Formación y caracterización de disolventes eutécticos profundos: aplicación a la extracción de moléculas de interés

Abstract

Tanto en la industria química como en la farmacéutica los disolventes desempeñan un papel fundamental, por lo que se suelen consumir en grandes cantidades, tanto en síntesis como en procesos de separación. Habitualmente, la mayor parte son compuestos orgánicos volátiles (COV), los cuales no son recomendables desde el punto de vista de los objetivos de desarrollo sostenible y de la química verde debido a que, en muchos casos, son tóxicos y altamente contaminantes debido a su alta volatilidad y que proceden de fuentes no renovables. Por este motivo, es necesario desarrollar nuevos disolventes con mejor perfil medioambiental, de salud y de seguridad, y que cumplan los requisitos de sostenibilidad tan necesarios en la actualidad. Un ejemplo de compuestos que cumplen estas características son los disolventes eutécticos profundos (DES), una generación emergente de fluidos muy prometedora para diversas aplicaciones industriales, incluyendo la separación de moléculas de interés. Se trata de mezclas formadas a partir de compuestos aceptores y dadores de enlaces de hidrógeno, cuyas principales características son poseer un punto de fusión inferior al de los componentes puros, una muy baja volatilidad, ser poco tóxicos y ser biocompatibles, entre otras. En función de la naturaleza de los compuestos de partida, podemos encontrar DES hidrofílicos e hidrofóbicos. Mientras que para los primeros se han llevado a cabo más estudios, apenas hay información disponible sobre los hidrofóbicos, que son indispensables para realizar extracciones líquidas de fases acuosas, como efluentes industriales y caldos de fermentación. Por ello, el objetivo de este trabajo, es la caracterización de nuevos DES hidrofóbicos basados en compuestos naturales, en concreto mentol y ácidos carboxílicos (ácido octanoico, ácido decanoico y ácido dodecanoico). Conocer las propiedades de los disolventes es fundamental para entender su comportamiento, desarrollar modelos termodinámicos de estimación de propiedades y diseñar nuevos procesos sostenibles basados en el uso de estas mezclas. En este trabajo se ha determinado la densidad y la viscosidad de los tres DES anteriormente mencionados en función de la temperatura y se han ajustado esos datos a distintas ecuaciones empíricas (por ejemplo, viscosidad: Arrhenius, VFT, mVFT y Litovitz), que serán de gran utilidad a la hora de implementar sus propiedades en programas de diseño y simulación de procesos. La densidad se midió en un rango de temperaturas comprendido entre 288,15 y 313,15 K a presión atmosférica. Los resultados obtenidos indican que los DES muestran una tendencia lineal a disminuir su densidad a medida que aumenta la temperatura, siendo menor cuanto mayor es la longitud de la cadena del ácido que forma el DES. Estos valores son inferiores y lo suficientemente distintos de la densidad del agua para permitir una sencilla separación de fases tras el proceso de extracción. A partir de estos valores de densidad se calcularon también los volúmenes molares y los coeficientes de expansión térmica para cada uno de los DES. En cuanto a la viscosidad, se midió a presión atmosférica en un rango de temperaturas comprendido entre 298,15 y 333,15 K. Los tres DES muestran una tendencia exponencial a disminuir su viscosidad a medida que aumenta la temperatura. Por otro lado, la viscosidad del DES es mayor cuanto más larga es la cadena del ácido que lo forma. Los valores obtenidos son menores que los de otros disolventes sostenibles propuestos en literatura, como los líquidos iónicos, con las ventajas que ello conlleva a nivel industrial. Para completar la caracterización, también se llevó a cabo un análisis termogravimétrico (TGA) para estudiar la estabilidad térmica de los tres DES y así poder determinar la temperatura máxima a la que se podrá trabajar sin peligro de descomposición. Se comprobó que los DES son térmicamente estables hasta temperaturas próximas a los 343,15 K sin peligro de que se degraden. Finalmente se realizó un estudio preliminar para evaluar la capacidad de los DES para extraer sustancias de interés de fases acuosas. En concreto, se han seleccionado el fenol (como contaminante modelo) y la penicilina (un antibiótico de amplio espectro y de uso habitual), alcanzándose porcentajes de extracción de hasta el 90 % para el fenol y de hasta el 60 % para el caso de la penicilina. Estos resultados ponen de manifiesto el prometedor potencial de los DES como alternativa a los disolventes tradicionales en el desarrollo de nuevos procesos de separación basados en la extracción líquida.