El papel de la espuma en detergencia

El papel de la espuma en detergencia

La espuma es una de las imágenes más frecuentemente asociadas a los detergentes y a la limpieza en general. Cuando se utiliza un detergente, un jabón o un champú en el ámbito doméstico, normalmente se espera que el producto produzca una espuma abundante y duradera, que inconscientemente se asocia a una mayor calidad del producto. Sin embargo, la producción de espuma es fundamentalmente un efecto secundario de la acción de los detergentes, aunque el más visible. En algunos casos, la producción de espuma ayuda al proceso de limpieza y lo potencia, mientras que, en otros casos, es necesario evitar su formación.

La espuma puede existir en diferentes estados de la materia y se encuentra en casi todas partes, es casi imposible pasar un día sin tener contacto con algún tipo de espuma líquida o sólida. Posee importantes características mecánicas, reológicas y de fricción que explican su amplio número de usos en diferentes áreas de la industria.

Por sus propiedades elásticas y de fricción, las espumas se utilizan en productos de higiene personal como espumas de afeitar o lociones corporales. Otro ejemplo es su uso como espumas antiincendios, donde una baja densidad, una resistencia mecánica razonablemente buena y resistencia al calor son necesarias para ser eficaz en la extinción de los incendios.

En el campo de la detergencia la espuma juega un papel muy importante. Es necesario que la cantidad de espuma generada sobre las superficies sea óptima para lograr un rendimiento adecuado en todas sus aplicaciones. Por este motivo, el mercado dispone de detergentes con espumas de comportamientos diferentes. En lavandería, por ejemplo, son necesarias espumas que rompan rápidamente mientras que para la limpieza de superficies verticales de la industria alimentaria o doméstica es necesario un cierto poder de retención de la espuma para garantizar su efecto.

La RAE define la espuma como una masa de burbujas que se forman en la superficie de los líquidos y se adhieren entre sí con más o menos consistencia. Las espumas se caracterizan como secas o húmedas en función de la relación entre el volumen de gas y el volumen de líquido. Las espumas son habitualmente secas, ya que este es el destino de la evolución de la espuma húmeda en la mayoría de los casos. Las espumas húmedas son aglomerados de burbujas separadas entre sí por finas películas líquidas donde el volumen contenido de gas es pequeño (Bikermann, 1973). Cada burbuja está tan cerrada que no tiene canales llenos de gas que puedan conectarse entre las burbujas vecinas. Por tanto, las espumas húmedas pueden considerarse sistemas en desequilibrio que evolucionan de forma espontánea. En el caso del agua pura, las burbujas suelen estallar, pero en presencia de una concentración suficientemente alta de tensioactivo, el líquido drena gradualmente y las superficies curvas de las burbujas se van transformando en celdas poliédricas irregulares delimitadas por delgadas películas de jabón con superficies de contacto casi planas. En la figura 1 se ilustran las transiciones en la estructura que se producen al pasar de sistemas de espuma húmedos a secos.

Figura 1: Representación esquemática en 2D de una espuma húmeda y seca con diferentes fracciones de volumen

Figura 1: Representación esquemática en 2D de una espuma húmeda y seca con diferentes fracciones de volumen. (a) Espuma muy húmeda no drenada con burbujas no interactivas; (b) espuma húmeda parcialmente drenada con burbujas interactivas que causan deformación; (c) un mayor drenaje hace que las láminas se adelgacen e hinchen más en los bordes de la meseta. d) Por último, espuma bien drenada. Corresponde a una espuma seca donde la fase gaseosa queda atrapada en células poliédricas separadas por finas películas con un grosor <100 nm. Fuente: Pugh, 2016.

Normalmente, la fracción líquida de una espuma se define por la relación entre el volumen de líquido y el volumen total de la espuma. Las espumas acuosas contienen hasta un 95% de gas y un 5% de líquido, con la fase acuosa compuesta por un 99% de líquido mientras que el 1% restante suelen ser tensioactivos que modifican las superficies.

Los parámetros físicos más importantes de las espumas son:

  • sus propiedades mecánicas,
  • la permeabilidad de la película,
  • la reológica (como la variación de la elasticidad con la fracción gaseosa) y
    la estructural (como los reordenamientos que ocurren a medida que las burbujas se vuelven menos esféricas y más altas durante la transición de la espuma húmeda a la seca).

Además, el contenido líquido y la geometría de las burbujas se consideran parámetros importantes a tener en cuenta para comprender los fundamentos de su comportamiento. Se entiende como parámetros geométricos: el área de superficie, el tamaño de la burbuja y distribución de tamaño, su forma o compactación y su orden. Las espumas habitualmente están desordenadas y contienen una variedad de formas, mientras que las espumas ordenadas no son muy comunes.

Desde un punto de vista químico, es interesante conocer los mecanismos de estabilización/desestabilización de las espumas y cómo los materiales tensioactivos se ensamblan en las capas interfaciales de las espumas húmedas.

Tanto la tensión superficial como la reología interfacial juegan un papel importante en la definición de las características de la espuma y en su estructura general. Las espumas húmedas pueden ser estabilizadas por una amplia gama de agentes tensioactivos de diferentes tipos que se adsorben en la interfase agua/aire y reducen la libre energía o tensión. Por lo tanto, desde el punto de vista químico, es la cinética de adsorción y el tipo y cantidad de agente activo en la superficie del gas y el líquido interfacial los que juegan un papel fundamental en la generación de espuma.

En la formación de espumas pueden diferenciarse tres etapas que involucran varios mecanismos de producción y fenómenos físico-químicos. La primera etapa corresponde a la propia generación de la espuma y es aquí donde los tensioactivos juegan un importante papel. En la segunda etapa ocurre la maduración desde espuma húmeda a seca y en la última se dan los mecanismos de persistencia de esta espuma seca. De estas tres etapas, la primera de ellas será la que defina el comportamiento final de la espuma y por tanto la más interesante en cuanto a su estudio.

Durante esta primera etapa, la presencia de un tensioactivo que entra en la interfase gas/líquido provoca la reducción de la tensión superficial (disminuye la energía interfacial) en relación con la del líquido puro. Por ejemplo, el agua tiene una tensión superficial de 72,8 mN/m a temperatura ambiente y baja a unos 35 mN/m al añadir un buen tensioactivo.

Los tensioactivos son moléculas parcialmente solubles o anfifílicas. Están formados por una cola lipofílica (normalmente un hidrocarburo de cadena larga) y un grupo de cabeza hidrófila compuesta de diferentes tipos de grupos polares. Se trata de dos entidades que se clasifican como hidrófobas (grupo que evita el agua o repele el agua) e hidrófilas (grupo que prefiere el agua). Debido a esta diferencia de solubilidad en la misma molécula, los tensioactivos pueden adsorberse rápidamente en la interfase aire/agua.

El proceso de disminución de la tensión superficial al incluir un tensioactivo en un líquido se logra por la acumulación de los grupos hidrofóbicos en la interfase, formando enlaces de hidrógeno o enlaces dipolares con el agua, y esta es la base del mecanismo de actuación de jabones y detergentes. Durante el proceso, se forman monocapas estructurales en la interfase, de modo que los grupos funcionales polares quedan menos expuestos al aire y disueltos en el agua. Esta configuración aumenta la naturaleza elástica de la interfase y estabiliza la fina película que encapsula las burbujas.

Al aumentar la concentración de tensioactivo, las moléculas de tensioactivo tienden a agruparse para formar estructuras más estables. En el caso más sencillo, se formará una micela esférica, y la concentración de tensioactivo a la que ocurre esta transición se denomina “concentración micelar crítica” (CMC). Los cambios marcados en el comportamiento de la espuma, así como los cambios en la conductividad eléctrica, la tensión superficial, la turbidez y la absorción de colorantes orgánicos, se producen en la solución por encima de la CMC.

En general, los tensioactivos con valores de CMC más bajos son espumantes más eficaces en concentraciones más bajas. Por lo tanto, los aditivos (inorgánicos y orgánicos) que bajan el CMC actúan como potenciadores de espuma. Por ejemplo, la adición de un electrolito inerte como el cloruro de sodio puede aumentar el carácter espumante.

En los tensioactivos, la CMC disminuye a medida que aumenta la longitud de la cadena hidrocarbonada. El ordenamiento que se alcanza y el valor de tensión superficial final prácticamente no varían con la longitud de la cadena, pero el estado micela se alcanza a concentraciones más bajas (Figura 2).

Figura 2. Relación entre la tensión superficial, concentración y estructura micelar en soluciones acuosas de derivadas de una serie de aminas de cadena larga

Figura 2: Relación entre la tensión superficial, concentración y estructura micelar en soluciones acuosas de derivados de una serie de aminas de cadena larga, (bromuro de alquilmetilamonio). Fuente: Pugh, 2016.

Los principales tipos de tensioactivos se distinguen y caracterizan por los grupos que contienen la carga eléctrica y pueden clasificarse en: iónicos (aniónicos o catiónicos), no iónicos y anfotéricos, tal y como muestra la figura 3:

Figura 3: Estructuras representativas de los grupos principales de diferentes clases de tensioactivos

Figura 3: Estructuras representativas de los grupos principales de diferentes clases de tensioactivos; a) ejemplo de tensioactivos aniónicos con su cabeza funcional cargada negativamente, b) los catiónicos suelen tener estructuras aminas cuaternarias con carga positiva en el átomo de nitrógeno; c) los anfotéricos, presentan grupos de carga positiva y negativa y pueden actuar como aniónicos o catiónicos en función del pH; y d) no iónicos donde una parte de la cadena tiene propiedades hidrófilas mientras que el resto es hidrofóbica. Fuente: Pugh, 2016.

Existen varios factores que afectan a la estabilidad de las espumas generadas por soluciones de tensioactivos y que dependen en gran medida del tipo de tensioactivo utilizado durante la fabricación de detergentes. Es por tanto de vital importancia conocer el comportamiento de estos tipos de tensioactivos en función del uso final que vaya a darse al detergente.

Alrededor del 30% del mercado actual de tensioactivos está compuesto por ácidos grasos y sus derivados y se obtienen mediante el proceso de saponificación. El carácter espumante de los ácidos grasos y sus sales depende, sobre todo, de su solubilidad en el agua y de las diferencias entre sus contraiones (K+ y Na+). Como ejemplo, el estearato de sodio puro es demasiado insoluble para hacer espuma durante el lavado de manos, pero las sales de ácidos grasos de menor peso molecular son más solubles en agua y producen espumas aceptables.

Estudios científicos publicados por Kanicky y sus colaboradores (Kanicky et al., 2002; Kanicky et al., 2000) demostraron que, al variar el pH de las soluciones de una serie de ácidos grasos de cadena alquílica larga, se obtiene un máximo espumante correlacionado con un mayor empaquetamiento interfacial y con la reología de la superficie de la capa, tal y como muestra la figura 4:

Figura 4: Relación entre la longitud de la cadena, el pKa y la altura inicial de la espuma de una serie de ácidos grasos. Fuente: Pugh, 2016.

Figura 4: Relación entre la longitud de la cadena, el pKa y la altura inicial de la espuma de una serie de ácidos grasos. Fuente: Pugh, 2016.

En el caso de los tensioactivos aniónicos, los formados por cadenas de mayor número de carbonos generan mayor volumen de espuma debido al aumento de las fuerzas de cohesión de las moléculas que favorecen la formación de cavidades en la capa de espuma. Sin embargo, el efecto de la temperatura durante el uso de estos tensioactivos es crítica ya que, por ejemplo, a 40 ⁰C las cadenas con 14 átomos de carbono son las que generan mayor espuma, mientras que a 20 ⁰C son las de 12.

Para los tensioactivos no iónicos, como los óxidos de polietileno, además de su estructura molecular, la influencia del punto de turbidez (cloud point) es determinante en la capacidad espumante. Normalmente, valores por encima de este punto generan menores rendimientos de espuma debido a la reducción de drenaje de líquido que se produce al adherirse las micelas formadas a la película.

El uso de tensioactivos catiónicos es un caso particular, ya que suelen generar espumas pobres o moderadas comparados con el resto de tensioactivos mencionados, pero tienen la ventaja añadida de tener propiedades biocidas. Y es por ello por lo que se emplean en la fabricación de desinfectantes.

En general, uno de los factores más influyentes a la hora de generar espuma radica en la estructura y posición de los grupos hidrofóbicos e hidrofílicos dentro de la molécula de tensioactivo. El rendimiento espumante de los tensioactivos con estructuras claramente definidas puede resumirse de la siguiente manera (Rosen, 2012):

  • El desplazamiento del grupo hidrófilo a una posición más central de la molécula del surfactante provoca un aumento de la CMC y una menor capacidad espumante.
  • Los tensioactivos de cadena altamente ramificada suelen dar menores alturas de espuma que las moléculas isoméricas de cadena lineal.
  • En el caso de los tensioactivos iónicos, las propiedades espumantes dependen del tamaño del contra-ión. En general, la presencia de contra-iones pequeños aumenta la altura inicial de la espuma y la estabilidad de la misma.

Al aplicar energía mecánica (mediante agitación o inyección de aire) a una solución que contiene tensioactivos, se generan burbujas que se agrupan formando películas. Para conseguir una espuma consistente, es necesario que, una vez formada no desaparezca por verse sometida a situaciones de estrés. La recuperación de la geometría de una espuma se produce a través del mecanismo de Gibbs-Marangoni y la elasticidad superficial de la espuma juega un papel fundamental.

Tal y como muestra la Figura 5, al provocar una deformación sobre una película delgada se produce un aumento de la superficie debido a la curvatura generada, provocando un aumento de la tensión superficial y que la propia película se vuelva más delgada. En ese momento, esa zona está sometida a la tensión elástica definida por Gibbs, que necesita mantenerse estable para evitar una ruptura. Para compensar, se produce un aumento del flujo del líquido interfacial que devuelve la película al estado original. Este efecto compensatorio se conoce como el efecto Marangoni.

Figura 5: Efecto de la elasticidad producido al provocar una situación de estrés sobre una película delgada formada por una mezcla de aire, agua y tensioactivo. Fuente: Pugh, 2016.

Figura 5: Efecto de la elasticidad producido al provocar una situación de estrés sobre una película delgada formada por una mezcla de aire, agua y tensioactivo. Fuente: Pugh, 2016.

Durante los procesos de limpieza habituales realizados en la industria alimentaria podemos encontrar situaciones en las que el uso de detergentes espumantes puede suponer una ventaja y otras en las que sea necesario emplear detergentes no espumantes o de espuma controlada.

Normalmente, para la limpieza de superficies abiertas suelen emplearse detergentes espumantes para mejorar la capacidad de penetrar en los residuos a eliminar. La espuma generada aumenta los tiempos de contacto entre el residuo y el detergente, permitiendo eliminar el residuo de una forma más sencilla. Además, la espuma generada permite identificar qué partes están en contacto con la solución detergente de forma sencilla, además de servir como referencia para detectar cuándo la solución no contiene detergente. Por el contrario, una espuma excesiva puede dificultar el enjuagado de las superficies y, en algunos casos, disminuir la cantidad de detergente en contacto con la superficie, ya que este se distribuye a lo largo de la capa externa de la burbuja.

En otros casos o procesos, la generación de espuma puede suponer un problema (circuitos CIP o Cleaning in Place o máquinas automáticas lavadoras) En este tipo de procesos de limpieza, es necesario el uso de detergentes que se hayan formulado a partir de tensioactivos que no generen espuma para evitar el uso de antiespumantes adicionales. Para ello, pueden realizarse pequeñas modificaciones estructurales en las cadenas lineales de los tensioactivos de manera que diferencias en el ensamblaje y en la configuración espacial de las moléculas produzcan que la actividad espumante se reduzca al destruir la elasticidad de la película de espuma. Asimismo, se pueden utilizar aditivos que rompan o minimicen la espuma generada durante el proceso de limpieza.

Como hemos visto, la producción de espuma es un proceso asociado al uso de detergentes durante la limpieza. En la obtención de la espuma participan diversos procesos físicos y químicos que influyen en el resultado final y en el efecto sobre la limpieza. Por esta razón, es importante conocer estos procesos para conseguir detergentes que consigan una limpieza y desinfección óptimas, con el objetivo de reducir tanto el tiempo empleado en la realización de estas tareas como el uso indebido de productos químicos.

Bibliografía

Bikermann, J. J. (1973). Foams, Springer-Verlag, New York

Fuji, S., Nakamura, Y. (2017). Stimuli-Responsive Bubbles and Foams Stabilized with Solid Particles. Langmuir, 33, 30, 7365.

Kanicky, J. R., Shah, D. O. (2002). Effect of Degree, Type and Position of Unsaturated Ion on the pKa of Long Chain Fatty Acids, Journal of Colloid Interface Science, 256, 201–207.

Kanicky, J. R., Poniatowski, A. F., Mehta, N. R., Shah, D. O. (2000). Cooperativity Among Molecules at Interfaces in Relation to Various Technological Processes; Effect of Chain Length on the pKa of Fatty Acid Salt Solutions, Langmuir, 16, 172–177.

Rosen, M. S. (2012). Surface and Interfacial Phenomena, John Wiley, New York.

Pugh.R.J. (2016) Bubble and Foam Chemistry, Cambridge.

 

Sobre el Autor
Celia López
Celia López Subdirectora de Innovación y Calidad Licenciada en Ciencias Químicas por la Universitat de València. Es responsable del área técnica y de desarrollo de productos, soluciones de higiene y soporte técnico para Producción y otras áreas de la compañía. Ha participado en numerosos proyectos de investigación para mejorar la seguridad alimentaria en las industrias alimentarias.

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