![\"Figura](\"https:\/\/www.christeyns.com\/wp-content\/uploads\/2020\/06\/Figura-1.jpg\")
<\/p>\nLa espuma es una de las im\u00e1genes m\u00e1s frecuentemente asociadas a los detergentes y a la limpieza en general. Cuando se utiliza un detergente, un jab\u00f3n o un champ\u00fa en el \u00e1mbito dom\u00e9stico, 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 producci\u00f3n de espuma es fundamentalmente un efecto secundario de la acci\u00f3n de los detergentes, aunque el m\u00e1s visible. En algunos casos, la producci\u00f3n de espuma ayuda al proceso de limpieza y lo potencia, mientras que, en otros casos, es necesario evitar su formaci\u00f3n. En este post hablaremos sobre el papel de la espuma en detergencia.<\/p>\n
La espuma puede existir en diferentes estados de la materia y se encuentra en casi todas partes, es casi imposible pasar un d\u00eda sin tener contacto con alg\u00fan tipo de espuma l\u00edquida o s\u00f3lida. Posee importantes caracter\u00edsticas mec\u00e1nicas, reol\u00f3gicas y de fricci\u00f3n que explican su amplio n\u00famero de usos en diferentes \u00e1reas de la industria.<\/p>\n
Por sus propiedades el\u00e1sticas y de fricci\u00f3n, 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 mec\u00e1nica razonablemente buena y resistencia al calor son necesarias para ser eficaz en la extinci\u00f3n de los incendios.<\/p>\n
La espuma en detergencia juega un papel muy importante. Es necesario que la cantidad de espuma generada sobre las superficies sea \u00f3ptima para lograr un rendimiento adecuado en todas sus aplicaciones. Por este motivo, el mercado dispone de detergentes con espumas de comportamientos diferentes. En lavander\u00eda, por ejemplo, son necesarias espumas que rompan r\u00e1pidamente mientras que para la limpieza de superficies verticales de la industria alimentaria o dom\u00e9stica es necesario un cierto poder de retenci\u00f3n de la espuma para garantizar su efecto.<\/p>\n
La RAE define la espuma como una masa de burbujas que se forman en la superficie de los l\u00edquidos y se adhieren entre s\u00ed con m\u00e1s o menos consistencia. Las espumas se caracterizan como secas o h\u00famedas en funci\u00f3n de la relaci\u00f3n entre el volumen de gas y el volumen de l\u00edquido. Las espumas son habitualmente secas, ya que este es el destino de la evoluci\u00f3n de la espuma h\u00fameda en la mayor\u00eda de los casos. Las espumas h\u00famedas son aglomerados de burbujas separadas entre s\u00ed por finas pel\u00edculas l\u00edquidas donde el volumen contenido de gas es peque\u00f1o (Bikermann, 1973). Cada burbuja est\u00e1 tan cerrada que no tiene canales llenos de gas que puedan conectarse entre las burbujas vecinas. Por tanto, las espumas h\u00famedas pueden considerarse sistemas en desequilibrio que evolucionan de forma espont\u00e1nea. En el caso del agua pura, las burbujas suelen estallar, pero en presencia de una concentraci\u00f3n suficientemente alta de tensioactivo, el l\u00edquido drena gradualmente y las superficies curvas de las burbujas se van transformando en celdas poli\u00e9dricas irregulares delimitadas por delgadas pel\u00edculas de jab\u00f3n 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 h\u00famedos a secos.<\/p>\n
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Figura 1: Representaci\u00f3n esquem\u00e1tica en 2D de una espuma h\u00fameda y seca con diferentes fracciones de volumen. (a) Espuma muy h\u00fameda no drenada con burbujas no interactivas; (b) espuma h\u00fameda parcialmente drenada con burbujas interactivas que causan deformaci\u00f3n; (c) un mayor drenaje hace que las l\u00e1minas se adelgacen e hinchen m\u00e1s en los bordes de la meseta. d) Por \u00faltimo, espuma bien drenada. Corresponde a una espuma seca donde la fase gaseosa queda atrapada en c\u00e9lulas poli\u00e9dricas separadas por finas pel\u00edculas con un grosor <100 nm. Fuente: Pugh, 2016.<\/span><\/p>\n Normalmente, la fracci\u00f3n l\u00edquida de una espuma se define por la relaci\u00f3n entre el volumen de l\u00edquido y el volumen total de la espuma. Las espumas acuosas contienen hasta un 95% de gas y un 5% de l\u00edquido, con la fase acuosa compuesta por un 99% de l\u00edquido mientras que el 1% restante suelen ser tensioactivos que modifican las superficies.<\/p>\n Los par\u00e1metros f\u00edsicos m\u00e1s importantes de las espumas son:<\/p>\n Adem\u00e1s, el contenido l\u00edquido y la geometr\u00eda de las burbujas se consideran par\u00e1metros importantes a tener en cuenta para comprender los fundamentos de su comportamiento. Se entiende como par\u00e1metros geom\u00e9tricos: el \u00e1rea de superficie, el tama\u00f1o de la burbuja y distribuci\u00f3n de tama\u00f1o, su forma o compactaci\u00f3n y su orden. Las espumas habitualmente est\u00e1n desordenadas y contienen una variedad de formas, mientras que las espumas ordenadas no son muy comunes.<\/p>\n Desde un punto de vista qu\u00edmico, es interesante conocer los mecanismos de estabilizaci\u00f3n\/desestabilizaci\u00f3n de las espumas y c\u00f3mo los materiales tensioactivos se ensamblan en las capas interfaciales de las espumas h\u00famedas.<\/p>\n Tanto la tensi\u00f3n superficial como la reolog\u00eda interfacial juegan un papel importante en la definici\u00f3n de las caracter\u00edsticas de la espuma y en su estructura general. Las espumas h\u00famedas 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 energ\u00eda o tensi\u00f3n. Por lo tanto, desde el punto de vista qu\u00edmico, es la cin\u00e9tica de adsorci\u00f3n y el tipo y cantidad de agente activo en la superficie del gas y el l\u00edquido interfacial los que juegan un papel fundamental en la generaci\u00f3n de espuma.<\/p>\n En la formaci\u00f3n de espumas pueden diferenciarse tres etapas que involucran varios mecanismos de producci\u00f3n y fen\u00f3menos f\u00edsico-qu\u00edmicos. La primera etapa corresponde a la propia generaci\u00f3n de la espuma y es aqu\u00ed donde los tensioactivos juegan un importante papel. En la segunda etapa ocurre la maduraci\u00f3n desde espuma h\u00fameda a seca y en la \u00faltima se dan los mecanismos de persistencia de esta espuma seca. De estas tres etapas, la primera de ellas ser\u00e1 la que defina el comportamiento final de la espuma y por tanto la m\u00e1s interesante en cuanto a su estudio.<\/p>\n Durante esta primera etapa, la presencia de un tensioactivo que entra en la interfase gas\/l\u00edquido provoca la reducci\u00f3n de la tensi\u00f3n superficial (disminuye la energ\u00eda interfacial) en relaci\u00f3n con la del l\u00edquido puro. Por ejemplo, el agua tiene una tensi\u00f3n superficial de 72,8 mN\/m a temperatura ambiente y baja a unos 35 mN\/m al a\u00f1adir un buen tensioactivo.<\/p>\n Los tensioactivos son mol\u00e9culas parcialmente solubles o anfif\u00edlicas. Est\u00e1n formados por una cola lipof\u00edlica (normalmente un hidrocarburo de cadena larga) y un grupo de cabeza hidr\u00f3fila compuesta de diferentes tipos de grupos polares. Se trata de dos entidades que se clasifican como hidr\u00f3fobas (grupo que evita el agua o repele el agua) e hidr\u00f3filas (grupo que prefiere el agua). Debido a esta diferencia de solubilidad en la misma mol\u00e9cula, los tensioactivos pueden adsorberse r\u00e1pidamente en la interfase aire\/agua.<\/p>\n El proceso de disminuci\u00f3n de la tensi\u00f3n superficial al incluir un tensioactivo en un l\u00edquido se logra por la acumulaci\u00f3n de los grupos hidrof\u00f3bicos en la interfase, formando enlaces de hidr\u00f3geno o enlaces dipolares con el agua, y esta es la base del mecanismo de actuaci\u00f3n 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 configuraci\u00f3n aumenta la naturaleza el\u00e1stica de la interfase y estabiliza la fina pel\u00edcula que encapsula las burbujas.<\/p>\n Al aumentar la concentraci\u00f3n de tensioactivo, las mol\u00e9culas de tensioactivo tienden a agruparse para formar estructuras m\u00e1s estables. En el caso m\u00e1s sencillo, se formar\u00e1 una micela esf\u00e9rica, y la concentraci\u00f3n de tensioactivo a la que ocurre esta transici\u00f3n se denomina \u00abconcentraci\u00f3n micelar cr\u00edtica\u00bb (CMC). Los cambios marcados en el comportamiento de la espuma, as\u00ed como los cambios en la conductividad el\u00e9ctrica, la tensi\u00f3n superficial, la turbidez y la absorci\u00f3n de colorantes org\u00e1nicos, se producen en la soluci\u00f3n por encima de la CMC.<\/p>\n En general, los tensioactivos con valores de CMC m\u00e1s bajos son espumantes m\u00e1s eficaces en concentraciones m\u00e1s bajas. Por lo tanto, los aditivos (inorg\u00e1nicos y org\u00e1nicos) que bajan el CMC act\u00faan como potenciadores de espuma. Por ejemplo, la adici\u00f3n de un electrolito inerte como el cloruro de sodio puede aumentar el car\u00e1cter espumante.<\/p>\n 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 tensi\u00f3n superficial final pr\u00e1cticamente no var\u00edan con la longitud de la cadena, pero el estado micela se alcanza a concentraciones m\u00e1s bajas (Figura 2).<\/p>\n Figura 2: Relaci\u00f3n entre la tensi\u00f3n superficial, concentraci\u00f3n y estructura micelar en soluciones acuosas de derivados de una serie de aminas de cadena larga, (bromuro de alquilmetilamonio). Fuente: Pugh, 2016.<\/span><\/p>\n Los principales tipos de tensioactivos se distinguen y caracterizan por los grupos que contienen la carga el\u00e9ctrica y pueden clasificarse en: i\u00f3nicos (ani\u00f3nicos o cati\u00f3nicos), no i\u00f3nicos y anfot\u00e9ricos, tal y como muestra la figura 3:<\/p>\n Figura 3: Estructuras representativas de los grupos principales de diferentes clases de tensioactivos; a) ejemplo de tensioactivos ani\u00f3nicos con su cabeza funcional cargada negativamente, b) los cati\u00f3nicos suelen tener estructuras aminas cuaternarias con carga positiva en el \u00e1tomo de nitr\u00f3geno; c) los anfot\u00e9ricos, presentan grupos de carga positiva y negativa y pueden actuar como ani\u00f3nicos o cati\u00f3nicos en funci\u00f3n del pH; y d) no i\u00f3nicos donde una parte de la cadena tiene propiedades hidr\u00f3filas mientras que el resto es hidrof\u00f3bica. Fuente: Pugh, 2016.<\/span><\/p>\n 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 fabricaci\u00f3n de detergentes. Es por tanto de vital importancia conocer el comportamiento de estos tipos de tensioactivos en funci\u00f3n del uso final que vaya a darse al detergente.<\/p>\n Alrededor del 30% del mercado actual de tensioactivos est\u00e1 compuesto por \u00e1cidos grasos y sus derivados y se obtienen mediante el proceso de saponificaci\u00f3n. El car\u00e1cter espumante de los \u00e1cidos grasos y sus sales depende, sobre todo, de su solubilidad en el agua y de las diferencias entre sus contraiones (K+<\/sup> y Na+<\/sup>). Como ejemplo, el estearato de sodio puro es demasiado insoluble para hacer espuma durante el lavado de manos, pero las sales de \u00e1cidos grasos de menor peso molecular son m\u00e1s solubles en agua y producen espumas aceptables.<\/p>\n Estudios cient\u00edficos 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 \u00e1cidos grasos de cadena alqu\u00edlica larga, se obtiene un m\u00e1ximo espumante correlacionado con un mayor empaquetamiento interfacial y con la reolog\u00eda de la superficie de la capa, tal y como muestra la figura 4:<\/p>\n Figura 4: Relaci\u00f3n entre la longitud de la cadena, el pKa y la altura inicial de la espuma de una serie de \u00e1cidos grasos. Fuente: Pugh, 2016.<\/span><\/p>\n En el caso de los tensioactivos ani\u00f3nicos, los formados por cadenas de mayor n\u00famero de carbonos generan mayor volumen de espuma debido al aumento de las fuerzas de cohesi\u00f3n de las mol\u00e9culas que favorecen la formaci\u00f3n de cavidades en la capa de espuma. Sin embargo, el efecto de la temperatura durante el uso de estos tensioactivos es cr\u00edtica ya que, por ejemplo, a 40 \u2070C las cadenas con 14 \u00e1tomos de carbono son las que generan mayor espuma, mientras que a 20 \u2070C son las de 12.<\/p>\n Para los tensioactivos no i\u00f3nicos, como los \u00f3xidos de polietileno, adem\u00e1s 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 reducci\u00f3n de drenaje de l\u00edquido que se produce al adherirse las micelas formadas a la pel\u00edcula.<\/p>\n El uso de tensioactivos cati\u00f3nicos es un caso<\/strong> particular, ya que suelen generar espumas pobres o moderadas comparados con el resto de tensioactivos mencionados, pero tienen la ventaja a\u00f1adida de tener propiedades biocidas. Y es por ello por lo que se emplean en la fabricaci\u00f3n de desinfectantes.<\/p>\n En general, uno de los factores m\u00e1s influyentes a la hora de generar espuma radica en la estructura y posici\u00f3n de los grupos hidrof\u00f3bicos e hidrof\u00edlicos dentro de la mol\u00e9cula de tensioactivo. El rendimiento espumante de los tensioactivos con estructuras claramente definidas puede resumirse de la siguiente manera (Rosen, 2012):<\/p>\n Al aplicar energ\u00eda mec\u00e1nica (mediante agitaci\u00f3n o inyecci\u00f3n de aire) a una soluci\u00f3n que contiene tensioactivos, se generan burbujas que se agrupan formando pel\u00edculas. Para conseguir una espuma consistente, es necesario que, una vez formada no desaparezca por verse sometida a situaciones de estr\u00e9s. La recuperaci\u00f3n de la geometr\u00eda de una espuma se produce a trav\u00e9s del mecanismo de Gibbs-Marangoni y la elasticidad superficial de la espuma juega un papel fundamental.<\/p>\n Tal y como muestra la Figura 5, al provocar una deformaci\u00f3n sobre una pel\u00edcula delgada se produce un aumento de la superficie debido a la curvatura generada, provocando un aumento de la tensi\u00f3n superficial y que la propia pel\u00edcula se vuelva m\u00e1s delgada. En ese momento, esa zona est\u00e1 sometida a la tensi\u00f3n el\u00e1stica definida por Gibbs, que necesita mantenerse estable para evitar una ruptura. Para compensar, se produce un aumento del flujo del l\u00edquido interfacial que devuelve la pel\u00edcula al estado original. Este efecto compensatorio se conoce como el efecto Marangoni.<\/p>\n Figura 5: Efecto de la elasticidad producido al provocar una situaci\u00f3n de estr\u00e9s sobre una pel\u00edcula delgada formada por una mezcla de aire, agua y tensioactivo. Fuente: Pugh, 2016.<\/span><\/p>\n 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.<\/p>\n 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 m\u00e1s sencilla. Adem\u00e1s, la espuma generada permite identificar qu\u00e9 partes est\u00e1n en contacto con la soluci\u00f3n detergente de forma sencilla, adem\u00e1s de servir como referencia para detectar cu\u00e1ndo la soluci\u00f3n 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.<\/p>\n En otros casos o procesos, la generaci\u00f3n de espuma puede suponer un problema (circuitos CIP o Cleaning in Place o m\u00e1quinas autom\u00e1ticas 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 peque\u00f1as modificaciones estructurales en las cadenas lineales de los tensioactivos de manera que diferencias en el ensamblaje y en la configuraci\u00f3n espacial de las mol\u00e9culas produzcan que la actividad espumante se reduzca al destruir la elasticidad de la pel\u00edcula de espuma. Asimismo, se pueden utilizar aditivos que rompan o minimicen la espuma generada durante el proceso de limpieza.<\/p>\n Como hemos visto, la producci\u00f3n de espuma es un proceso asociado al uso de detergentes durante la limpieza. En la obtenci\u00f3n de la espuma participan diversos procesos f\u00edsicos y qu\u00edmicos que influyen en el resultado final y en el efecto sobre la limpieza. Por esta raz\u00f3n, es importante conocer estos procesos para conseguir detergentes que consigan una limpieza y desinfecci\u00f3n \u00f3ptimas, con el objetivo de reducir tanto el tiempo empleado en la realizaci\u00f3n de estas tareas como el uso indebido de productos qu\u00edmicos.<\/p>\n Bibliograf\u00eda<\/strong><\/p>\n Bikermann, J. J. (1973). Foams<\/em>, Springer-Verlag, New York<\/p>\n Fuji, S., Nakamura, Y. (2017). Stimuli-Responsive Bubbles and Foams Stabilized<\/em> with Solid Particles. Langmuir, 33, 30, 7365.<\/p>\n 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<\/em> Interface Science, 256, 201\u2013207.<\/p>\n 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,<\/em> Langmuir, 16, 172\u2013177.<\/p>\n Rosen, M. S. (2012). Surface and Interfacial Phenomena<\/em>, John Wiley, New York.<\/p>\n Pugh.R.J. (2016) Bubble and Foam Chemistry<\/em>, Cambridge.<\/p>\n <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" La espuma es una de las im\u00e1genes m\u00e1s frecuentemente asociadas a los detergentes y a la limpieza en general. 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\nla estructural (como los reordenamientos que ocurren a medida que las burbujas se vuelven menos esf\u00e9ricas y m\u00e1s altas durante la transici\u00f3n de la espuma h\u00fameda a la seca).<\/li>\n<\/ul>\n![\"Figura](\"https:\/\/www.christeyns.com\/wp-content\/uploads\/2020\/06\/Figura2-2.jpg\")
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