Tecnología de emulsiones verdes: caracterización reológica, microestructural y estabilidad física

Abstract

Esta tesis doctoral forma parte del proyecto de investigación “Caracterización Reológica y Estabilidad Física de Emulsiones Formuladas con Disolventes Verdes” (CTQ2011- 27371) financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) y la Comisión Europea (Programa FEDER). Esta tesis ha sido posible gracias a la financiación por parte del “Subprograma de Ayudas FPI” del Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO). Un objetivo prioritario de la química verde es desarrollar compuestos que sean menos dañinos medioambientalmente que los productos químicos a los que quiere reemplazar. Los disolventes orgánicos son uno de los principales residuos producidos en instalaciones industriales y académicas, ya que es usado como medio de reacción, en procesos de separación y como disolvente. Recientemente se ha producido un aumento del interés en los llamados disolventes verdes debido a la necesidad de reemplazar los disolventes orgánicos tradicionales por disolventes más beneficiosos o menos dañinos para el medioambiente. La N,N-dimetildecanamida está considerada como un biodisolvente seguro de acuerdo con la “Environmental Protection Agency”. El -pineno puede ser obtenido de aceites esenciales (enebro, romero, eucalipto) y oleorresinas de plantas como las coníferas. Este biodisolvente es completamente miscible con aceites e insoluble en agua. Estos compuestos son respetuosos con el medio ambiente y pueden ser usados para reemplazar a los disolventes orgánicos tradicionales. Además de los disolventes verdes, los tensioactivos verdes o respetuosos con el medio ambiente también han atraído la atención de los investigadores en los últimos tiempos. Los ésteres de glicerina polietoxilados son tensioactivos no iónicos que son considerados adecuados para el diseño de productos ecológicos debido al hecho de que son totalmente inocuos para la piel. y el pelo humanos. El carácter no polar de algunos disolventes orgánicos implica que estos compuestos no se pueden dispersar directamente en una fase acuosa, ya que la formación de una disolución homogénea es termodinámicamente desfavorable. Así, antes se debe convertir en una dispersión coloidal consistente en una fase oleosa dispersada en forma de pequeñas gotas en una fase acuosa. Los componentes hidrofóbicos, como los ingredientes activos o funcionales, se pueden incorporar en una gran variedad de sistemas coloidales. Estos sistemas son apropiados para aplicaciones en alimentos o productos agroquímicos, siendo las más comunes las emulsiones. De esta manera, las emulsiones aceite-en-agua consisten en gotas de aceite dispersas en agua. El interés en la obtención de emulsiones con tamaños de gotas submicrónicos ha incrementado mucho en los últimos tiempos debido a que las distribuciones con pequeño tamaño y la alta estabilidad física son aptas para sus aplicaciones en muchos campos como el cuidado personal, los productos agroquímicos o farmacéuticos. El principal objetivo de esta tesis ha sido la formulación de emulsiones aceite-en-agua ecológicas que reemplazan los disolventes orgánicos tradicionales por dos disolventes verdes, la N,N-dimetildecanamida y el -pineno. Los ésteres polietoxilados de glicerina han sido utilizados como agentes emulsionantes. Estas emulsiones pueden encontrar aplicaciones relacionadas con el diseño de sistemas biotecnológicos complejos con diferentes usos, como por ejemplo ser usadas como matrices para la incorporación de agentes agroquímicos activos. Esta tesis está formada por nueve capítulos. El primer capítulo introduce los conceptos fundamentales de la ciencia y tecnología de emulsiones así como el estado del arte en disolventes y tensioactivos verdes y los métodos de emulsificación más actuales. El segundo y tercer capítulo se dedica a la caracterización superficial e interfacial de dos tensioactivos verdes derivados del aceite de coco, Levenol® C-201 y Levenol® H&B. Las isotermas de presión interfacial y la reología dilatacional fueron obtenidas, permitiendo la extracción de información muy útil sobre la conformación y adsorción de estos emulsionantes en las interfaces aire/agua y -pineno/agua. También se caracterizaron las propiedades espumantes de las disoluciones acuosas de estos tensioactivos así como sus propiedades emulsionantes. El cuarto capítulo consiste en un estudio detallado de las propiedades reológicas de disoluciones de goma welan y goma rhamsan que contienen Levenol® C-201. Mediante la metodología de las superficies de respuesta, la influencia de la concentración de tensioactivo, la proporción rhamsan/welan y la concentración total de polisacárido fue investigada. En el capítulo cinco se estudió la influencia de la concentración total de goma y la proporción de gomas rhamsan y welan en las propiedades reológicas, las distribuciones de tamaño de gota y la estabilidad física de emulsiones ecológicas formuladas con - pineno y Levenol® C-201. El objetivo del sexto capítulo fue comparar tres métodos de emulsificación (dos sistemas rótor-estátor y un homogenizador de alta presión) para el desarrollo de emulsiones aceite en-agua con N,N-dimetildecanamida (Agnique AMD-10TM) como fase dispersa y Levenol® C-201 como agente emulsionante. En el séptimo capítulo se investiga la formulación de emulsiones con mezclas de disolventes, N,N-dimetildecanamida y -pineno. En primer lugar se encontró un óptimo en la proporción de los disolventes, que se corresponde con un 75% p/p de N,N-dimetildecanamida y un 25% p/p de -pineno. Posteriormente se estudió la influencia del método de emulsificación en las propiedades reológicas, estabilidad física y tamaños de gota. Se estudiaron cuatro métodos, dos sistemas rótorestátor y dos sistemas de alta presión, un homogenizador de válvula de presión y un Microfluidizer. El octavo capítulo consiste en un estudio detallado de la influencia de una variable clave en la formulación de emulsiones, la concentración total de tensioactivo. En el capítulo nueve, la influencia de reducir la cadena carbonada del disolvente, introduciendo N,N-dimetiloctanamida en lugar de N,N-dimetildecanamida fue estudiada. Finalmente, en el apartado de conclusiones se hace un resumen de las conclusiones más importantes de esta tesis.