Aplicación de técnicas de encapsulación para la incorporación de aditivos en la formulación de detergentes

Abstract

La industria de detergentes se enfrenta a unos estándares de calidad cada vez más rigurosos, caracterizados por mayores requisitos de eficacia en el lavado y una selectividad mejorada para la eliminación de suciedades específicas. Dentro de este contexto destaca cada vez más importancia a la sostenibilidad ambiental debido al uso masivo y continuo de los detergentes tanto en entornos domésticos como industriales. La integración de aditivos en las formulaciones se convierte en una estrategia crucial para conferir un valor añadido al producto. Sin embargo, muchos de los aditivos esenciales para mejorar las prestaciones de los detergentes son susceptibles a la inestabilidad, ya sea debido a estímulos físicos externos o a la incompatibilidad intrínseca con otros compuestos presentes en la formulación del detergente. En respuesta a estos desafíos, la utilización de las técnicas de encapsulación emerge como una herramienta clave para la protección de sustancias sensibles presentes en detergentes. Este enfoque innovador implica confinar estas sustancias en el interior de partículas sólidas, ofreciendo soluciones efectivas sin el empleo de altas cantidades de energía o disolventes orgánicos asociados con la formación de emulsiones para la creación de cápsulas. Este método no solo optimiza la eficiencia del proceso, sino que también demuestra ser más respetuoso con el medio ambiente. La encapsulación de aditivos en las formulaciones de detergentes presenta ventajas adicionales al permitir una liberación controlada de estos compuestos desde el interior de las cápsulas. Este control se logra mediante un estímulo externo, lo que posibilita una dosificación precisa en el momento oportuno durante el ciclo de lavado. Esta estrategia no solo mejora la estabilidad de los aditivos, sino que también contribuye significativamente a la sostenibilidad ambiental al evitar la liberación descontrolada de sustancias potencialmente perjudiciales. En conjunto, la encapsulación se presenta como una solución integral que combina eficacia técnica y consideraciones medioambientales en el desarrollo de detergentes avanzados. La presente Tesis Doctoral se divide seis partes bien diferenciadas. La puesta en contexto y problemática existente que genera la necesidad del desarrollo de este trabajo se presenta en la Introducción. Seguidamente se expone el objetivo general y los objetivos específicos para su consecución. En el apartado de Materiales se presentan los compuestos químicos empleados para los diferentes procedimientos seguidos. Tras esto, en el apartado de Metodología, se exponen las técnicas utilizadas, tanto para el modo de empleo de los equipos usados, como para la formación de las cápsulas, su caracterización, técnicas de recubrimiento y liberación, clasificadas según el material empleado para la formación de las cápsulas. De una forma similar, en el apartado de Discusión de Resultados, se presentan los resultados obtenidos, ordenados de la misma forma que en el apartado anterior y divididos en tres capítulos, en el primero se ensayan nanopartículas de sílice, en el segundo látex y en el tercero quitosano y goma arábiga. Por último, se presentan las principales conclusiones extraídas. De esta forma, el objetivo principal de la tesis es la optimización de diferentes metodologías para la formación de cápsulas de diferentes materiales para la incorporación de aditivos de interés para su inclusión en formulaciones detergentes. Para la consecución de este objetivo, se siguen una serie de objetivos específicos como explorar diferentes técnicas y materiales que reúnan todos los requisitos necesarios para la obtención de cápsulas capaces de retener diferentes aditivos y conseguir su liberación controlada, con la aplicación de recubrimientos que sean compatibles con el material de la pared de la cápsula y desempeñen una doble función; en primer lugar, proporcionar impermeabilización a la cápsula y, en segundo lugar, conferir propiedades antimicrobianas. Finalmente se trata de cuantificar la efectividad de la encapsulación, determinando la cantidad de encapsulado que se puede liberar desde el interior de las cápsulas. Como se ha explicado, tanto la metodología como los resultados de este trabajo, se presentan ordenados según el material coloidal utilizado para la estabilización de las emulsiones de Pickering y formación de las cápsulas. En primer lugar, se ensaya la capacidad de nanopartículas de sílice de distinta naturaleza para formar cápsulas a partir de emulsiones. En el caso de las Aerosil® A200, aunque se consigue la formación de las cápsulas, presentan una alta inestabilidad, por lo que se recurre al uso de nanopartículas de sílice Ludox®. El objetivo es llevar a cabo la encapsulación de un agente biocida como el Bronopol. En primera instancia se consigue obtener cápsulas porosas capaces de transportar el compuesto activo, pero sin retenerlo en su interior. Por ello, se lleva a cabo el estudio de la aplicación de recubrimientos de distinta naturaleza para conseguir la liberación controlada del biocida, alcanzando los mejores resultados con la utilización de quitosano para la formación de una película alrededor de las cápsulas de sílice Ludox®. El siguiente paso es el empleo de un polímero sintético como el látex para la formación de cápsulas con el objetivo de encapsular enzimas. Se lleva a cabo la síntesis de las nanopartículas partiendo de tres monómeros y se prueban dos métodos diferentes para la formación de coloidosomas. Tras comprobar la permeabilidad de las cápsulas en su ensayo por dilución, se requiere la formación de una capa de recubrimiento adicional para conseguir el sellado de éstas. La retención total del compuesto interno se consigue con la aplicación de recubrimientos metálicos de cobre y plata, quedando protegido el núcleo. Una vez provocada la liberación controlada mediante la ruptura de la pared de las cápsulas se consiguen altas eficacias de encapsulación. Por último, para la encapsulación de aceite esencial de orégano se emplean nanopartículas híbridas de quitosano y goma arábiga sintetizadas mediante la optimización de las condiciones en la que se lleva a cabo la coacervación compleja de los dos biopolímeros. Se llevan a cabo medidas del tamaño, ángulo de contacto y tensión interfacial de los complejos de quitosano y goma arábiga formados para facilitar la formación de emulsiones de Pickering que dan lugar a las cápsulas mediante secado por atomización en las mejores condiciones. También se evalúa el aceite contenido en el interior de las cápsulas mediante la diferencia entre el aceite extraído de la superficie de las cápsulas y, por otro lado, el aceite total presente en estas, mediante su disolución total en un medio ácido. El escenario óptimo se consigue usando las nanopartículas CS-GA 1- 2 a una concentración del 2%wt, logrando un ángulo de contacto de 89.1 grados, que es ideal para la formación de una emulsión de aceite en agua, obteniendo cápsulas de unos 2.5 μm, acompañadas de una eficacia de encapsulación del 60%. Un punto importante en la formulación de detergentes es la utilización de compuestos que permitan una alta biodegradabilidad para evitar la limitación de uso por unas normativas cada vez más restrictivas. Por ello, se lleva a cabo el estudio de la biodegradabilidad y efectos sobre el medio ambiente de todas las nanopartículas empleadas para la formación de cápsulas. Con esto, los datos de este estudio aportarán conocimientos fundamentales sobre las nanopartículas empleadas, y los resultados presentados serán útiles para futuras aplicaciones en formulaciones de detergentes respetuosos con el medio ambiente. En general, de los estudios llevados a cabo en la Tesis Doctoral se puede concluir que se ha conseguido optimizar las técnicas de producción de cápsulas con los diferentes materiales empleados, sílice, látex y quitosano y goma arábiga, para la inclusión de enzimas, un agente biocida y aceite esencial de orégano, respectivamente. Se ha conseguido, además, que, con el uso de la plata, el cobre y el quitosano como materiales formadores de la capa de recubrimiento de las cápsulas permite aprovechar también su capacidad antimicrobiana unido a la de estabilización.

The detergent industry faces increasingly stringent quality standards characterized by higher washing effectiveness requirements and improved selectivity for the removal of specific soils. Within this context, the importance of environmental sustainability is gaining prominence due to the widespread and continuous use of detergents in both domestic and industrial settings. The incorporation of additives into formulations becomes a crucial strategy to add value to the product. However, many of the essential additives to enhance detergent performance are susceptible to instability, either due to external physical stimuli or intrinsic incompatibility with other compounds present in the detergent formulation. In response to these challenges, the utilization of encapsulation techniques emerges as a key tool for protecting sensitive substances present in detergents. This innovative approach involves confining these substances within solid particles, offering effective solutions without the use of high amounts of energy or organic solvents associated with emulsion formation for capsule creation. This method not only optimizes process efficiency but also proves to be more environmentally friendly. Encapsulation of additives in detergent formulations presents additional advantages by allowing controlled release of these compounds from inside the capsules. This control is achieved through an external stimulus, enabling precise dosing at the opportune moment during the washing cycle. This strategy not only improves the stability of additives but also significantly contributes to environmental sustainability by avoiding uncontrolled release of potentially harmful substances. Overall, encapsulation emerges as a comprehensive solution that combines technical efficiency and environmental considerations in the development of advanced detergents. This Doctoral Thesis is divided into six well-defined parts. The introduction presents the contextualization and existing issues that generate the need for this work. Subsequently, the general objective and specific objectives for its achievement are outlined. The Materials section presents the chemical compounds used for different procedures. Following this, the Methodology section explains the techniques used for equipment usage, capsule formation, characterization, coating techniques, and release, classified according to the material used for capsule formation. Similarly, in the Results Discussion section, the obtained results are presented, organized in the same manner as the previous section and divided into three chapters: the first chapter tests silica nanoparticles, the second latex, and the third chitosan and Arabic gum. Finally, the main conclusions drawn are presented. The main objective of the thesis is the optimization of different methodologies for the formation of capsules using various materials to incorporate additives of interest for inclusion in detergent formulations. To achieve this objective, a series of specific objectives are followed, such as exploring different techniques and materials that meet all the necessary requirements for obtaining capsules capable of retaining different additives and achieving their controlled release. This includes applying coatings compatible with the capsule wall material, serving a dual function: providing waterproofing to the capsule and imparting antimicrobial properties. Finally, the effectiveness of encapsulation is quantified by determining the amount of encapsulated material that can be released from inside the capsules. As explained, both the methodology and the results of this work are presented in order according to the colloidal material used for stabilizing Pickering emulsions and capsule formation. Firstly, the ability of different types of silica nanoparticles to form capsules from emulsions is tested. In the case of Aerosil™ A200, although capsule formation is achieved, they exhibit high instability, leading to the utilization of Ludox™ silica nanoparticles. The objective is to encapsulate a biocide agent like Bronopol. Initially, porous capsules capable of transporting the active compound are obtained, but without retaining it inside. Hence, the study focuses on applying coatings of different natures to achieve controlled release of the biocide, achieving the best results using chitosan to form a film around the Ludox™ silica capsules. The next step involves the use of a synthetic polymer like latex for capsule formation with the aim of encapsulating enzymes. Nanoparticles synthesis is carried out using three monomers, and two different methods are tested for colloid formation. After confirming capsule permeability in dilution tests, additional coating layers are required to seal them. Total retention of the internal compound is achieved by applying copper and silver metallic coatings, protecting the core. Once controlled release is induced by rupturing the capsule walls, high encapsulation efficiencies are attained. The encapsulation of bioactive agents through the utilization of biodegradable nanoparticles is a topic of considerable scientific interest. In this study, microcapsules composed of chitosan (CS) and Arabic gum (GA) nanoparticles were synthesized, encapsulating oregano essential oil (OEO) through Pickering emulsions and subsequent spray drying. The optimization of hybrid chitosan and Arabic gum (CS–GA) nanoparticle formation was carried out via complex coacervation, followed by an assessment of their behavior during the formation of the emulsion. Measurements of the size, contact angle, and interfacial tension of the formed complexes were conducted to facilitate the development of Pickering emulsions for encapsulating the oil under the most favorable conditions. The chitosan–Arabic gum capsules were physically characterized using scanning electron microscopy and fitted to the Beerkan estimation of soil transfer (BEST) model to determine their size distribution. Finally, the OEO encapsulation efficiency was also determined. The optimum scenario was achieved with the CS–GA 1–2 capsules at a concentration of 2% wt, featuring a contact angle of 89.1 degrees, which is ideal for the formation of oil/water (O/W) emulsions. Capsules of approximately 2.5 μm were obtained, accompanied by an encapsulation efficiency of approximately 60%. An important point in detergent formulation is the utilization of compounds that allow high biodegradability to avoid limitations imposed by increasingly restrictive regulations. Therefore, a study on the biodegradability and environmental effects of all nanoparticles used for capsule formation is conducted. This study aims to provide fundamental insights into the employed nanoparticles, and the presented results will be valuable for future applications in environmentally friendly detergent formulations. Overall, from the studies conducted in the doctoral thesis, it can be concluded that the optimization of capsule production techniques has been achieved using various materials: silica, latex, chitosan, and Arabic gum for the inclusion of enzymes, a biocide agent, and oregano essential oil, respectively. Furthermore, it has been demonstrated that the use of silver, copper, and chitosan as capsule coating materials not only allows their antimicrobial capacity but also contributes to stabilization.