia agradable, es de fácil uso al lavar platos y es estable sin
cambios en el transcurso del tiempo.
Para poder observar una mejor comparación de los resultados de desempeño de platos,
además de algunas pruebas para el DOE 2, pasar al anexo A, donde se encuentran las
gráficas correspondientes a los DOE 1 y 2, así como la caracterización comercial utilizada
como base para definir los parámetros deseados.
Observaciones
Fue de vital importancia realizar las primeras pruebas con los 2 tipos de carbonatos
comerciales, ya que en un principio se pensó utilizar los carbonatos ligeros, más sin
embargo al trabajar con ellos, fue muy fácil descubrir que los carbonatos densos
brindaban una mejor estructura al producto; la prueba con carbonato ligero después de 2
semanas en lugar de endurecerse, se volvió una especie de lodo, en el cual se percibían
grumos, una separación de fases y ausencia de dureza; en cambio en la prueba con
carbonatos densos, la pasta se volvió más dura a las 2 semanas, pero se observó una alta
cristalización en la superficie debido a las reacciones exotérmicas presentes en la
formulación.
Dentro del primer diseño se encontró un grave problema al momento de adicionar los
carbonatos; al tratar de incorporarlos, la mezcla en el proceso se vuelve muy viscosa, o
incluso una masa muy pesada; por esto algunas de las formulaciones quedaron
estratificadas, debido a una mala incorporación de los materiales que provocaron
sedimentación de los componentes más pesados.
La incorporación de un modificador reológico a la fórmula constituyó una parte
fundamental para la realización de las pastas, debido a que se bajó el tiempo necesario
para la elaboración de las mismas y ayudó a la homogeneización de la mezcla; así mismo
eliminó grandes problemas de estratificación, coalescencia y cristalización.
Uno de los cambios más importantes que se apreciaron al momento de caracterizar todas
las pruebas fue la morfología de la burbuja creada por la agitación de una disolución de las
pastas, dentro del primer DOE, la espuma desaparecía muy rápido (en la mayoría de los
casos), los alveolos de la misma eran en su mayoría grandes; a partir de la prueba óptima
esto cambio, los alveolos eran más cerrados y duraban más tiempo en desaparecer.
63
Conclusiones
Conclusiones
Para realizar una formulación efectiva, es necesario recopilar primeramente una
búsqueda acerca del producto a fabricar para conocer las características fundamentales
de éste; por esta razón fue de vital importancia retomar conceptos básicos y realizar una
caracterización previa de pastas lava trastes comerciales; dado que no hay una
formulación genérica, se tomaron algunos de los ingredientes principales de cada una de
las pastas comerciales como base para la experimentación.
Dentro de la formulación fue muy importante efectuar diversas pruebas de
métodos de adición, cada método brindó características especiales a la pasta terminada
como un color más opaco, más claro, una apariencia másuniforme, alta presencia de
cristales, sedimentación de fases, entre otras, gracias a éstas pruebas se encontró un
método, el cual ayudó a obtener un producto con menos presencia de cristales, una color
más claro, una apariencia más homogénea y con mayor facilidad de mezclado en el
momento de la formulación.
El uso de los diseños de experimentos es una herramienta fundamental para
realizar y optimizar un producto con características específicas, ya que evita realizar el
método de ensayo y error, dado que el diseño de experimentos ahorra tiempo, pruebas y
dinero, factores que son muy importantes al momento de hacer una formulación. Para la
realización de la pasta, se utilizó un diseño de experimentos 27, sin embargo 128 es un
número bastante elevado de pruebas que requieren de mucho tiempo y dinero, por lo que
no era factible realizar todos los puntos del diseño; sin embargo, gracias al uso de Minitab
como herramienta de optimización estadística, se tomaron sólo algunos puntos clave del
diseño, los cuales permitieron obtener gran cantidad de información a partir de sólo 16
experimentos.
Es de gran utilidad usar dossoftwares especializados en diseño de experimentos,
cómo cada uno de ellos realiza la optimización de diferente manera y con algoritmos
diferentes, permitió la comparación entre los resultados y la modificación de algunos
parámetros, así mismo ayudo a disminuir el número de factores y con esto el número
mínimo de pruebas necesarias para un segundo diseño. La pasta base óptima tuvo un gran
desempeño y apariencia, más sin embargo, aún presentaba el problema de la
cristalización y una apariencia grumosa y pegajosa, por lo que los modificadores
reológicos seleccionados, deberían mejorar esos aspectos y aumentar algunas
características de desempeño.
64
Conclusiones
La inclusión de los modificadores reológicos no fue en todos los casos una mejora
excelente, ya que el modificador tipo carbómero le dio demasiada dureza al producto,
volviéndolo muy difícil de utilizar al momento de lavar platos con las fibras; en cambio los
otros dos modificadores le brindaron una apariencia agradable y fácil aplicación a la fibra
al momento de lavar trastes, teniendo este último un aspecto muy importante, ya que no
sirve de nada que la pasta sea una formulación excelente si no es fácil de usar.
Losobjetivosfueron cumplidos con la prueba 21, la pasta que presentó las mejores
características de todo el estudio.
65
Perspectivas
Perspectivas
En éste trabajo se buscó obtener un producto lava trastes que tuviera un buen
desempeño, buen nivel de espuma, apariencia agradable y la menor cristalización de los
materiales posible, sin embargo, debido al tiempo que se tuvo para la realización del
mismo no se comprobó el nivel de irritación que tiene el uso del producto, lo cual puede
ser un factor determinante al momento del empleo del mismo, ya que un producto que a
pesar de tener un excelente desempeño cause irritación, no es viable para el consumo, de
la misma manera se puede ampliar el estudio de la pasta lava trastes midiendo el nivel de
humectación o resequedad que causa al utilizarla.
En ninguna de las formulaciones se utilizó colorante y esto impacta en el aspecto del
producto; para complementar la formulación final de la pasta, se puede implementar el
uso de varios colorantes y colocar las muestras a estabilidad, para evitar que se pierda el
color o existan cambios de coloración muy notorios y de esta manera obtener un producto
eficaz y que además sea agradable para el consumidor.
Otro aspecto importante que se puede mejorar es la abrasión, al contener la formulación
una alta cantidad de carbonatos, éstos rayan y dañan la superficie de los trastes, haciendo
que pierda brillo y color; se podrían hacer combinaciones entre carbonatos densos y
ligeros con el fin de mejorar la solubilidad de los mismos y evitar un daño tan abrasivo de
la capa superficial de los platos, vasos, ollas y demás elementos empleados en la cocina.
66
Referencias
Referencias
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68
Anexo A – Tablas y figuras
Anexo A – Tablas y figuras
Caracterización previa
Para la caracterización de pastas comerciales, se utilizaron las siguientes pastas:
País de origen Número
de Pasta
México
Colombia
Colombia
Colombia
Colombia
Colombia
Colombia
Colombia
Colombia
Colombia
Ecuador
Ecuador
Ecuador
Ecuador
Guatemala
Guatemala
Guatemala
Guatemala
Brasil
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
1
2
3
4
1
Presentación
Lima limón
Avena y Aloe Vera
Agua Fresca
Aloe Vera y Rosas
Proteína de Leche y Almendras
Té Verde
Aloe y Manzanilla
Avena y Miel
Frutos Rojos
Canela
Verde
Rosa
Negro
Lemon
Limón
Verde
Frutos Rojos
Limón
Coco
69
Anexo A – Tablas y figuras
Gráfica pH vs Fuerza de penetración (N) de las pastas comerciales; el tamaño de la burbuja indica el
porcentaje de humedad relativa.
Gráfica de número de platos lavados de las pastas comerciales.
70
Anexo A – Tablas y figuras
Gráfica de espumas vs tiempo de las pastas comerciales; el valor de
e diámetro de burbuja es el valor
promedio.
71
Anexo A – Tablas y figuras
DOE 1
1800
1600
Desempeño de lavado de platos
DOE 1
1400
Número de platos lavados
1200
1000
800
600
400
200
0
Gráfica de número de platos lavados de las pruebas del DOE 1.
72
Anexo A – Tablas y figuras
DOE 2
Gráfica pH vs Fuerza de penetración (N) de las pruebas; el tamaño de la burbuja indica el porcentaje de
humedad relativa.
Gráfica de número de platos lavados de las pruebas del DOE 2.
73
Anexo A – Tablas y figuras
Espumas DOE 2
0.4000
Diámetro de burbuja (mm)
0.3500
0.3000
0.2500
0 Minutos
0.2000
5 Minutos
10 Minutos
0.1500
15 Minutos
0.1000
0.0500
0.0000
Prueba 17 Prueba 18 Prueba 19 Prueba 20 Prueba 21 Prueba 22 Prueba 23
Gráfica de espumas vs tiempo de las pruebas del DOE 2;el valor de diámetro de burbuja es el valor
promedio.
74
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
•
Determinación de penetrabilidad de pastas lava trastes.
•
Determinación de pH en disolución.
•
Determinación de humedad de pastas lava trastes
•
Determinación del diámetro de burbuja de la espuma de la pasta lava trastes
•
Prueba de desempeño de mini platos de pastas lava trastes
75
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
Determinación de penetrabilidad de pastas lava trastes.
Objetivo:
Determinar la fuerza necesaria para penetrar una pasta lava trastes con ayuda del
TA XT Plus.
Materiales y equipo:
•
•
•
•
•
Pasta lava trastes
Texturómetro TA XT Plus
Cono de 45° de metal para Texturómetro TA XT Plus
Agua desionizada
Papel
Procedimiento:
1.
2.
3.
4.
5.
Encender el Texturómetro TA XT Plus.
Encender el pc del Texturómetro TA XT Plus.
Seleccionar el cono y vástago y colocarlo en el Texturómetro.
Calibrar el peso, siguiendo las instrucciones del comando Calibration force.
Calibrar la sensibilidad del Texturómetro siguiendo las instrucciones del comando
Probeheight calibration.
6. Colocar la pasta a medir en la base del Texturómetro y centrar la punta del cono
con respecto a la pasta.
7. Realizar la medición mediante la rutina ya creada.
8. Una vez terminada la prueba limpie el cono con ayuda de papel y agua.
9. Exportar gráfica y analizarla con ayuda del macro.
10. Repetir pasos 6, 7, 8 y 9 con todas las pastas que desee medir.
11. Exportar los datos y gráficas.
12. Retirar cono y vástago del Texturómetro.
13. Apagar computadora y equipo.
76
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
Determinación de pH en disolución.
Objetivo:
Determinar el pH a una pasta lava trastes en una disolución al 10% peso.
Materiales y equipo:
• Pasta lava trastes
• Agua desionizada
• Vaso de precipitados de 250 ml de vidrio
• Agitador magnético
• Plato de calentamiento con agitación magnética
• Potenciómetro
• Balanza
• Espátula
Procedimiento:
1. Colocar el vaso de precipitados en la balanza.
2. Colocar dentro del vaso de precipitados el agitador magnético y tarar la balanza.
3. Agregar con ayuda de una espátula 10 g de la pasta lava trastes al vaso de
precipitados.
4. Adicionar agua desionizada hasta completar 100 g.
5. Retirar el vaso de precipitados de la balanza y colocar en el plato de
calentamiento.
6. Encender la agitación magnética poco a poco hasta que se forme un pequeño
vórtice en la solución.
7. Agitar la solución alrededor de 10 minutos.
8. Retirar poco a poco la agitación para evitar pérdidas de solución.
9. Retirar del plato de calentamiento y dejar reposar durante 10 minutos, o el tiempo
necesario para que la solución se estabilice.
10. Con ayuda del potenciómetro medir el pH de la solución.
77
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
•
Determinación de humedad de pastas lava trastes
Objetivo:
Determinar la humedad relativa existente en una pasta lava trastes con ayuda del
Medidor de humedad HR73.
Materiales y equipo:
•
•
•
•
•
Pasta lava trastes
Medidor de humedad HR73
Charola de aluminio
Espátula
Papel
Procedimiento:
1. Verificar que el medidor de humedad HR73 se encuentre perfectamente
balanceado, de no ser así ajustarlo.
2. Encender el medidor de humedad HR73.
3. Colocar el método de lectura y los criterios de desconexión adecuados.
4. Abrir el compartimiento del equipo y colocar la charola de aluminio vacía, a
continuación oprimir el botón para tarar el equipo.
5. Colocar de 0.2 a 0.4g de muestra (pasta lava trastes) en la charola de aluminio.
6. Presionar el botón destart para iniciar la medición.
7. Una vez terminada la medición, se abrirá el compartimiento del equipo, retirar la
charola de aluminio.
8. Desechar la muestra ya analizada de la charola y limpiarla perfectamente o utilizar
una nueva charola para la nueva medición.
9. Retirar los resultados que el equipo imprime en la parte superior.
10. Repetir pasos 4, 5, 6, 7, 8 y 9 con todas las pastas que desee medir.
11. Al finalizar cerrar el compartimiento del equipo y apagarlo.
Durante la medición es importante no recargarse en la mesa, no hacer movimientos
bruscos ni mover el equipo, ya que esto ocasionaría un error en la lectura y el equipo
interrumpe la medición.
78
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
•
Determinación del diámetro de burbuja de la espuma de la pasta lava trastes
Objetivo:
Determinar el diámetro promedio de burbuja a una disolución al 10% peso de las
pastas lava trastes.
Materiales y equipo:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pasta lava trastes
Agua desionizada
Vaso de precipitados de 250 ml de vidrio
Agitador magnético
Plato de calentamiento con agitación magnética
Balanza
Espátula
Cámara fotográfica
Cámara de luz
Depósito y base graduada
Computadora
Software ImageJ
1. Colocar el vaso de precipitados en la balanza.
2. Colocar dentro del vaso de precipitados el agitador magnético y tarar la balanza.
3. Agregar con ayuda de una espátula 10 g de la pasta lava trastes al vaso de
precipitados.
4. Adicionar agua desionizada hasta completar 100 g.
5. Retirar el vaso de precipitados de la balanza y colocar en el plato de
calentamiento.
6. Encender la agitación magnética poco a poco hasta que se forme un pequeño
vórtice en la solución.
7. Agitar la solución alrededor de 20 minutos.
8. Al momento de suspender la agitación, sumergir el depósito dentro de la solución
para que la espuma lo llene.
9. Una vez lleno el depósito limpiarlo con mucho cuidado de la parte exterior y
montarlo en la base graduada; dentro de la cámara de luz.
10. Con ayuda de la cámara fotográfica sacar 1 fotografía del depósito con la mejor
resolución posible a 0, 5, 10 y 15 minutos.
11. Recolectar las fotografías y pasarlas a la computadora.
12. Ejecutar el programa ImageJ.
79
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
13. Seleccionar la pestaña File y la opción Open, a continuación seleccionar y abrir la
imagen a utilizar.
14. Convertir la imagen a formato de 8 bit.
15. Seleccionar la pestaña analyze, seleccionar la opción Set Scale y darle clic, en la ventana
emergente dar clic en la opción Clic toRemoveScale, posteriormente dar clic en OK para
cerrar la ventana.
16. Con la ayuda de la herramienta línea recta, dibujar una línea recta de 1 unidad de medida
conocida (cm, mm, etc.).
17. Una vez dibujada la línea, volver a la opción Set Scale del menú Analyze, esta vez, en la
primer casilla, aparecerá un número, el cual indica los pixeles que abarca la línea, colocar
en la segunda casilla la cantidad que será utilizada como escala y en la cuarta casilla, la
unidad de longitud a usar (dependerá de la escala usada). Seguido de esto, dar clic en OK.
18. Una vez establecida la escala, dar clic en la herramienta selección rectángulo y seleccionar
el área que será analizada.
19. Dentro de la selección dar clic derecho y dar clic en la opción Duplicate, aparecerá una
nueva ventana pidiendo el nombre de la nueva ventana y posteriormente otra ventana
con el área seleccionada previamente.
20. Una vez aparezca la nueva ventana, aplicar la opciónBandpassFilter, ajustar los
parámetros necesarios y dar clic en OK.
21. Repetir el paso 16 en caso de ser necesario para observar mejor los alveolos.
22. Seleccionar la opción Threshold, con ayuda de la ventana emergente ajustar la imagen
para que los alveolos estén lo mejor marcados, lo más recomendable es usar el valor de
100 en la escala, sin embargo dependiendo el ruido y la claridad de la imagen manipular
por medio de las flechas de la barra inferior en la ventana Threshold.
23. Una vez ajustada, seleccionar Apply y cerrar la ventana Threshold.
24. Seleccionar la opción AnalyzeParticles…, seleccionar Masks(si se van a analizar partículas
sólidas, dar clic en BareOutlines y dar clic en OK.
25. Una vez analizada la imagen saldrá una nueva ventana, esta vez con la máscara de la
imagen y una tabla de resultados.
26. Para extraer los datos, basta dar clic derecho en la pestaña superior izquierda de la tabla
de resultados y dar clic en SelectAll, posteriormente dar de nuevo clic derecho y
seleccionar Copy.
27. Para manipular los datos, pegarlos en una hoja de cálculo y despejar la fórmula del área
del círculo para obtener el Radio, y duplicar ese resultado para obtener el diámetro de las
burbujas.
28. Por último para visualizar de mejor manera los resultados, se puede realizar un
Histograma de frecuencias por medio de un software especializado, para poder visualizar
de manera gráfica los resultados y algunos parámetros estadísticos.
80
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
•
Prueba de desempeño de mini platos de pastas lava trastes
Objetivo:
Determinar el número de platos lavados por pasta lava trastes.
Materiales y equipo:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pasta lava trastes
Agua desionizada
Vaso de precipitados de 250 ml de vidrio
Agitador magnético
Plato de calentamiento con agitación magnética
Balanza
Espátula
Manteca de puerco
Ácido oleico
Colorante rojo
Vidrios de reloj de 1 ½ y 1 pulgada de diámetro
Pinzas para crisol
Brocha de piel de camello
Pipeta Eppendorf de capacidad 10-1000μl
1ª parte:
1. Colocar el vaso de precipitados en la balanza.
2. Agregar la manteca de puerco y el ácido oleico.
3. Colocar el vaso de precipitados en el plato de calentamiento y aumentar la
temperatura hasta los 70° aproximadamente.
4. Adicionar el colorante rojo y agitar con una espátula para homogeneizar.
5. Colocar los vidrios de reloj limpios en una superficie plana.
6. Con ayuda de la pipeta Eppendorf agregar la mezcla caliente a los vidrios de reloj,
tratando de cubrir toda la superficie sin derramar la grasa.
7. Una vez todos los platos contengan la grasa, dejar reposar 12 horas.
2ª parte:
1. Colocar el vaso de precipitados en la balanza.
2. Colocar dentro del vaso de precipitados el agitador magnético y tarar la balanza.
3. Agregar con ayuda de una espátula 10 g de la pasta lava trastes al vaso de
precipitados.
81
Anexo B – Métodos de caracterización para pastas lava trastes
4. Adicionar agua desionizada hasta completar 100 g.
5. Retirar el vaso de precipitados de la balanza y colocar en el plato de
calentamiento.
6. Encender la agitación magnética poco a poco hasta que se forme un pequeño
vórtice en la solución.
7. Agitar la solución alrededor de 20 minutos.
8. Con ayuda de las pinzas sostener uno de los vidrios de reloj sobre el vaso de
precipitados con la espuma.
9. Tomar la brocha y sumergirla en la disolución de la pasta, a continuación con
movimientos firmes “tallar” los vidrios de reloj hasta remover toda la grasa,
enjuagando la brocha en la solución sin derramar nada.
10. Repetir los pasos 8 y 9 de la segunda parte hasta que la espuma se corte por
completo.
11. Contar el número y tipo de vidrio de reloj lavado y multiplicarlos por su respectivo
factor para encontrar el número de platos lavados.
82
Anexo C – Fotografías
Anexo C Fotografías
Prueba de penetrabilidad de las pastas
utilizando un Texturómetro TAXT Plus
Mecanismo de penetraciónde las pastas
lava trastes
Penetración de una pasta lava trastes
Pasta lava trastes penetrada por un como
de 60° de acero inoxidable
83
Anexo C – Fotografías
Espuma de una pasta lava trastes blanca
Espuma de una pasta lavatrastes verde
Fundición de manteca con ácido oleico
Grasa fundida con color rojo
Preparación de platos con grasa fundida
Platos con grasa fundida seca con solución
de pasta lava trastes
84
Anexo C – Fotografías
Uso de una brocha para lavar los platos
sucios
Lavado de platos sucios con la solución de
pasta lavatrastes
Lavado de platos con solución de pasta
lava trastes
Platos lavados con solución de pasta
lavatrastes, al lado derecho se puede
observar como la espuma fue cortada por la
grasa de los platos sucios
85