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MÓDULO I
“GENERALIDADES DE LA
QUÍMICA ANALÍTICA”
1.1 MÉTODOS DE ANÁLISIS QUÍMICO
El Análisis Químico es el conjunto de técnicas y procedimientos empleados para identificar y
cuantificar la composición química de una sustancia. Cuando el químico lleva a cabo un análisis
cualitativo, pretende identificar las sustancias de una muestra. En el análisis cuantitativo lo que se
busca es determinar la cantidad o concentración en que se encuentra una sustancia específica en
una muestra. Por ejemplo, averiguar si una muestra de sal contiene el elemento yodo sería un
análisis cualitativo, y medir el porcentaje en masa de yodo de esa muestra constituiría un análisis
cuantitativo.
La determinación de la composición química es fundamental en el comercio, en las legislaciones
y en muchos campos de la ciencia. Por ello, el análisis químico se diversifica en numerosas formas
especializadas.
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Los métodos químicos están basados en interacciones materia-materia, esto es, en reacciones
químicas. Estos métodos fueron durante un gran periodo de tiempo esencialmente empíricos,
implicando, en la mayoría de los casos, una gran destreza experimental. Actualmente se utilizan
conceptos, fenómenos, propiedades que han contribuido a aumentar y consolidar la base sobre la
que se asientan los antiguos métodos empíricos, así como a desarrollar otros nuevos.
Por otro lado, la revolución tecnológica e industrial, a la vez que plantea nuevos problemas, ha
impulsado el desarrollo de nuevos métodos, de forma que actualmente puede afirmarse que todas
las propiedades de la materia pueden utilizarse para el establecimiento de un método de análisis.
Surgen así una gran cantidad de métodos instrumentales, basados en interacciones materia-
energía, que emplean algún aparato distinto de la balanza y la bureta para realizar la medida y para
los cuales no es esencial el concurso de una reacción química.
1.1.1 CLÁSICOS
ANÁLISIS CUALITATIVO INORGÁNICO
El análisis cualitativo basado en el uso de reacciones químicas características llevadas a cabo con
un instrumental, en general, muy sencillo, se puede denominar Análisis Cualitativo Químico. El
análisis inorgánico centra sus actividad exclusivamente en la identificación de elementos o de
compuestos inorgánicos y excepcionalmente, de algunos orgánicos de carácter marcadamente
inorgánico, como los ácidos acético, oxálico, etc.
Los ensayos por vía seca pueden hacerse con la sustancia sólida, con o sin adición de reactivos
igualmente sólidos en general, y con la ayuda de un foco calorífico, en la mayor parte de los casos,
una llama de gas butano, propano o de gas de alumbrado, llama que puede ser reductora, debido al
C y CO originados si, durante la combustión, hay defecto de aire y oxidante cuando la combustión
se lleva a cabo en un exceso de éste.
La vía seca, tuvo una importancia extraordinaria en los inicios del análisis químico cualitativo
(siglos XVII y XVIII), especialmente en el análisis de minerales, ofrece hoy en día un considerable
número de ensayos sencillos rápidos y seguros que se utilizan de ordinario sólo como previos y
orientadores acerca de la naturaleza de la sustancia a investigar, por ejemplo, los ensayos de
coloración a la llama para metales alcalinos y para Ca, Sr y Ba.
Actividad 1: investiga las diferentes coloraciones a la llama de los metales alcalinos
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La vía húmeda ofrece una gama variada de ensayos analíticos para la determinación de iones
primordialmente, mediante la utilización de reactivos y marchas analíticas específicas para
determinar la presencia de ciertos cationes y aniones disueltos en muestras de interés.
Un ensayo de identificación es una manipulación de tipo químico, físico o fisicoquímico, durante
la cual se hace una observación que debe indicar la presencia o ausencia de una determinada especie
química. Un ensayo es positivo si indica presencia de la especie buscada, y negativo en caso
contrario.
El ensayo negativo indica que la especie buscada no está presente en la muestra, al menos al nivel
de concentración que es capaz de detectar el ensayo.
Se denomina marcha analítica a toda sistemática que permita separación e identificación de
especies químicas, agrupándolas por su comportamiento característico frente a algún disolvente o
algún reactivo.
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Actividad 2: Tomando en cuenta el ejemplo de arriba, esquematice el procedimiento,
describa los reactivos, la reacción, mencione datos sobre la especificidad, las interferencias y
la concentración límite en el ensayo de identificación de aniones Sulfato (𝑺𝑶𝟒−𝟐) en soluciones
problema vía húmeda.
ANÁLISIS CUALITATIVO ORGÁNICO
En el análisis cualitativo orgánico se busca identificar elementos o grupos funcionales que
integren la muestra, debido a la complejidad de muchas muestras orgánicas, es más complicado
sistematizar marchas analíticas. Sin embargo, el extraordinario éxito alcanzado por algunos
métodos instrumentales (espectroscopía y cromatografías) en la determinación estructural de
compuestos orgánicos, hace que cada día se apliquen más extensamente estos métodos con fines
típicamente analíticos.
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Actividad 3: Esquematice y describa brevemente el mecanismo de reacción de la formación
de 2,4-dinitrofenilhidrazonas para la identificación selectiva de aldehídos y cetonas que se
muestra arriba.
Actividad 4: Investigue si existen ensayos de identificación de alcoholes y de ser así,
describa brevemente los reactivos, mencione su especificidad, interferencias, y esquematice
el mecanismo de reacción de al menos uno de ellos.
ANÁLISIS CUANTITATIVO GRAVIMÉTRICO
El análisis gravimétrico se basa en la medida de la masa de un producto, mediante la cual se calcula
la cantidad de analito (la especie que se analiza) que hay en una muestra. Un análisis gravimétrico extremadamente cuidadoso, hecho por T.W. Richards y sus colaboradores
al principio del siglo XX, permitió determinar las masas atómicas de Ag, Cl y N con una exactitud
de seis cifras. Estos trabajos, que fueron merecedores del premio Nobel, permitieron la
determinación exacta de masas atómicas de muchos elementos.
Los procedimientos gravimétricos fueron la base de los análisis químicos de minerales y materiales
industriales en los siglos XVIII y XIX. Estos procedimientos son bastante tediosos, y actualmente
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no se suelen elegir de entrada. Sin embargo, cuando es aplicable, la gravimetría sigue siendo uno
de los métodos analíticos más exactos.
Actividad 5: Investigue el origen etimológico de Gravimetría
Actividad 6: Suponiendo que, un grupo de investigadores quisieran determinar el % de
humedad en diferentes muestras de suelo, de ciertas regiones del estado de Veracruz,
¿considera usted que podrían valerse del análisis gravimétrico como herramienta analítica?
Comparta sus ideas con sus compañeros y proponga el método gravimétrico más adecuado.
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ANÁLISIS CUANTITATIVO VOLUMÉTRICO
Se fundamenta en la cuantificación indirecta del analito, midiendo el volumen de una especie
valorante, que tiene como soporte una ecuación estequiométrica. Recibe el nombre debido al uso
de material volumétrico, como matraces aforados, pipetas volumétricas y buretas para trabajar con
volúmenes exactos.
La cuantificación se ejecuta midiendo el volumen desalojado de una disolución patrón de una
especie química de concentración exactamente conocida necesario para alcanzar el punto
estequiométrico de una reacción química, que se define como el punto de una valoración en el que
las cantidades de los reactivos son químicamente equivalentes.
Valoración: a una disolución que contiene al analito se le añaden incrementos de volumen de una
disolución del reactivo (valorante) hasta que la reacción se completa. A partir del volumen de
valorante consumido se puede calcular la cantidad de analito que hay en la disolución valorada.
Reactivo valorante: Reactivo que reacciona estequiométricamente con el analito.
Indicador: Es un compuesto con una propiedad física (normalmente color) que cambia
bruscamente cerca del punto de equivalencia. El cambio lo causa la desaparición dela analito o la
aparición del exceso de valorante.
Actividad 7: Investigue qué es una solución patrón y los métodos para prepararlas
Actividad 8: Se describe el procedimiento para determinar la acidez total en una muestra de
vinagre comercial y las regulaciones especifican 4g% aprox.
Procedimiento:
1) Pipetear 25 mL de vinagre en un matraz volumétrico de 100 mL. Diluir hasta la marca de aforo
y mezclar. Tomar una alícuota de 50 mL y colocar en matraz Erlenmeyer de 250 mL. 2) Agregar 2 gotas de indicador fenolftaleína. 3) Titular con NaOH hasta el primer vire permanente. Repetir la titulación con dos alícuotas
adicionales.
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Responda: a) En este problema ¿Cuál es la solución patrón? b) ¿Cuál es el color característico del viraje de la fenolftaleína? c) Indique en un esquema, el equipo y posicionamiento de cada sustancia en el ensayo.
Tipos de Valoraciones
Volumétricas
Titulaciones Ácido – Base
Titulaciones Redox
Titulaciones por formación de complejos
Titulaciones por precipitación
Actividad 9: Mencione brevemente un ejemplo aplicativo de cada tipo de titulación. Así como
también defina: a) Acidimetría.
b) Alcalimetría.
c) Yodometría.
d) Permanganimetría.
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1.1.1 INSTRUMENTALES
A principios del siglo XX, los químicos comenzaron a utilizar fenómenos distintos de los utilizados
en los métodos clásicos para resolver los problemas analíticos. Así, para el análisis cuantitativo de
una gran variedad de analitos inorgánicos, orgánicos y bioquímicos, se empezaron a utilizar las
medidas de sus propiedades físicas tales como la conductividad, el potencial de electrodo, la
absorción o emisión de luz, la relación masa/carga y la fluorescencia. Además en la separación de
mezclas complejas, técnicas cromatográficas y electroforéticas muy eficaces comenzaron
reemplazar a la destilación, extracción y precipitación como etapa previa a su determinación
cualitativa o cuantitativa. A estos métodos más modernos para la separación y determinación de
especies químicas se les conoce, en conjunto, como métodos instrumentales de análisis.
Muchos de los fenómenos en los que se fundamentan los métodos instrumentales se conocen desde
hace más de un siglo. Sin embargo, su aplicación por la mayor parte de los químicos se retrasó por
falta de una instrumentación sencilla y fiable. De hecho, el crecimiento de los métodos
instrumentales de análisis modernos ha ido paralelo al desarrollo de la industria electrónica en
informática.
PROPIEDADES QUÍMICAS Y FÍSICAS QUE SE EMPLEAN EN ANÁLISIS
INSTRUMENTAL
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INSTRUMENTO
Un instrumento para el análisis químico transforma la información relacionada con las propiedades
físicas o químicas del analito en información que pueda ser manipulada e interpretada por un ser
humano, por tanto, un instrumento analítico puede considerarse como un dispositivo de
comunicación entre el sistema objeto de estudio y el científico.
Para conseguir la información del analito deseada es necesario proporcionar un estímulo,
generalmente en forma de energía electromagnética, eléctrica, mecánica o nuclear. Dicho estímulo
provoca una respuesta del sistema objeto de estudio, en el cual la naturaleza y magnitud de la
misma se rigen por las leyes fundamentales de la Química y la Física.
La información resultante radica en el fenómeno que surge de la interacción del estímulo con el
analito. Un ejemplo habitual es el paso de una banda estrecha de longitudes de onda de luz visible
a través de una muestra para medir la capacidad de absorción del analito. Se determina la intensidad
de la luz antes y después de su interacción con la muestra y la relación entre ellas proporciona la
medida de la concentración del analito.
COMPONENTES DE UN INSTRUMENTO ANALÍTICO
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SENSIBILIDAD
En general se dice que la sensibilidad de un instrumento o de un método es una medida de su
capacidad de diferenciar pequeñas variaciones en la concentración del analito. Una desventaja de
la sensibilidad analítica es que generalmente depende de la concentración.
LÍMITE DE DETECCIÓN
La definición cualitativa más aceptada para el límite de detección es la mínima concentración o la
mínima masa de analito que se puede detectar para un nivel de confianza dado.
SELECTIVIDAD
La selectividad de un método analítico indica el grado de ausencia de interferencias con otras
especies que contiene la matriz de la muestra. Desafortunadamente ningún método analítico está
totalmente libre de estas interferencias.
CALIBRACIÓN
Los métodos instrumentales, requieren una calibración, proceso que relaciona la señal analítica
medida con la concentración del analito. Existen tres métodos frecuentes para la calibración; la
realización y el uso de una curva de calibrado, el método de la adición estándar y el método del
patrón interno.
Actividad 10: Describa de manera breve y sencilla los 3 métodos de calibración para
instrumentos analíticos.
MÉTODOS ESPECTROMÉTRICOS
Amplio grupo de métodos que se basan en las espectroscopías atómica y molecular. La
espectroscopía es un término general para la ciencia que trata de las distintas interacciones de la
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radiación con la materia. Históricamente, las interacciones de interés se producían entre la
radiación electromagnética y la materia, sin embargo, ahora este término se ha ampliado para
incluir las interacciones entre la materia y otras formas de energía. Ejemplos de ello son las ondas
acústicas y lo haces de partículas como iones o electrones. La espectrometría y los métodos
Espectrométricos hacen referencia a la medida de la intensidad de la radiación mediante un detector
fotoeléctrico o con otro tipo de dispositivo electrónico.
Los métodos más ampliamente utilizados son los relacionados con la radiación electromagnética,
que es energía que toma varias formas, de las cuales las más fácilmente reconocibles son la luz y
el calor radiante, sus manifestaciones más difícilmente reconocibles son los rayos gamma, los rayos
X, así como las radiaciones UV, microondas y de radiofrecuencia.
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
El espectro electromagnético abarca un intervalo enorme de longitudes de onda y de frecuencias.
De hecho el intervalo es tan grande que se necesita una escala logarítmica. La división de las
principales regiones espectrales se basan en los métodos que se precisan para generar y detectar las
diversas clases de radiación.
Obsérvese que la región visible del espectro percibido por el ojo humano es muy pequeña si se
compara con otras regiones espectrales. Hay que tener en cuenta también que los métodos
espectroquímicos que utilizan no solo la radiación visible sino también las radiaciones ultravioleta
e infrarroja, se denominan con frecuencia métodos ópticos, a pesar de que el ojo humano no es
sensible a los dos últimos tipos de radiación. Esta terminología algo ambigua surge de las muchas
características comunes de los instrumentos utilizados para las tres regiones espectrales y de las
similitudes que se observan en las interacciones de los tres tipos de radiación con la materia.
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Métodos Espectroscópicos generales basados en la radiación electromagnética.
ESPECTROMETRÍA UV-VIS
Se aplica principalmente a la absorción de la radiación electromagnética de la región de longitudes
de onda (λ) comprendida entre 190 y 800 nm.
La espectroscopía UV-Vis involucra la absorción de radiación visible y ultravioleta por una
molécula, causando la promoción de un electrón de un estado basal a un estado excitado. La espectroscopía de absorción molecular se basa en la medida de la transmitancia T o de la
absorbancia A de disoluciones que se encuentran en cubetas transparentes. Normalmente la
concentración de un analito absorbente está relacionada linealmente con la absorbancia.
Ley de Lambert-Beer.
Si se considera que se dispone de una fuente de radiación que hace llegar a la muestra un haz de
radiación, de longitud de onda previamente seleccionada, cuya potencia es P0, la muestra de
espesor b absorbe una parte de esa radiación incidente, de forma que la potencia del haz disminuye
después de atravesar la muestra siendo su nueva potencia P. El cociente entre la potencia de la
radiación que sale de la muestra y la de la que incidió sobre ella, se define como transmitancia:
T=P/P0.
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La transmitancia también puede expresarse en tanto por ciento, multiplicando el cociente anterior
por 100. Es más frecuente utilizar el concepto de absorbancia, o densidad óptica, que se define
como el logaritmo de la transmitancia cambiado de signo:
A = log (P0/P) = - log T
De acuerdo con estas expresiones, si la muestra no absorbe radiación, P y P0 coinciden, por lo tanto
A=0, y se transmite toda la radiación T=1 (100% de transmitancia). Si, en otro caso, se transmite
solo un 1% de radiación (T=0.01), P=P0/100, la absorción de radiación que ha tenido lugar
corresponde a A=2.
Al incidir radiación electromagnética visible sobre la materia puede ser totalmente absorbida o
totalmente reflejada. En el primer caso el objeto aparecerá de color negro y en el segundo de color
blanco. Puesto que nosotros percibimos los objetos por medio de la luz reflejada, si hacemos incidir
un haz de luz blanca (que contiene todas las longitudes de onda) sobre un objeto, éste absorberá
ciertas longitudes de onda y reflejará otras, siendo éstas últimas las responsables del color. Se dice
que este color (observado) es complementario del que se percibiría si la luz absorbida se pudiera
detectar. Dado que en la parte experimental de esta práctica las medidas van a realizarse con
espectrofotometría visible, es conveniente conocer para qué longitud de onda tiene cada color su
máxima absorción.
Para medir los valores de absorbancia y transmitancia de una disolución se utilizan
espectrofotómetros UV-Vis, que, como puede verse en la Figura 2, se componen de cinco
elementos principales:
● Una fuente de radiación que suele ser una lámpara de filamento de wolframio
● Un monocromador que permite seleccionar una longitud de onda determinada originando un
haz monocromático.
● Un recipiente para contener la muestra denominado cubeta fabricado con un material que
permite el paso de la radiación en la región del espectro de interés. Suelen ser de vidrio, plástico
o cuarzo. El espesor de la cubeta más habitual es 1 cm.
● Un detector que convierte la energía radiante en una señal eléctrica.
● Una pantalla de visualización.
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La absorbancia está relacionada con la concentración de la sustancia, c, por la ley de Lambert-Beer,
que se resume con la ecuación: A = ε b c , donde c se expresa en mol/L, b es la longitud del camino
óptico (anchura de la célula que contiene la disolución de la sustancia) y se expresa en cm, y ε es
la absortividad molar, propiedad característica de cada sustancia correspondiente a la cantidad de
radiación que absorbe a una longitud de onda determinada por unidad de concentración, siendo sus
unidades L mol-1 cm-1 (téngase en cuenta que la absorbancia no tiene unidades).
Para poder aplicar la ley de Lambert-Beer es necesario seleccionar previamente una longitud de
onda puesto que tanto A como ε varían con ella. Para ello se obtiene previamente el espectro de
absorción de la sustancia, que consiste en una representación de los valores de absorbancia frente
a la longitud de onda expresada en nanómetros (nm). Del espectro de absorción puede seleccionarse
el valor de longitud de onda para el cual la absorbancia es máxima.
λmax = 182 nm
Actividad 11: Investigue por lo menos 3 analitos que puedan ser determinados por
Espectrometría UV-Vis
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Actividad 12: ¿Qué tipo de moléculas pueden ser consideradas especies absorbentes en UV-
Vis?
ESPECTROMETRÍA IR
La región de estudio del infrarrojo del espectro abarca de 4000 – 660 cm−1, tanto desde el punto
de vista de las aplicaciones como de la instrumentación, es conveniente dividir el espectro IR en
tres regiones: cercano, medio y lejano.
La aparición en las últimas décadas, de espectrómetros de transformada de Fourier relativamente
baratos, ha aumentado notablemente el número y tipo de aplicaciones de la radiación de infrarrojo
fundamental o medio, mejorando la relación señal/ruido así como los límites de detección. Antes
de la aparición de estos instrumentos la región espectral del infrarrojo medio se utilizaba en su
mayor parte para el análisis orgánico cualitativo y la determinación estructural, teniendo como base
los espectros de absorción, ahora como contraste, se utiliza como método en el análisis cuantitativo
de muestras complejas, reflectancia total atenuada y reflectancia difusa, entre otras.
Los espectros de absorción, emisión y reflexión en el infrarrojo, de especies moleculares, se pueden
explicar asumiendo, que todos son el resultados de los distintos cambios vibracionales y
rotacionales de las moléculas. Identifica principalmente grupos funcionales.
Actividad 13: Defina con sus propias palabras, ¿qué es un grupo funcional?
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TIPOS DE BANDAS
• Absorciones fundamentales, son transiciones vibracionales desde el estado fundamental al
primer estado excitado. Dan lugar a las bandas de mayor intensidad.
• Sobretonos, son transiciones vibracionales desde el estado fundamental a estados excitados
superiores. Las frecuencias de absorción son 2ν, 3ν....Siendo ν la frecuencia de la absorción
fundamental.
• Bandas de combinación, resultan del acoplamiento de 2 bandas ν 1 y ν 2 para dar lugar a
una nueva banda de frecuencia νcomb =ν1+ν2
• Bandas de diferencia, , resultan del acoplamiento de 2 bandas ν1 y ν2 para dar lugar a una
nueva banda de frecuencia νcomb=ν1−ν2
• Resonancia de Fermi, resultan del acoplamiento de una banda de absorción fundamental
con un sobretono o una banda de combinación.
TIPOS DE VIBRACIONES MOLECULARES
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CAMBIOS EN EL DIPOLO DURANTE LAS VIBRACIONES Y ROTACIONES
La radiación en el infrarrojo no es lo suficientemente energética para producir la clase de
transiciones electrónicas que se dan cuando la radiación es ultravioleta, visible y de rayos X. La
absorción en el infrarrojo se limita así, en gran parte, a especies moleculares para las cuales existen
pequeñas diferencias de energía entre los distintos estados vibracionales y rotacionales.
Para absorber radiación en el infrarrojo, una molécula debe sufrir un cambio neto en el momento
dipolar como consecuencia de su movimiento de vibración o de rotación. Sólo en estas
circunstancias, el campo eléctrico alterno de la radiación puede interaccionar con una molécula, y
provocar cambios en la amplitud de alguno de sus movimientos.
Actividad 14: Investigue las diferencias más marcadas de los ensayos de IR en pastillas de
KBr en comparación con el ensayo espectroscópico en solución.
ESPECTROMETRÍA DE MASAS
De todas las herramientas analíticas disponibles en química, la espectrometría de masas es quizás
la de mayor aplicación, en el sentido de que ésta técnica es capaz de proporcionar información
acerca: de la composición elemental de las muestras, de la estructura de las moléculas inorgánicas,
orgánicas y biológicas; de la composición cualitativa y cuantitativa de mezclas complejas; de la
estructura y composición de superficies sólidas y de las relaciones isotópicas de átomos en las
muestras.
Lo que se obtiene a través de este ensayo es un patrón de fragmentación representado en un espectro
de masas como el siguiente
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Espectro de masas del Etilbenceno
Para obtener este espectro, se bombardea el vapor de Etilbenceno, con un haz de electrones que da
lugar a la pérdida de un electrón del analito y a la formación de un ión molecular M+ como se
muestra en la reacción:
La especie cargada es el ión molecular. Como indica el asterisco, el ión molecular es un ión radical
y tiene el mismo peso molecular que la molécula.
La colisión entre los electrones energéticos y las moléculas de analito, proporcionan en general a
estas, suficiente energía para dejarlas en estado excitado. Posteriormente se produce la relajación,
con frecuencia, mediante fragmentación de los iones moleculares, que dan lugar a iones de masas
más bajas. Por ejemplo en el caso del Etilbenceno es el pico de 91, que surge de la pérdida de un
grupo metilo. También se forman en menor cantidad, otros fragmentos más pequeños cargados
positivamente, estos después pasan por una rendija del espectrómetro de masas de acuerdo a su
relación masa/carga.
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Actividad 15: Investigue y repase los siguientes conceptos:
- Pico base
- Patrón de fragmentación - Isótopo - Contribuciones isotópicas
Responda: ¿Por qué a diferencia de los ensayos UV-Vis e IR, la espectrometría de masas no
puede ser llamada espectrofotometría?
ESPECTROSCOPÍA DE RMN
La espectroscopía de RMN, se basa en la medida de la absorción de la radiación electromagnética
en la región de las radiofrecuencias, aproximadamente de 4 a 900 MHz. En contraste con la
absorción ultravioleta, visible e infrarroja, en el proceso de absorción están implicados los núcleos
de los átomos en vez de los electrones exteriores. Además es necesario colocar el analito en un
intenso campo magnético, con el fin de que aparezcan los estados de energía de los núcleos que
hagan posible la absorción.
La espectroscopía de RMN es una de las técnicas más potentes de las que dispone el químico y el
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bioquímico para la elucidación de estructuras de las especies químicas, es también útil para
determinaciones cuantitativas.
En la actualidad se utilizan dos tipos generales de espectrómetros de RMN, de onda continua (CW)
y de impulsos, o de transformada de Fourier. Casi todos los equipos de RMN que se fabrican en la
actualidad, son del tipo de transformada de Fourier, y el uso de instrumentos de onda continua está
muy limitado a ensayos especiales como la determinación de hidrogenación en petróleo o la
determinación de agua en aceites y alimentos.
Actividad 16: Describa aquello que entiende por spin nuclear
Partícula en rotación en un campo magnético
En las medidas de RMN de impulsos o de transformada de Fourier, los núcleos que están en un
intenso campo magnético, se someten periódicamente a impulsos muy cortos de una intensa
radiación de radiofrecuencia. Cada impulso es en realidad un paquete de radiación de RF, este
paquete consta de muchos ciclos, la duración de los impulsos es por lo general de 10 µs y la
frecuencia de la radiación es del orden de 102 𝑎 103 MHz. El intervalo entre los impulsos T es, de
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ordinario, de uno a varios segundos. Durante el tiempo T los núcleos excitados al relajarse emiten
una señal de radiofrecuencia en el dominio del tiempo, que se denomina señal de caída libre de
inducción (FID).
Señal de la FID para el Dioxano en Carbono 13(a) Transformada de Fourier (b)
Actividad 17: Investigue y explique la teoría del desplazamiento químico.
Describa las diferencias entre la RMN de carbono y de protón.
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POTENCIOMETRÍA
Actividad 18: De acuerdo al tema desarrollado en el Módulo 1, anote el fundamento,
características del instrumento y principales aplicaciones analíticas de éste método
instrumental. Puede utilizar esquemas.
1.1.3 DE SEPARACIÓN
CROMATOGRAFÍAS
Son un conjunto importante de métodos, que permite a los científicos separar componentes
estrechamente relacionados en mezclas complejas, lo que muchas veces resulta imposible por otros
medios. En todas las separaciones cromatográficas, la muestra se desplaza con una fase móvil, que
puede ser un gas o un líquido. Esta fase móvil se hace pasar a través de una fase estacionaria con
la que es inmiscible, y que se fija a una columna o a una superficie sólida. Las dos fases se eligen
de tal forma, que los componentes de la muestra se distribuyan de modo distinto entre la fase móvil
y la fase estacionaria.
Aquellos componentes que son fuertemente retenidos por la fase estacionaria se mueven
lentamente con el flujo de la fase móvil; por el contrario, los componentes que se unen débilmente
a la fase estacionaria, se mueven con rapidez. Como consecuencia de la distinta movilidad, los
componentes de la muestra se separan en bandas o zonas discretas que pueden analizarse cualitativa
y/o cuantitativamente.
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Ejemplo de C.C.F. de muestras de
extractos de hojas de arce y de tilo.
Ejemplo de Cromatografía en Columna
generalmente usada para purificaciones.
1.1.2 DESARROLLO DE MÉTODOS ANALÍTICOS
El desarrollo adecuado de un método analítico antecede y garantiza una validación exitosa de
métodos analíticos.
ETAPAS:
1. Búsqueda Bibliográfica
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2. Definir las condiciones ¿Qué condiciones?
3. Estandarizar el método, encontrar condiciones óptimas
El método debe ser práctico (tiempo, recursos) e idóneo (preciso, exacto)
Para validar se deben clasificar los métodos en torno a su naturaleza:
a) De cuantificación.
b) De determinación de impurezas.
c) De identidad.
d) Pruebas límite.
e)
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1.2 MÉTODOS DE CUANTIFICACIÓN
Son todos aquellos que me permiten a mí, como analista determinar cuánto o en qué proporción
tengo un analito en una muestra determinada.
Las etapas para desarrollar un método analítico de cuantificación en general son:
1. Elección del método.
2. Obtención de una muestra representativa.
3. Preparación de la muestra.
4. Definición de las repeticiones.
5. Disolución de las muestras.
6. Eliminación de interferencias.
7. Medición de la propiedad del analito.
8. Cálculo de los resultados
9. Evaluación de la confiabilidad de los resultados.
1.3 MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DE IMPUREZAS
El concepto de pureza cambia con el tiempo junto con los avances de la química analítica. Si de un
material que previamente se consideraba puro pueden separarse más de un componente, deben
redefinirse nuevos términos de pureza.
Con respecto a la FEUM
Se describen algunos MGA que están relacionados con la determinación de impurezas.
IMPUREZAS
ORGÁNICAS
IDENTIFICADASNO
IDENTIFICADAS
INORGÁNICASDISOLVENTES RESIDUALES
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MGA0361 Espectrofotometría Visible y Ultravioleta. Actualizada 10ª Edición
(2011)
MGA0312 Electroforesis Capilar. Incluida 10ª Edición (2011)
MGA0365 Espectrometría de Masas. Incluida 11ª Edición (2014)
MGA 0331 Espectroscopia atómica. Actualizada 11ª Edición (2014)
MGA0731 Polarografía. Actualizada Suplemento 2016
MGA0311 Electroforesis. Actualizada. 12ª Edición 2018
MGA0241 Cromatografía y MGA0351 Espectrofotometría de infrarrojo.
Actualizada 12ª Edición 2018
MGA0550 Determinación de disolventes residuales. Actualizada 12ª Edición
2018
Actividad 19: Busca las definiciones farmacopeicas de:
Impureza
Perfil de impurezas
1.4 MÉTODOS INSTRUMENTALES DE SEPARACIÓN
1.4.1 HPLC Y GC
CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS DE ALTA RESOLUCIÓN (HPLC).
Es la técnica analítica de separación más ampliamente utilizada, las razones son la sensibilidad, su
fácil adaptación a las determinaciones cuantitativas exactas, es ideal para la separación de especies
no volátiles o termolábiles y por su gran aplicabilidad a sustancias que son de interés en la industria.
Algunos ejemplos son: aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, hidrocarburos, carbohidratos,
fármacos, terpenoides, plaguicidas, antibióticos, esteroides, especies organometálicas y gran
variedad de sustancias inorgánicas.
La fase móvil es un líquido y la fase estacionaria es una columna que puede ser de acero inoxidable.
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Esquema general de un equipo de HPLC
Actividad 20: Defina.
- Cromatograma.
- Tiempo de retención. - Fracción cromatográfica.
CROMATOGRAFÍA DE GASES
En cromatografía de gases (GC), la muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de una columna
cromatográfica. La elución se produce por el flujo de una fase móvil de un gas inerte. A diferencia
de las otras cromatografías, la fase móvil no interacciona con las moléculas del analito; su única
función es la de transportar el analito a través de la columna. Existen 2 tipos de cromatografía de
gases: gas-sólido (GSC) y gas-líquido (GLC).
La cromatografía gas-líquido, es la más conocida y tiene gran aplicación en todos los campos de la
ciencia y su denominación se abrevia normalmente como cromatografía de gases (GC).
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Se basa en la distribución del analito entre una fase móvil gaseosa y una fase líquida inmovilizada
sobre la superficie de un sólido inerte. En 1955 aparece el primer aparato comercial para
cromatografía gas-líquido, desde entonces las aplicaciones de esta técnica han crecido de una forma
espectacular.
Los gases utilizados deben ser inertes, se mencionan el helio, el nitrógeno y el hidrógeno.
Representación esquemática de un Cromatógrafo de gases
1.4.2 SISTEMAS ACOPLADOS
Generalmente cuando se habla de cromatografía, se habla de procesos de separación de
compuestos, pero el equipo cromatográfico por sí solo no nos proporciona información sobre las
moléculas que están presentes en la muestra. Para eso hacemos uso de métodos Espectrométricos,
y junto al método de cromatografía, conforman un sistema acoplado.
Ejemplo:
Cromatografía de HPLC acoplado a E.M.
Cromatografía de Gases acoplado a UV-Vis.
31
Actividad 21: Investigue más ejemplos de Sistemas Acoplados y la importancia de éstos
sistemas en química analítica.
1.5 ESTADÍSTICA PARA QUÍMICA ANALÍTICA
1.5.1 INCERTIDUMBRE
Todo resultado derivado de una medición está acompañado de un error o incertidumbre, dado que
no se pueden efectuar medidas libres de errores, lo que se hace es minimizarlos y estimar su tamaño
con una precisión aceptable. Existen tres tipos de errores asociados con una medida experimental:
Errores crasos o accidentales.
Errores sistemáticos o determinados.
Errores aleatorios o indeterminados.
Se define incertidumbre como “una estimación unida al resultado de un ensayo que caracteriza el
intervalo de valores dentro de los cuales se afirma que el valor está verdadero”.
El concepto de incertidumbre refleja, duda acerca de la veracidad del resultado obtenido una vez
que se han evaluado todas las posibles fuentes de error y que se han aplicado las correcciones
oportunas. Por lo tanto la incertidumbre nos da una idea de la calidad del resultado ya que nos
muestra un intervalo alrededor del valor estimado dentro del cual se encuentran el valor
considerado verdadero.
Actividad 22: Investigue fuentes de incertidumbre típicas.
32
1.5.2 VALIDACIÓN DE MÉTODOS
La validación de un método analítico es el proceso por el cual se establece, mediante estudios de
laboratorio, que las características de desempeño del método cumplen con los requisitos para las
aplicaciones analíticas previstas. Demostrando que es apto para el propósito indicado.
Características analíticas:
Especificidad
Linealidad
Límite de Detección
Límite de Cuantificación
Precisión
Exactitud
Actividad 22: Comente por qué es importante validar métodos analíticos
33
1.6 ESPECTROSCOPÍAS Y CORMATOGRAFÍA
EJERCICIOS EN EL DESARROLLO DEL TEMA
Actividad 23: Resuelva
34
35
36
37
38
Actividad 24: Investiga 1 ejemplo de aplicación de la espectroscopía en la fisicoquímica y 1
ejemplo de aplicación a la industria farmacéutica.
39
MODULO II
“QUÍMICA
FARMACOBIOLÓGICA”
2.1. FISICOQUÍMICA.
Es la parte de la química que estudia las propiedades físicas y estructuras de la materia, las leyes
de la interacción química y las teorías que las gobiernan. La fisicoquímica recaba primero todos
los datos necesarios para la definición de los gases, líquidos, sólidos, soluciones y dispersiones
coloidales a fin de sistematizarlos en leyes y darles un fundamento teórico. Luego se establecen las
relaciones de energía en las transformaciones físicas y químicas y se tratan de predecir con que
magnitud y que velocidad se producen, determinándose cuantitativamente los factores reguladores.
En este estudio deben tomarse en cuenta las variables comunes como la temperatura, presión y
concentración, sino además los efectos de la interacción estrecha de la materia misma en cuanto a
su naturaleza y estructura.
2.1.1. QUÍMICA INORGÁNICA.
Es la rama de la química que estudia las propiedades, estructura y reactividad de los compuestos
inorgánicos. Este campo la química abarca todos los compuestos químicos descontando los que
tienen enlaces carbono – hidrógeno, que son objeto de estudio por la parte de la química orgánica.
La parte más importante de los compuestos inorgánicos se forman por combinación de cationes y
aniones unidos por enlaces iónicos. La facilidad con la que se forma un compuesto iónico depende
del potencial de ionización (para el catión) y de la afinidad electrónica (para el anión) de los
elementos que generan los iones respectivos.
De acuerdo con la estructura de cada compuesto inorgánico, es posible dividir en: Binarios, que
incluyen los anhidros, hidruros metálicos, hidrácidos, sales volátiles, óxidos metálicos, peróxidos
hidruros volátiles y sales neutras, Ternarios, donde encontramos oxiácidos, hidróxidos y oxisales.
Nomenclatura.
- Nomenclatura sistemática: se utilizan prefijos numerales griegos hasta doce, y de trece en adelante
números árabes: mono, di, tri, tetra, penta, hepta, octa, enea, deca, endeca, duodeca, 13, 14, etc.
Ejemplos:
𝐹𝑒𝐶𝑙3= tricloruro de hierro.
𝐶𝑎𝐵𝑟2= dibromuro de calcio.
𝐶𝑙2𝑂5= pentaoxido de dicloruro.
40
- Nomenclatura de Stock: se le coloca la valencia o número de oxidación en números romanos,
entre paréntesis, a continuación del nombre del elemento. Cuando sea necesario se utiliza el número
árabe 0. Si la valencia es constante no es necesario indicarla.
𝐹𝑒𝐶𝑙3= cloruro de hierro (III).
𝐶𝑎𝐵𝑟2= bromuro de calcio (II).
𝐶𝑙2𝑂5= pentaoxido (V) de calcio.
𝑁𝑎4〔 𝑁𝑖 (𝐶𝑁)4〕= tetracianoniccolato (0) de sodio.
- Nomenclatura tradicional: es el sistema más antiguo y consiste en designar el estado de mayor
valencia por la terminación ico y el de menor valencia mediante la terminación oso; cuando existe
un solo número de valencia puede emplearse la terminación ico. La I.U.P.A.C. ha desaconsejado
su utilización, pues es confusa cuando el elemento tiene más de dos valencias, no es aplicable a los
compuestos de coordinación y exige recordar todas las valencias. Por tradición se sigue utilizando,
pero es conveniente abandonarla.
𝐹𝑒𝐶𝑙3= cloruro férrico.
𝐶𝑎𝐵𝑟2= bromuro cálcico.
𝐶𝑙2𝑂5= anhídrido clórico.
𝑆𝑛𝑆𝑂4= sulfato estañoso.
ACTIVIDAD 1.- Nombre los siguientes compuestos mediante las tres nomenclaturas.
a) 𝑆𝑛𝐻2
b) 𝑃𝑏𝐻4
c) 𝑁𝑎𝐻
2.1.2. EQUILIBRIO QUÍMICO.
Existen dos tipos de equilibrio material: equilibrio de fases y equilibrio químico. Un equilibrio de
fases implica las mismas sustancias químicas presentes en diferentes fases, un equilibro químico
implica diferentes especies químicas que pueden estar o no estar en la misma fase.
En el caso de una reacción química como:
A + B ↔ C + D
41
Las sustancias A y B reaccionan a una velocidad 𝑣1 para formar los productos C y D, pero éstos a
su vez reaccionan a una velocidad 𝑣2 para producir A y B. Se llega al equilibro en el momento en
que 𝑣1 es igual a 𝑣2.
ACTIVIDAD 2.- Defina reactivos, productos y estado de equilibrio.
2.2. MICROBIOLOGÍA Y QUÍMICA.
La sociedad humana se beneficia de los microorganismos de distintas maneras, estos son necesarios
para la elaboración de pan, queso, cerveza, antibióticos, vacunas, vitaminas, enzimas y otros
productos. La biotecnología se fundamenta en principios microbiológicos, debido a que los
microorganismos son indispensables para nuestro ecosistema, gracias a ellos se desarrollan ciclos
indispensables como el del carbono, oxigeno, nitrógeno y azufre, los cuales tienen lugar en los
sistemas terrestres y acuáticos. La microbiología proporciona y desarrolla herramientas para investigar los procesos fundamentales
biológicos, con aplicaciones industriales, agropecuarias, salud, etc. La primera persona que
observó y describió con rigor científico microorganismos fue el microscopista aficionado Antony
Van Leeuwenhoek.
En general, en la microbiología se aísla primero un microorganismo específico de una población,
y luego lo cultiva, por ello se deben emplear técnicas como, la esterilización y el empleo de medios
de cultivo que son necesarias para aislar y cultivar con éxito microorganismos.
Esta ciencia se puede dividir principalmente en el estudio de determinados organismos de manera
que puede ser:
42
Dentro de la agricultura los microorganismos también presentan gran importancia, como ejemplo
podemos tomar las cosechas, en este caso las plantas llamadas leguminosas que viven en estrecha
asociación con bacterias específicas que forman estructuras en sus raíces llamas nódulos, en los
cuales las bacterias convierten el nitrógeno atmosférico (N2) en nitrógeno fijado (NH3) que las
plantas utilizan para crecer.
El gas natural (metano) es un resultado de la actividad microbiana, pues se origina en el
metabolismo de las bacterias metanogénicas, de esta manera los microorganismos están
estrechamente unidos al medio ambiente, ya que estos también se pueden usar para eliminar la
contaminación creada por las actividades humanas mediante la “biorremediación microbiana”. Los
microorganismos se emplean en la eliminación de vertidos de petróleo, disolventes, pesticidas y
otros productos tóxicos que contaminan el ambiente.
A continuación, se contemplan de manera breve y general los sistemas que utilizan los
microorganismos para degradar los diferentes tipos de hidrocarburos:
43
- Degradación de hidrocarburos alifáticos en presencia de oxígeno:
Los hidrocarburos alifáticos los podemos clasificar en alcanos, alquenos y alquinos dependiendo
de lo saturados que estén sus enlaces. Como norma general decir que como mas insaturado sea una
cadena carbonada (más dobles y triples enlaces) más difícil o lenta será su degradación. De igual
manera los alcanos de cadena larga son mas resistentes a la biodegradación a medida que la
longitud de su cadena aumenta.
- Degradación de hidrocarburos aromáticos en presencia de oxigeno:
En el caso de los hidrocarburos aromáticos, el principal problema para degradarlos es romper este
anillo aromático que puede ser muy variado.
- Degradación anaeróbica:
Actualmente se esta trabajando en este campo por la importancia que tiene y las aplicaciones
potenciales que pueda tener en la biorremediación. Los pocos estudios realizados hasta ahora han
desvelado que los mecanismos de degradación en estas condiciones son totalmente diferentes a los
utilizados en presencia de oxígeno.
ACTIVIDAD 3.- Relaciona los siguientes ejemplos.
a) Pseudomona aeruginosa. ( ) Parasito.
b) Ascaris lumbricoide ( ) Alga.
c) Penicilium ( ) Virus.
d) Rodofitas ( ) Bacteria.
e) VIH ( ) Hongo.
2.2.1. BIOQUÍMICA CLÍNICA.
La bioquímica clínica es la rama del laboratorio en la que se usan métodos químicos y bioquímicos
para el estudio de las enfermedades. En la práctica, está usualmente dedicada, aunque no
exclusivamente, a los estudios en sangre, orina y otros fluidos biológicos, debido a la relativa
facilidad de obtención de este tipo de muestras.
Cada ensayo bioquímico debería proveer respuesta a una pregunta generada, los resultados de los
test bioquímicos pueden ser de uso para diagnóstico de una enfermedad, así como para el
seguimiento de su tratamiento. A demás el laboratorio bioquímico puede estar vinculado con la
investigación de las beses bioquímicas de las enfermedades y en los ensayos clínicos de nuevos
medicamentos.
Los resultados de los test de un laboratorio usualmente se comparan con un rango de referencia
que representa el estado saludable normal. Sin embargo, este rango de referencia sólo debe ser
44
tomado como guía y es importante tener en cuenta que un resultado anormal no siempre indica la
presencia de una enfermedad, ni un resultado normal la ausencia e ella. La discriminación entre
resultados normales y anormales está afectada por varios factores fisiológico que deben ser
considerados al interpretar cualquier resultado.
ACTIVIDAD 4.- Investiga los diferentes tipos de fluidos corporales.
2.3. TECNOLOGÍA FARMACÉUTICA.
El principal objetivo de la tecnología farmacéutica es el diseño, fabricación y control de
formulaciones farmacéuticas. Estas se consideran el producto resultante del proceso tecnológico
que confiere a los medicamentos las características adecuadas para facilitar su administración,
asegurar una correcta dosificación y alcanzar una eficacia terapéutica óptima.
En el laboratorio de tecnología farmacéutica, sabemos bien que la calidad de los medicamentos
que elaboramos es el resultad del diseño de proceso, equipos, capacitación del personal y la
adecuada selección de materias primas.
FEUM son las siglas de la farmacopea de los estados unidos mexicanos, o farmacopea mexicana.
El propósito de esta es promover la salud pública precisando las especificaciones tolerancias y
procedimientos de los medicamentos y sus materias primas más utilizadas en México, en especial
los del cuadro básico, apoyando las acciones de regulación sanitaria en el área de medicamentos.
Por lo tanto, los productos de fabricación nacional, así como los de importación deben cumplir con
lo establecido en la FEUM (en este sentido la farmacopea es la norma de calidad para
medicamentos y materias primas).
La ley general de salud establece en su artículo 195 que los medicamentos serán normados por la
farmacopea mexicana, por lo tanto, su alcance es en todo el territorio nacional e incide en toda la
población mexicana.
Los fabricantes de medicamentos deben analizar, identificar, almacenar y controlar los fármacos
que utilicen en la producción, los laboratorios deben contar con las instalaciones, equipo necesario
y manual de procedimientos para efectuar los controles analíticos de materias primas, productos en
proceso, preparados farmacéuticos, productos terminados y materiales de acondicionamiento. La
vigilancia debe hacerse de conformidad con especificaciones establecidas desde el punto de vista
físico, químico, fisicoquímico, biológico y microbiológico; con la finalidad de asegurar la eficacia
y la seguridad.
45
ACTIVIDAD 5.- Define con tus propias palabras 1) medicamento, 2) aditivo, 3) principio
activo, 4) materia prima, 5) excipiente.
2.3.1. PROCESO Y DESARROLLO DE FORMAS FARMACÉUTICAS.
La forma farmacéutica es la disposición individualizada a la que se adaptan los fármacos (principio
activo y excipientes) para construir un medicamento. El primer objetivo de las formas
farmacéuticas es normalizar la dosis de un medicamento, al principio se elaboraron para establecer
46
unidades que tuvieran una dosis fija de un fármaco con el que se pudiera tratar una determinada
patología.
La importancia de las formas farmacéuticas reside en que determina la eficacia del medicamento,
ya sea liberando el principio activo de manera lenta, o en su lugar de mayor eficiencia del tejido
blanco, evitar daños al paciente por poner por interacción química, solubilizar sustancias
insolubles, mejorar sabores, mejorar aspecto, etc.
ACTIVIDAD 6.- Menciona un medicamento, por cada una de las formas farmacéuticas.
(ejemplo: “tabletas – paracetamol”).
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2.4. PROPORCIÓN Y COMBINACIÓN DE REACTIVOS QUÍMICOS.
2.4.1. ANÁLISIS NUMÉRICO Y PROGRAMACIÓN.
FRASCOS Y SOLUCIONES
1. Se recomienda que los frascos para las soluciones sean de vidrio, color ámbar de capacidad
mayor que la cantidad a depositar, con tapa de rosca.
2. Soluciones reactivo: soluciones de trabajo cuya concentración o está sujeta a determinación
analítica:
A. Identificación. Cada frasco con solución deberá tener una etiqueta que contenga los
siguientes datos como mínimo:
- Nombre del reactivo
- Concentración (expresada como P/V, V/V, etc.)
- Fecha de preparación
- Preparador
B. Protección. Las soluciones deberán estar contenidas en frascos adecuados, protegidos de
la luz, de la evaporación y de todo aquello que pueda hacer variar su concentración y la
integridad del soluto y del solvente.
C. Almacenamiento. Deberán estar almacenadas en lugares frescos y secos.
D. Fecha de caducidad. No será mayor de 6 meses.
3. Soluciones valoradas: comprende todas aquellas soluciones cuya concentración está sujeta a
determinación analítica.
A. Identificación. Cada frasco con solución valorada deberá tener una etiqueta con los
siguientes datos:
- Nombre de la solución reactivo
- Titulo
- Fecha de preparación y titulación
- Fecha de ultima retitulación
- Preparador y analista
B. Protección. Las soluciones valoradas deberán estar contenidas en frascos que las protejan
de cualquier acción extraña que pueda alterar su título.
C. Almacenamiento. Deberán estar almacenadas en lugares frescos y secos.
D. Retitulación. Serán retituladas con la frecuencia que se juzgue necesaria de acuerdo a su
naturaleza química, a fin de que su titulo sea confiable.
E. Registro. Contendrá como mínimo la siguiente información.
- Titulo teórico.
- Fecha de preparación.
- Cantidad preparada.
- Valoración.
- Método.
- Analista y fecha de retitulación.
48
MÓDULO III
QUÍMICA ANALÍTICA
AMBIENTAL
3.1 PRINCIPIOS BÁSICOS DE QUÍMICA AMBIENTAL
El mayor desafío que enfrenta la humanidad en la edad moderna es la preservación del Planeta
Tierra como un lugar hospitalario para la vida humana y para todas las otras formas de vida. Por
medio de su proprio ingenio y las herramientas que han desarrollado durante siglos, los seres
humanos han encontrado muchas maneras de explotar la Tierra y sus recursos. El resultado ha sido
una acumulación de riqueza y bienestar material para gran número de personas (aunque muchas
más viven en la pobreza). La prosperidad, medida principalmente en términos de bienes materiales,
ha cobrado un precio alto. El agua se ha contaminado, la calidad del aire en algunas grandes áreas
urbanas, como en la Ciudad de México, se ha deteriorado tanto que se ha vuelto peligrosa para la
salud humana, los residuos se han dispersado en la tierra o han sido enterrados en ella, dejando
legados de veneno para las generaciones futuras. Y los recursos de la Tierra –minerales, agua
potable, tierra para cultivar alimentos, bosques, combustibles fósiles– han disminuido seriamente
o han sido dañados a un grado alarmante en un periodo muy corto de tiempo.
La ciencia, la química y la ingeniería química tienen un papel importante a desempeñar en la
protección del ambiente. Las sustancias responsables de muchos de los problemas de
contaminación, como los compuestos orgánicos persistentes, conocidos como COP, entre ellos los
plaguicidas organoclorados y otros compuestos altamente persistentes, que se acumulan en el tejido
graso de los animales, y en el de los seres humanos, han sido sintetizadas por químicos. En el
mundo existe una inmensa industria petroquímica que produce una amplia gama de productos
sintéticos, junto con los subproductos de su fabricación los cuales, entran al medio ambiente
causando serios problemas. Pero, aunque el uso inadecuado de productos y de procesos de
manufactura química ha causado y sigue causando problemas ambientales severos, las soluciones
a estos problemas están principalmente en las manos de estas mismas disciplinas.
En reconocimiento de este hecho, se ha desarrollado, a partir de 1970, una nueva subdisciplina de
la química, la química ambiental.
49
3.1.1 ECOSISTEMA
El vocablo ecosistema fue acuñado por el ecólogo inglés Arturo C. Tansley en 1935, para
denominar a aquellos sistemas formados por la suma de los elementos vivos y no vivos de la
naturaleza. Los elementos vivos (o bióticos) son las plantas, los animales, los hongos, las bacterias
y los protistas, mientras que los elementos no vivos (o abióticos) comprenden las rocas, el aire, las
sales minerales y el agua. Actualmente se concibe a un ecosistema como un sistema abierto
formado por el conjunto de las comunidades vivas y los elementos abióticos, dentro del cual
ocurren movimientos de materia y energía.
Los sistemas pueden ser cerrados o abiertos, de acuerdo con la posibilidad de que entren o salgan
sus componentes. En el caso de los ecosistemas, estos componentes pueden ser materia o energía,
ejemplos de sistemas abiertos son el cuerpo humano, una célula, una casa, una escuela, o un
ecosistema.
El ecosistema más grande que podemos concebir es la biosfera, la cual aglutina a todos los
ecosistemas del planeta. Otros ejemplos de ecosistema son un lago, una cueva, un manglar, una
fracción del Mar Caribe, un arrecife de coral o unas hectáreas de selva tropical.
3.1.2 FLUJO DE MATERIA Y ENERGÍA
La energía es la fuente de vida de los ecosistemas y la biosfera en general. Fundamentalmente lo
que los ecosistemas hacen es capturar y transformar energía.
La materia y la energía se movilizan a través de los ecosistemas por transferencia de sustancias
durante la fotosíntesis y por las relaciones alimentaria, sin embargo dado que le energía, a
diferencia de la materia, no puede ser reciclada, el sistema debe recibir energía de forma constante
de una fuente externa, en la mayoría de los casos, el sol; la energía fluye a través de los ecosistemas,
mientras que la materia se recicla en ellos.
La energía está fluyendo constantemente a través de los ecosistemas en forma unidireccional.
Ingresa como energía solar y los organismos fotosintetizadores (plantas y algas) la convierten en
energía potencial. La energía se almacena en forma de biomasa y compuestos químicos. Cada vez
que esta energía potencial es consumida por los organismos para llevar a cabo sus funciones de
crecimiento, movimiento, reproducción, etc., se transforma en calor que no es disponible para otro
uso. Así en forma de calor la energía abandona el ecosistema.
La materia, va fluyendo en los ecosistemas continuamente, de forma semejante a un ciclo,
comenzando por la incorporación de la energía y de compuestos inorgánicos (minerales), por parte
de los organismos autótrofos, como las plantas y las cianobacterias. Desembocando en la síntesis
de materia orgánica por medio del proceso de fotosíntesis.
50
Una parte de la materia orgánica producida en la fotosíntesis es utilizada por las plantas para crecer;
otro porcentaje es empleado para respirar, liberar energía y realizar las funciones vitales propias
del vegetal.
Los organismos heterótrofos, realizan el consumo de esta materia orgánica, ya que estos son
incapaces de producir su propio alimento. Los herbívoros usan esa parte de la materia vegetal
consumida para crecer, respirar y reproducirse. Esto mismo pasa en todos los niveles tróficos.
Un grupo bastante heterogéneo conformado por artrópodos, anélidos, hongos, nematodos,
bacterias, etc. A este grupo se le conoce como desintegradores. Estos tienen como función
principal, descomponer materia orgánica de restos de organismos vegetales y animales en materia
inorgánica (sales y agua) para ser reincorporados al medio ambiente en formas de compuestos
minerales como nitrógeno, calcio, fósforo, entre otros, los cuales pueden ser aprovechados por
productores de materia orgánica.
3.1.3 PROCESOS BIOGEOQUÍMICOS
Los organismos participan en ciclos llamados biogeoquímicos, los cuales describen las
circulaciones de la materia, particularmente nutrientes de las plantas y animales, a través de los
ecosistemas.
Estos ciclos de materia, basados en ciclos elementales, son de suma importancia en el ambiente.
Los ciclos globales geoquímicos pueden considerarse desde el punto de vista de varios depósitos o
reservorios, como océanos, sedimentos y atmósfera, unidos por “conductos” a través de los cuales
la materia se mueve continuamente. El movimiento de un tipo específico de materia entre dos
depósitos particulares puede ser reversible o irreversible. Los flujos de movimiento para tipos
específicos de materia varían grandemente, como lo hacen los volúmenes de tal materia en un
depósito específico.
Los ciclos de materia ocurrirían incluso en ausencia de vida en la Tierra, pero están fuertemente
influenciados por las formas de vida, particularmente plantas y organismos, debido a eso obtienen
el prefijo –bio.
Como parte del ciclo del carbono, el carbono atmosférico en forma de dióxido de carbono se fija
como biomasa; como parte del ciclo del nitrógeno, el 𝑁2 atmosférico se fija en la materia orgánica.
El proceso inverso es la mineralización, en la cual los elementos enlazados biológicamente se
devuelven a estados inorgánicos.
En la última instancia, la fuerza impulsora de los ciclos biogeoquímicos es la energía solar, que es
sintonizada y dirigida por la energía gastada o consumida por los organismos.
51
Las cinco esferas ambientales
La imagen anterior muestra las cinco esferas ambientales o depósitos en los que puede estar
contenida la materia. Los intercambios de materia entre estas esferas constituyen los ciclos de la
materia. Ejemplos de materiales intercambiados entre las esferas ambientales incluyen el oxígeno
emitido a la atmósfera por las plantas en la biosfera, el nitrógeno elemental de la atmósfera
incorporado en el amoniaco por procesos de síntesis química en la antroposfera y el calcio disuelto
a partir de minerales en la geosfera que entra en la hidrosfera como ión calcio disuelto. Los ciclos
de la materia también están muy relacionados con el destino químico y el transporte de
contaminantes.
Actividad 1: Explique cuáles de los ciclos biogeoquímicos son exógenos y cuáles otros son
endógenos y el por qué se les clasificó de esa manera.
52
Actividad 2: Después de lo visto en el módulo, anote debajo de cada esquema una breve
explicación de cómo se lleva a cabo cada ciclo.
CICLO DEL CARBONO
53
CICLO DEL NITRÓGENO
54
CICLO DEL OXÍGENO
55
CICLO DEL FÓSFORO
56
CICLO DEL AZUFRE
57
3.2 CONTAMINACIÓN
En algunos casos la contaminación es un fenómeno bien definido, en otros queda en gran parte a
juicio del espectador. Los residuos tóxicos solventes organoclorados que se lixivian al agua de
suministro, desde vertederos de residuos químicos peligrosos, son contaminantes desde todos los
puntos de vista. Sin embargo, la música de rock fuerte, amplificada a un nivel de altos decibelios
por el a veces cuestionable milagro de la electrónica moderna, es agradable a algunas personas,
mientras que es una forma muy definida de contaminación sonora para otras. Frecuentemente, el
tiempo y el lugar determinan lo que se entiende por contaminante. El fosfato, que se debe eliminar
de las aguas residuales es, químicamente, el mismo fosfato que el granjero, a pocos kilómetros de
distancia, tiene que comprar a precios altos como fertilizante. La mayoría de los contaminantes
son, de hecho, recursos que han terminado como residuos. Como los recursos se vuelven cada vez
más escasos y caros, la presión económica puede proporcionar el ímpetu para solucionar muchos
problemas de contaminación.
Se considera contaminante a una sustancia presente en concentración mayor a la natural como
resultado de la actividad humana, que tiene un efecto perjudicial neto en el medio ambiente o sobre
algo de valor en ese ambiente. Cada contaminante se origina en una fuente.
La fuente es particularmente importante porque generalmente es el lugar lógico para eliminar la
contaminación.
Actividad 3: redacte brevemente una definición propia de contaminación y el papel actual del
Ingeniero Químico como profesional pro-ambiente
58
3.2.1 EFECTOS AMBIENTALES
Intercambio de contaminantes en el ambiente
Es preciso resaltar que un problema de contaminación originado en cualquiera de las esferas
constituyentes del hábitat del hombre, puede extenderse a las demás. Por ello los problemas
asociados al medio ambiente deben abordarse desde una perspectiva global.
Este hecho antes mencionado, se traduce en la introducción de desequilibrios ecológicos y de
procesos naturales con efectos notorios como por ejemplo:
1) Aparición de sustancias con efectos ambientales nocivos a largo plazo: es el caso de los
clorofluorocarbonos (CFC’s), causantes en gran medida del deterioro de la capa de ozono
estratosférica, los cuáles han sido ampliamente prohibidos en pro de la restauración de la
capa de ozono.
2) Aumento del dióxido de carbono atmosférico, con gran influencia en el efecto invernadero.
59
3) Presencia en el ambiente de sustancias que ejercen efectos negativos directos: elementos
radiactivos, compuestos tóxicos y bioacumulativos (metales pesados, policlorobifenilos,
pesticidas).
4) Lluvia ácida.
Actividad 4: Investiga y menciona si existen normas federales e internacionales que controlen y
supervisen la emisión de contaminantes al ambiente.
¿En qué consiste la Química Verde? ¿Qué alcances tiene?
3.2.2 PRODUCTOS QUÍMICOS Y EFECTOS AMBIENTALES
CONTAMINANTES EN LA ATMÓSFERA
Las sustancias químicas que tienden a ser transportadas a la atmósfera son las relativamente
volátiles. Tales sustancias incluyen las que no son gases bajo las condiciones ambientales normales,
como el óxido nítrico, NO, o el monóxido de carbono CO. Se denominan compuestos orgánicos
volátiles, COV o VOC, pos sus siglas en inglés (volátiles organic compounds), a cierto número de
compuestos orgánicos, como la gasolina y los clorofluorocarburos. Los compuestos orgánicos
menos volátiles, que no obstante entran en el aire, se clasifican como compuestos orgánicos semi-
volátiles.
60
Una consideración importante con respecto a las sustancias que entran en la atmósfera es su grado
de hidrofobicidad, las sustancias hidrófobas, que incluyen cierto número de compuestos orgánicos
volátiles y de compuestos orgánicos semi-volátiles, son aquellas que son repelidas por el agua. Sus
opuestos los compuestos hidrófilos, se disuelven fácilmente en el agua y se eliminan de la
atmósfera por precipitación (la lluvia).
Menciona agentes químicos contaminantes típicos de la atmósfera y escribe un ejemplo de efecto
perjudicial al ambiente:
CONTAMINANTES DE LA HIDROSFERA
Los contaminantes pueden verterse directamente al agua o pueden entrar en ella desde la atmósfera
o por escorrentía desde el suelo. Los productos químicos particularmente solubles (hidrófilos)
tienen una fuerte tendencia a quedar disueltos en el agua y a moverse con el flujo superficial o
subterráneo.
Menciona agentes químicos contaminantes típicos de la hidrosfera y escribe un ejemplo
perjudicial al ambiente:
CONTAMINANTES DE LA GEOSFERA
La contaminación a nivel geosfera ocurre principalmente por el movimiento de las aguas
subterráneas a través de las formaciones de rocas que componen los acuíferos. En casos donde el
material mineral acuífero está compuesto de materia finamente dividida como la arena, los
61
contaminantes en el agua subterránea están expuestos continuamente a la superficie mineral y
pueden ser absorbidos por ella. Muy comúnmente, sin embargo, el acuífero consiste en piedra
sólida fragmentada por fracturas a través de las cuales el agua subterránea puede moverse
rápidamente y a distancias largas. En tal caso los contaminantes no tienen oportunidad de ser
captados por la superficie mineral. Esto da lugar a la aparición rápida de contaminantes en una
fuente de agua subterránea movido hacia un pozo usado como fuente de agua. Un caso interesante
es el de los líquidos densos de fases no acuosas LDFNA (DNAPL, en inglés) que se hunden hasta
el fondo del acuífero y se acumulan como depósitos de material que emergen en manantiales o
fuentes de agua.
Menciona agentes químicos contaminantes típicos de la geosfera y escribe abajo un ejemplo de
efecto perjudicial al ambiente:
3.2.3 CONTAMINACIÓN DE AGUA, AIRE Y SUELO
CONTAMINACIÓN DEL AGUA
El ciclo hidrológico, cantidades de agua en miles de millones de L por día
62
El tema de la contaminación del agua evidencia cambios notables en la forma como se lo ha
abordado. Los cambios son evidentes desde Estocolmo 1972, cuando emergió como tema que
afectaba a países según su nivel de industrialización; si se hablaba de contaminación química, el
tema era pertinente para los países ricos e industrializados, y si se hablaba de contaminación
microbiana, entonces los países en desarrollo eran los implicados. Actualmente se reconoce que si
bien es cierto que los países ricos superaron la contaminación microbiana, los países más pobres
no sólo tienen que lidiar con este tipo de contaminación sino que sus perfiles epidemiológicos
revelan una importancia creciente de la contaminación química. Ello, porque el ritmo de conexión
de redes de agua potable y saneamiento en los países en desarrollo no sigue ni de cerca el ritmo de
industrialización y urbanización, pero adicionalmente, por la presencia creciente de elementos traza
y sustancias químicas utilizadas en la industrialización, la agricultura y la minería.
Es importante mencionar el tema de Retroceso de Glaciares y sus consecuencias en términos de
escasez de agua dulce, y posteriormente (aunque de una manera más general) con el tema de Salud
Ambiental. En consecuencia, los temas que interesan al presente, están referidos por una parte, a
la contaminación química ya sea originada en relaves de compañías mineras, industriales,
productos químicos empleados en la agricultura, pero también aquella originada en depósitos de
enorme variedad de sustancias químicas en medios receptores. Pero la contaminación química no
es sólo de origen antropocéntrico; entonces interesa el tema de asentamientos consolidados sobre
yacimientos mineralógicos naturales, y cuyos efectos se han ido revelando sólo en el largo plazo,
a medida que los conocimientos toxicológicos lo han permitido.
Por otra parte, interesa la contaminación microbiológica originada en el uso del agua como
transporte de desechos domésticos, humanos y residuos sólidos; el crecimiento de la demanda de
agua por expansión urbana, por su devolución a medios receptores superficiales y subterráneos; el
aporte de viviendas no conectadas a redes de alcantarillado, o, en el caso de poblaciones más
empobrecidas, con pozos sépticos -o pozos negros- que se saturan y contaminan las napas
subterráneas y contribuyen a la degradación de ríos y lagos; también resulta pertinente el caso de
viviendas que teniendo alcantarillado no disponen de sistema de tratamiento alguno, lo que origina
que ríos en proximidades de ciudades se hayan convertido en alcantarillas abiertas y que sus cursos
de agua contengan elevada carga de aguas cloacales, que en numerosos casos continúan siendo
recicladas como fuente de riego en zonas agrícolas aguas abajo.
CONTAMINACIÓN DE AIRE
Los contaminantes pueden entrar al aire desde fuentes naturales o sintéticas. El aire siempre porta
contaminantes naturales como polen, esporas, moho, levaduras, hongos y bacterias; los incendios
forestales, los vendavales, las erupciones volcánicas y las sequias producen humo, aerosoles y otros
contaminantes que entran al aire. Con todo, la contaminación que surge de la naturaleza cuenta
poco comparada con los efectos de los contaminantes asociados con las actividades humanas.
63
Las principales fuentes de contaminantes sintéticos incluyen la quema de combustibles fósiles,
particularmente carbón, las emisiones de fundiciones, las plantas de acero y otras instalaciones
manufactureras y las emisiones de fuentes móviles como autos, camiones y aeroplanos. Los
contaminantes primarios de esas fuentes mayores son el dióxido de sulfuro, el dióxido de nitrógeno,
el CO, las partículas en suspensión, los hidrocarburos, los aerosoles ácidos de sulfatos y nitratos y
los metales pesados. Aunque las emisiones de las manufacturas químicas pueden afectar el área
inmediatamente vecina de la fuente, no tienen el mismo impacto sobre la contaminación regional
como las ya mencionadas.
CONTAMINACIÓN DEL SUELO
La contaminación del aire y del agua es la más evidente, la que más preocupa, y la más estudiada,
esto se debe a que en el agua y aire la uniformidad de la dispersión es mayor que en el suelo.
El suelo es un cuerpo natural y dinámico que cambia con el tiempo y el espacio. Es soporte de una
gran variedad de organismos, entre ellos la vegetación, característica relevante, pues de ella
dependen las actividades agrícolas, fuente de alimento para la humanidad.
Se debe aprovechar que el suelo es un sistema en el que se encuentran varios elementos (arcillas,
microorganismos, etc.) y que se presentan procesos (oxidación, reducción, hidrólisis, precipitación,
adsorción, absorción, quelación) que pueden ayudar a eliminar algunos contaminantes del ambiente
que son dañinos en otros elementos como el aire y el agua.
3.3 PARÁMETROS DE ANÁLISIS
Parámetro: dato o factor que se toma como necesario para analizar o valorar una situación.
3.3.1 PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS 3.3.2 PARÁMETROS MICROBIOLÓGICOS
FISICOQUÍMICOS MICROBIOLÓGICOS
Contenido de materia orgánica (según Walkley
y Black) Biomasa microbiana
Velocidad de infiltración Bacterias fitopatógenas
pH Coliformes totales
Oxígeno disuelto Coliformes fecales
Solidos totales
Dureza
64
Fosfatos
Cl residual
Conductividad
Contenido de gases Recuento de bacterias mesófilas
Contenido de partículas Recuento de hongos
Hidrocarburos Totales
65
MODULO IV
“QUIMICA INDUSTRIAL”
4.1. MÉTODOS DE ANÁLISIS DE ALIMENTOS.
Los seres humanos necesitan, además del agua que es vital, una ingestión de alimentos variada y
equilibrada. La razón es que no existe un único alimento que proporcione todos los nutrientes para
mantener la vida y la salud. El consumo regular de un conjunto de alimentos (dieta) debe
proporcionar las cantidades adecuadas de proteínas, lípidos, glúcidos, vitaminas y minerales. La
base de una buena nutrición reside en el equilibro, la variedad y la moderación de nuestra
alimentación. Pero la alimentación moderna urbana es muy a menudo desequilibrada,
desestructurada y se suele juntar con una vida muy sedentaria.
El aspecto esencial y punto de partida para el estudio de la ciencia alimenticia está en el
conocimiento tanto de los componentes químicos de los alimentos como de las reacciones que
conducen a los cambios en la constitución y las características de dichas sustancias. Estos
compuestos contienen radicales o partes químicamente activas que pueden participar en
complicadas series de reacciones entre sí y con los medios que rodean a los alimentos, tales como
aire, agua, empaque, equipos de procesamiento, etc. Durante su preparación, los alimentos se ven
expuestos a la humedad, el calor, el frío, la interacción con otros materiales y sustancias, lo que
puede inducir reacciones adicionales; esta actividad hace que los alimentos deban ser considerados
como sistemas químicos que están cambiando de modo rápido y permanente.
El estudio del agua y el análisis de la composición elemental y mineral de los alimentos implica
destruir las estructuras moleculares de que dichos elementos forman parte; mientras que en el
estudio de la composición molecular de los alimentos se debe conservar la integridad de las
diversas entidades moleculares con el fin de poder caracterizar y discernir acerca de su
comportamiento y su contribución a las propiedades y la calidad de los alimentos.
ACTIVIDAD 1.- Investiga cuales son los principales análisis que se le realizan a los siguientes
alimentos: A) leche, B) chiles en escabeche, C) fruta en almíbar.
66
MÉTODOS DE ANÁLISIS DE ALIMENTOS.
HUMEDAD.
SECADO EN ESTUFA.
SECADO EN ESTUFA DE VACIO.
DESTILACIÓN AEZOTRÓPICA.
SECADO EN TERMOBALANZA.
KARL FISCHER.
CENIZAS.
MÉTODO HUMEDO.
MÉTODO SECO.
LÍPIDOS.
SOXHLET
GOLDFISH
POR LOTES (BATCH)
BLIGH - DYER
RÖSE - GOTTLIEB
GERBER
MOJONNIER
PROTEÍNAS.
KJELDHAL
ABSORCION A 280 nm
BIURET
LOWRY
TURBIDIMÉTRICO
OSBORNE Y MENDEL
CARBOHIDRATOS.
FENOL SUFÚRICO
EXTRACCCIÓN DE ALMIDÓN
ANALISIS DE PECTINAS
AZUCARES (EN SOLUCIÓN)
FEHLING
67
4.2. MICROBIOLOGÍA Y NUTRICIÓN.
Desde el punto de vista nutricional la microbiología y parasitología identifican y analiza los
factores de contaminación en los diferentes tipos de alimentos, distingue y juzga la importancia de
los microorganismos, conociendo sus características principales además de su relación con los
alimentos, así como sus cambios químicos y estructurales, y su repercusión en el consumo
alimentario.
Además de valorar las medidas de conservación y las alteraciones que se pueden presentar dentro
de los productos alimentarios, también distingue las enfermedades de origen alimentario causadas
por los diferentes microorganismos, su grado químico y las repercusiones que tienen sobre la salud
mediante brotes de origen alimentario.
Los nutrientes de las bacterias se pueden clasificar en:
- Universales (es decir aquellos que son requeridos por todos los procariotas): agua, 𝐶𝑂2, fosfatos
y sales minerales.
- Particulares.
- Factores de crecimiento.
Las bacterias necesitan grandes cantidades de agua, de hecho, salvo excepciones. Requieren cierto
grado de humedad para crecer, desde el punto de vista de sus posibles papeles, el agua es el
principal constituyente del protoplasto bacteriano; el medio universal donde ocurren las reacciones
biológicas; un reactante en exceso (es decir, un producto de algunas reacciones bioquímicas). La
fuente agua puede ser endógena: procedente de procesos de oxido – reducción; exógena (la mas
importante): procedente del medio, y que difunde a través de las membranas.
Puesto que las fuentes de los alimentos son de origen vegetal y animal, es importante conocer los
fundamentos biológicos de la flora microbiana asociada a las plantas y a los animales en sus
hábitats naturales y sus respectivos papeles.
ACTIVIDAD 2.- Menciona 5 infecciones por consumo de alimentos contaminados por
microorganismos.
68
4.2.1. METABOLIMO BASAL Y APROVECHAMIENTO DE LOS ALIMENTOS.
La nutrición es el proceso por el que los seres vivos toman del medio donde habitan las sustancias
químicas que necesitan para crecer. Dichas sustancias se denominan nutrientes, y se requieren para
dos objetivos:
- Fines energéticos (reacciones de mantenimiento);
- Fines biosintéticos (reacciones plásticas o anabolismo).
Las biosíntesis de nuevos componentes celulares son procesos que requieren energía procedente
del medio ambiente. En el capítulo anterior vimos los principales modos de captación y obtención
de energía existentes en las bacterias.
Es importante tener claro desde el principio una serie de conceptos y nomenclaturas relacionados
con los principales tipos de nutrición bacteriana. Puesto que, como acabamos de ver, la nutrición
presenta un aspecto de aprovisionamiento de energía y otro de suministro de materiales para la
síntesis celular, podemos hablar de dos “clasificaciones” de tipos de nutrición:
1) Desde el punto de vista de los fines de aprovisionamiento de energía, las bacterias se pueden
dividir en:
a) litotrofas: son aquellas que sólo requieren sustancias inorgánicas sencillas (SH2 S0, NH3, NO2-
, Fe, etc.).
b) organotrofas: requieren compuestos orgánicos (hidratos de carbono, hidrocarburos, lípidos,
proteínas, alcoholes...)
2) Desde el punto de vista biosintético (o sea, para sus necesidades plásticas o de crecimiento), las
bacterias se pueden dividir en:
a) autótrofas: crecen sintetizando sus materiales a partir de sustancias inorgánicas sencillas. Ahora
bien, habitualmente el concepto de autotrófica se limita a la capacidad de utilizar una fuente
inorgánica de carbono, a saber, el CO2.
b) heterótrofas: su fuente de carbono es orgánica (si bien otros elementos distintos del C pueden
ser captados en forma inorgánica).
Otros conceptos:
Autótrofas estrictas son aquellas bacterias incapaces de crecer usando materia orgánica como
fuente de carbono.
Mixotrofas son aquellas bacterias con metabolismo energético litotrofo (obtienen energía de
compuestos inorgánicos), pero requieren sustancias orgánicas como nutrientes para su
metabolismo biosintético.
69
Sean autotrofas o heterotrofas, todas las bacterias necesitan captar una serie de elementos químicos,
que se pueden clasificar (según las cantidades en que son requeridos) como macronutrientes (C, H,
O, N, P, S, K, Mg), y micronutrientes o elementos traza (Co, Cu, Zn, Mo...)
En la naturaleza, estos elementos se encuentran combinados, formando parte de sustancias
orgánicas o inorgánicas. Algunos de los nutrientes serán incorporados para construir
macromoléculas y estructuras celulares; otros solo sirven para la producción de energía, y no se
incorporan directamente como material celular; finalmente, otros pueden ejercer ambos papeles.
El mundo bacteriano, como conjunto, exhibe una gigantesca versatilidad metabólica de uso de
nutrientes: desde autotrofos que obtienen su carbono por reducción del CO2 y los demás elementos
a partir de fuentes igualmente inorgánicas, hasta heterotrofos capaces de usar amplia gama de
fuentes orgánicas de carbono.
A su vez, dentro de los heterotrofos, podemos encontrar muchos y variados tipos de nutrición,
desde bacterias metilotrofas que sólo usan metano o metanol como fuente de carbono y energía,
hasta los muy versátiles Pseudomonas, que pueden recurrir a degradar más de 100 tipos de fuentes
de C (incluyendo entre ellas sustancias tan “exóticas” como hidrocarburos alifáticos y cíclicos). De
cualquier modo, entre los heterotrofos, una de las fuentes más típicas de carbono consiste en
glucosa.
En los heterotrofos-organotrofos, los sustratos carbonados (con un nivel de oxidación no muy
distinto del material celular -CH2O-) entran simultáneamente a: metabolismo energético (donde la
fuente de C se transforma en CO2, o en CO2 junto con otras sustancias no totalmente oxidadas);
metabolismo plástico (anabolismo = biosíntesis de nuevo material celular).
Aunque dentro del mundo de los procariotas se encuentre tanta variedad de nutriciones, las
bacterias que pueden nutrirse solamente de sustancias inorgánicas sencillas (H2O, CO2, N2, NO3-
-, NH3, SO4=, fosfatos, etc.) son minoría, pero sus procesos metabólicos son muy interesantes. De
hecho, existen tipos metabólicos que sólo han evolucionado en procariotas. Como paradigma de
esto citaremos los microorganismos quimioautotrofos (o quimiolitoautotrofos): obtienen su energía
de la oxidación de sustancias inorgánicas sencillas, el carbono procede del CO2, y el resto de
elementos a partir de sales inorgánicas, por lo que pueden vivir en soluciones de sales minerales
en ausencia de luz.
Lo habitual, sin embargo, es que muchas bacterias recurran, siempre que puedan, a tomar del medio
ciertos compuestos más complejos, ya que carecen de ciertas rutas biosintéticas.
La atmósfera contiene enormes cantidades de nitrógeno no combinado (libre) en estado gaseoso:
el nitrógeno molecular o dinitrógeno (N2), que procede de microorganismos desnitrificantes (véase
el capítulo 10). Sin embargo, esta gran reserva sólo puede servir de fuente de nitrógeno a ciertos
procariotas, las llamadas bacterias fijadoras de nitrógeno o diazotrofos. Esta notable capacidad
bioquímica no ha evolucionado en eucariotas. (Lo más a que ha llegado la evolución es a
70
seleccionar ciertos tipos de asociaciones simbióticas entre procariotas diazotrofos y ciertos
eucariotas, como p. ej., la simbiosis entre raíces de leguminosas y bacterias del grupo de
Rhizobium).
AVTIVIDAD 3.- Investigar que es un medio de cultivo y cuáles son los principalmente
usados en un laboratorio microbiológico.
1.1. FERMENACIONES INDISTRIALES.
En ausencia de respiración aerobia o anaerobia, el NADH no es oxidado por la cadena
transportadora de electrones debido a que no se dispone de ningún aceptor externo de electrones.
De hecho, el NADH es producido en la vía glucolítica durante la oxidación de gliceraldehído 3 –
71
fosfato a 1,3 – bifosfoglicerato todavía debe ser oxidado de nuevo a 𝑁𝐴𝐷+. Si no se regenera el
𝑁𝐴𝐷+, la oxidación del gliceraldehído 3 – fosfato cesará y la glucolisis se detendrá. Muchos
microorganismos resuelven este problema lentifi-cando deteniendo la actividad de la piruvato
deshidrogenasa y utilizando el piruvato o uno de sus derivamos como aceptor de electrones y de
hidrogeno en la reoxidación de NADH. Esto puede dar lugar a la producción de más ATP.
Al considerar las fermentaciones microbianas deben tenerse en cuenta dos aspectos unificadores:
1) La NADH es oxidada a 𝑁𝐴𝐷+
2) El aceptor de los electrones es piruvato o un derivado de éste.
Muchas bacterias, especialmente los miembros de la familia Enterobacteriaceae, pueden
metabolizar el piruvato a ácido fórmico y otros productos en un proceso que a veces se conoce
como fermentación acidofórmica. El ácido fórmico puede convertirse en H2 y CO2 por la acción
de la fórmico hidrogenoliasa (una combinación de al menos dos enzimas).
Existen dos tipos de fermentación acidofórmica. La fermentación ácido mixta da lugar a la
excreción de etanol y de una mezcla compleja de ácidos, en particular, los ácidos acético, láctico,
succínico y fórmico. Si está presente la fórmico hidrogenoliasa, el ácido fórmico se degradará a H2
y CO2. Este patrón se observa en Escherichia, Salmonella, Proteus y otros géneros. El segundo
72
tipo, la fermentación butanodiólica, es característica de Enterobacter, Serratia, Erwinia y algunas
especies de Bacillus.
El piruvato es convertido en acetoína, que a continuación es reducida a 2,3-butanodiol con NADH.
También se produce una gran cantidad de etanol, junto con pequeñas cantidades de los ácidos
presentes en la fermentación ácido-mixta.
Protozoos y hongos a menudo fermentan azúcares a lactato, etanol, glicerol, succinato, formato,
acetato, butanodiol y otros productos.
Los microorganismos también fermentan otras sustancias además de azúcares. Por ejemplo,
algunos miembros del género Clostridium prefieren fermentar mezclas de aminoácidos. Clostridos
proteolíticos como los patógenos C. sporogenes y C. botulinum realizan la reacción de Stickland
en la que un aminoácido es oxidado y un segundo aminoácido actúa como aceptor de electrones.
73
La alanina es oxidada y la glicina es reducida para producir acetato, CO2 y NH3, obteniéndose
cierta cantidad de ATP del acetil fosfato por fosforilación a nivel de sustrato. Esta reacción es
bastante útil en ambientes anaeróbicos ricos en proteínas. La reacción de Stickland es utilizada para
oxidar diversos amino- ácidos: alanina, leucina, isoleucina, valina, fenilalanina, triptófano e
histidina. Las bacterias también pueden fermentar aminoácidos (p. ej., alanina, glicina, glutámico,
treonina y arginina) mediante otros mecanismos. Además de azúcares y aminoácidos, pueden ser
fermentados otros compuestos orgánicos como acetato, lactato, propionato y citrato.
Algunas de estas fermentaciones tienen un gran interés aplicado. Por ejemplo, el citrato puede ser
transformado en diacetilo, aromatizando productos de leche fermentada.
El sabor de productos lácteos como queso, crema, yogurt y mantequilla está asociado en cierto
grado con la hidrólisis de lípidos y proteínas, con la generación de ácidos grasos de cadena corta,
ésteres etílicos, aldehídos, etcétera. Lo cual requiere un estricto control de las condiciones de
maduración y modificación de los métodos tradicionales de fabricación, por la adición de lipasas
y proteasas o por inoculación con cultivos iniciadores de bacterias psicotrópicas de los géneros
Streptococcus y Lactobacillus. Cuando estas modificaciones bioquímicas no son reguladas
adecuadamente, se obtiene un producto de mala calidad, que no será aceptado.
La lactosa es el principal precursor del diacetilo (2,3- butadiona), que imparte una nota cremosa a
los productos lácteos como quesos frescos, mantequilla y queso cottage; el sabor es ligero y ácido,
típico del ácido láctico y acético. En los quesos madurados, la cuajada se somete al proceso de
maduración que puede durar varios meses (incluso años), en donde se generan más de 200
compuestos volátiles. Todas estas transformaciones se deben a la acción de enzimas propias de la
leche, a los microorganismos propios como añadidos, así como a las enzimas añadidas para acelerar
la maduración.
Durante la primera etapa, la lactosa se transforma en ácido láctico, los lípidos se hidrolizan y
generan glicerol y ácidos grasos libres de cuatro a 10 átomos de carbono y los de cadena mayor se
convierten mediante la b-oxidación en metilcetonas como los insaturados se transforman en ésteres
metílicos y aldehídos, y finalmente los ácidos grasos hidroxilados se ciclan y forman lactosas. Por
otra parte, las caseínas sufren proteolísis, descarboxilación y desaminación; la metionina genera
anhídrido sulfuroso, metanotiol y sulfuro de dimetilo.
El gusto quemado del queso gruyère se debe a la combinación de péptidos derivados de proteolisis
con 2,5-dimetil-4-hidroxi-3-furanona. Algunos aminoácidos pueden oxidarse para formar su
correspondiente ácido, como la alanina que forma el ácido propiónico.
74
Bebidas alcohólicas
El mezcal y el tequila son debidas alcohólicas mexicanas con denominación de origen, que se
obtienen por fermentación de cabezas de diferentes especies de agave. El tequila se obtiene según
la norma mexicana NOM 006-SCFI-1994 de la región de Tequila, Jalisco, a partir del Agave
tequilana Weber var. azul, mientras que el mezcal se obtiene del Agave salmiana o de otras
variedades, según la región. En función del tiempo de almacenamiento, las mezclas se clasifican
en: joven, reposado y añejo, y pueden estar ornamentadas con gusano.22, 31 Las etapas de
elaboración incluyen primeramente cosecha, cocimiento y molienda. El Agave tequilana Weber
var. azul contiene agua (60%), inulina (24%), fibra (11%), azúcares reductores (1.5%), proteínas
(0.02%) y cenizas (2.7%). La inulina es un oligosacárido de la familia de las fructanas y su
contenido varía en función de la edad del agave y de la estación del año. El jugo crudo contiene
algunos compuestos volátiles, donde los ésteres se encuentran en mayor proporción.
El mosto tequilero obtenido durante esta etapa contiene compuestos como 5-hidroximetilfurfural,
2-metil-2-furoato, furfuril, 2(5H)furanona, 5-acetoximetil-2-furfural, 3,5-dihidro-3,5-dihidroxi-6-
metil-4(h)piran-4-ona. La mayoría de estos compuestos se genera por la reacción de Maillard
durante el cocimiento.31 También se ha detectado la presencia de otros compuestos como ácidos
grasos, aldehídos, alcoholes, alcoholes, terpenos y vainillina que juegan un papel importante en el
aroma del producto. Asimismo, el mosto contiene del 4 a 10% da azúcares simples, principalmente
fructosa y algo de glucosa.
La segunda etapa es la fermentación, ya sea espontánea o por adición, de un inóculo de diferentes
cepas de Saccharomyces cerevisiae. La velocidad de fermentación depende de la temperatura,
composición del mosto y condiciones de operación, pero sobre todo de la cepa empleada. Esta
etapa puede durar de 20 horas a tres días a una temperatura óptima de 35ºC. Si la temperatura
75
sobrepasa los 40ºC se detiene la fermentación por inactivación de la levadura. El pH inicial del
mosto es de 4.5 y, a medida que avanza la fermentación, disminuye a valores cercanos a 3.9. La
concentración de azúcares disminuye hasta un 0.4%. En esta etapa pueden desarrollarse otros
microorganismos de los géneros Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc y Pediococus.31 Ésta
es la etapa de mayor importancia, ya que los azúcares se transforman en etanol y otros compuestos
que contribuyen al sabor y aroma característicos del tequila. Los alcoholes superiores como el
alcohol isoamilico, isobutanol, 1-propanol, fenetil y 1-butanol, junto con ésteres, aldehídos y
metanol son los componentes volátiles de mayor concentración. Posteriormente, en la destilación,
el tequila define su carácter sensorial, ya que además de concentrar y separar el etanol, en esta
etapa se modifican las concentraciones relativas de los volátiles menores que forman parte del
mosto fermentado.
La destilación en alambique se efectúa en dos etapas, la primera llamada de destronamiento, donde
el mosto se destila hasta obtener una concentración alcohólica del 20 al 30% alcohol volumen. La
segunda etapa, también llamada de rectificación, enriquece el contenido alcohólico hasta en un
55% de alcohol volumen para depurar el producto, donde en cada paso se separan las cabezas y
colas (primera y última fracciones del desliado). Las cabezas contienen compuestos de bajo punto
de ebullición como acetaldehído y alcoholes superiores; las colas contienen compuestos menos
volátiles como el ácido acético, lactato y furfural, que por su sabor fuerte afectan de manera
negativa al tequila, al igual que algunos ácidos grasos y sus ésteres de ocho a 14 carbonos con
aroma jabonoso.
76
Por último, durante el añejado o maduración en barricas de madera de roble o encino, se extraen
algunos componentes de la madera como fenoles simples (eugenol), lactosas y taninos; productos
derivados de la hidrólisis y tostado de la madera, como ácido el acético y siringaldeído, pirrazinas
y pirroles, entre otros. Asimismo, durante este periodo se forman algunos compuestos derivados
de la interacción de polifenoles de la madera con los volátiles del destilado, así como la
esterificación y pérdida o concentración de componentes del aroma.
ACTIVIDAD 4.- Investigar el proceso de fermentación del pan, cerveza.
4.3.1 CONTROL DE CALIDAD ENFOCADO A ALIMENTOS.
Las pruebas de laboratorio disponibles para los alimentos procesados incluyen:
Pruebas microbiológicas:
Patógenos:
campylobacter, bacillus, yersinia,
clostridium, enterobacter, listeria,
salmonella, shigella, legionella,
vibrio, estafilococo, E. coli O157:
H7, E. coli O104: H4
Indicadores de deterioro:
Recuentos de placas de E. coli y
coliformes genéricos, hongos y
levaduras, formadores de esporas,
acidófilos, termófilos y mesófilos
aerobios y anaerobios
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Pruebas químicas:
contaminantes y residuos conocidos:
o Pesticidas, fumigantes,
herbicidas e insecticidas
o Antibióticos,
antimicrobianos y
reguladores del crecimiento
o Metales pesados
o Organofosforados y
organoclorados
Peligros químicos generados por el
procesado:
o acrilamida
o hidrocarburos aromáticos
policíclicos (HAP)
o 4-metilimidazol (4-MEI)
Análisis de adulteración de los
alimentos (melamina, ácido
cianúrico)
Alérgenos, incluyendo el gluten
Micotoxinas
Contaminantes desconocidos
Identificación de ingredientes
Identificación de objetos extraños
Colores, colorantes y aditivos
Oligoelementos
Contaminantes plastificantes
Pruebas nutricionales, indicadores de calidad y etiquetado:
Perfiles de grasas (saturadas, mono, poli y trans)
Contenido de proteína y carbohidratos
Colesterol
Perfil de azúcar
Fibra dietética
Vitaminas, minerales y electrolitos
Total de calorías, calorías de grasa y calorías del azúcar
Contenido de humedad y nivel de Ph
Declaraciones de autenticidad y etiquetado (incluyendo “orgánico” y “libre de”.
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Auditorías de alimentos procesados
Las auditorías de higiene (BPH) están diseñadas para asegurar que las instalaciones de procesado
de alimentos de sus proveedores cumplan con las normas internacionales en materia de higiene.
Las auditorías de buenas prácticas de fabricación (BPF) le permiten lograr el cumplimiento
normativo y la seguridad en su cadena de suministro de alimentos procesados.
Las auditorías del sistema de gestión de calidad proporcionan una visión completa de los procesos
de gestión de calidad y supervisión de sus proveedores.
Las auditorías éticas, que son especialmente relevantes para los ingredientes alimentarios de origen
extranjero, permiten lograr el cumplimiento social y eliminar cualquier caso de abuso laboral en su
cadena de suministro.
ACTIVIDAD 5.- Menciona 5 metales pesados que pueden contener los alimentos y que daño
causan en caso de ingesta accidental.
4.4 NATURALEZA, PROPIEDADES Y APLICACIÓN INDUSTRIAL.
4.4.1 GENERALIDADES DE LA ENZIMOLOGÍA.
Una enzima es una proteína que actúa como catalizador biológico, llevando a cabo reacciones
bioquímicas a muy altas velocidades, no se consume durante la reacción y en general presenta un
elevado grado de especificidad. Su nombre proviene del griego y significa “en la levadura”, ya que,
a mediados del siglo XIX, cuando se acuñó el término, se pensaba que estos compuestos sólo
actuaban en el interior de las células.
Las enzimas se encuentran en todos los sistemas vivos y hacen posible la vida, bien en los
adaptados a crecer cerca de 0°C, bien en 37°C (el hombre), bien cerca de 100°C (los
microorganismos encontrados en algunas fuentes termales).
Todas las células, incluyendo microorganismos y organismos superiores, producen enzimas. Su
acción está estrechamente ligada con las reacciones metabólicas, y la mayoría de las
79
transformaciones químicas requeridas para mantener activas a las células tardarían mucho tiempo
en efectuarse o simplemente no procederían si no estuvieran presentes las enzimas.
Como sucede con todos los catalizadores, las enzimas tienen las siguientes propiedades:
Sólo se precisan en pequeñas cantidades
No sufren cambios irreversibles durante la reacción, por lo que cada molécula de enzima
puede participar de manera repetida en reacciones individuales, y
No tienen efecto en la termodinámica de la reacción. Este último punto es muy importante.
Las enzimas no aportan energía para una reacción química, por lo que no determinan si una
reacción es favorable (exergónica) o desfavorable (endergónica) desde el punto de vista
termodinámico. De igual manera, las enzimas tampoco establecen las proporciones entre productos
y reactivos en equilibrio.
Estas son propiedades inherentes de las sustancias químicas que participan en reacciones. Como
catalizadores, las enzimas sólo pueden acelerar la velocidad a la que procede una reacción química
favorable.
Las enzimas son catalizadores muy eficientes. Los catalizadores que emplean los químicos
orgánicos en el laboratorio, como el ácido, platino metálico y magnesio, casi siempre aceleran las
reacciones 100 a 1 000 veces respecto de la velocidad sin catalizador. En cambio, por lo general
las enzimas incrementan la velocidad de una reacción 108 a 1013 veces. Con base en estas cifras,
las enzimas pueden hacer en un segundo lo que tardaría tres a 300 mil años si no las hubiera. Un
hecho aún más notable es que realizan esta hazaña a temperatura ambiente y en el pH del interior
de la célula. Además, a diferencia de los catalizadores inorgánicos que emplean los químicos, las
enzimas son muy específicas en relación con los reactivos a los que se unen y la reacción que
catalizan.
En general, se ha nombrado a las enzimas de manera empírica y poco sistemática; ya que en algunos
casos se ha tomado como raíz del nombre el del sustrato que reconoce la enzima y se le agrega el
sufijo —asa. Por ejemplo, a una enzima que degrada proteínas se le llama proteinasa o proteasa.
Algunas enzimas tienen nombres asignados antes de adoptar esta convención, por ejemplo, tripsina,
papaína, invertasa, diastasa. Posteriormente, hubo la necesidad de asignarles un nombre
sistemático. Miembros de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) y del
IUB (International Union of Biochemistry) y posteriormente de la IUBMB (International Union of
Biochemistry and Molecular Biology) idearon un sistema de identificación en el que a cada enzima
se le asigna una serie de cuatro dígitos, al que se ha llamado número de la EC (Enzyme Comission).
El primer dígito está relacionado con la reacción química que cataliza la enzima, de acuerdo con el
siguiente código:
1. Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxidorreducción. En este grupo se incluyen las
deshidrogenasas, oxidasas, oxigenasas y peroxidasas.
80
2. Transferasas: promueven la transferencia de distintos grupos químicos entre una molécula
donadora y una aceptora. Dentro de las más estudiadas se incluye a las glicosil transferasas, amino
transferasas y fosfo transferasas.
3. Hidrolasas: llevan a cabo la ruptura de enlaces covalentes con la introducción de una molécula
de agua. Las enzimas hidrolíticas (que incluyen a las amilasas, esterasas, glicosidasas, lipasas y
proteasas, entre otras) son las que se utilizan, con mayor frecuencia, como aditivos en la industria
alimentaria.
4. Liasas: rompen enlaces para la eliminación de un determinado grupo químico del sustrato y
forman dobles ligaduras sin la introducción de moléculas agua. Entre ellas se encuentran: aldolasas,
descarboxilasas, deshidratasas y pectina liasa.
5. Isomerasas: catalizan el rearreglo espacial de grupos del sustrato sin modificar su composición
química; y son: epimerasas y racemasas.
6. Ligasas: promueven la unión covalente de dos moléculas acopladas con la ruptura de un enlace
pirofosfato proveniente de ATP, UTP o CTP, como fuente de energía. El término ligasa es
sinónimo de sintetasa.
El segundo dígito de la nomenclatura corresponde a la subclase de enzima, por ejemplo, en el caso
de las hidrolasas se refiere al tipo de enlace que hidroliza: el 3.1 de enlaces éster, el 3.2 de enlaces
glucosídicos, el 3.4 de enlaces peptídicos, etcétera.
El tercer dígito es una subdivisión y ofrece más información con respecto al sustrato que utiliza la
enzima. Por lo tanto, si se tiene una hidrolasa de uniones éster (3.1), el tercer número indicará si se
trata de un enlace éster carboxílico (3.1.1), tioéster (3.1.2), monofosfato (3.1.3), etcétera.
Finalmente, el cuarto dígito indica el número serial de la enzima en el grupo correspondiente. Los
seis grupos de enzimas indicados corresponden a reacciones importantes en el metabolismo celular;
no todas de igual importancia para la industria, el procesamiento o el deterioro de alimentos.
81
82
4.4.2 ENZIMOLOGÍA APLICADA A PROCESO INDUSTRIAL.
El uso de enzimas para la producción de alimentos se remonta muchos siglos atrás. En la
antigüedad, diversos pueblos utilizaban las hojas de ciertas plantas para envolver carne, lo que
facilita la acción de proteasas vegetales (papaína, bromelina y ficina) sobre las proteínas del tejido
animal, provocando su ablandamiento. Así mismo, algunos grupos humanos utilizaban el estómago
de corderos y becerros como recipiente, causando accidentalmente la coagulación de la leche con
enzimas asociadas a este órgano. Ahora se sabe que la acción de las proteasas presentes en el
estómago (principalmente quimosina) sobre las caseínas provoca su coagulación, proceso que es
indispensable en la manufactura del queso.
En el sector alimentario, el interés actual de la aplicación de enzimas en procesos —tecnología
enzimática— se enfoca a la conservación de alimentos o de sus componentes (por ejemplo,
vitaminas), al uso más eficiente de materias primas y al mejoramiento de la calidad sensorial de
los alimentos (textura y sabor). Así mismo, se han utilizado enzimas para: producir alimentos bajos
en calorías y eliminar compuestos antinutricionales de ciertas materias primas. Otros ejemplos de
la tecnología enzimática actual se enlistan a continuación:
El uso de enzimas en medios no acuosos para la producción de compuestos quirales y para
la síntesis de polímeros especiales.
La síntesis de edulcorantes, como el aspartamo, empleando la reacción inversa de una
proteasa.
La producción de ciclodextrinas a partir de almidón.
El diseño de enzimas “a la medida” de acuerdo con los requerimientos del proceso —
ingeniería de proteínas y evolución dirigida— logrando modificar su estabilidad térmica o
su especificidad.
La producción n a gran escala de enzimas por medios de ingeniería genética. La quimosina
recombinante fue la pionera en esta área.
La aplicación de enzimas o de células inmovilizadas en la producción de materias primas
de aplicación en alimentos, como en la producción de jarabes fructosados, de trehalosa y
de isomaltulosa; de ácido fumárico; o de aminoácidos como el ácido aspártico o la alanina.
El control de calidad de ciertos alimentos se puede llevar a cabo rutinariamente de manera indirecta
a través del análisis de la actividad de ciertas enzimas; la presencia o la ausencia de algunas enzimas
en particular se relaciona con una determinada condición microbiológica o química de un producto.
Por ejemplo, la pasteurización y el escaldado son procesos térmicos que se han diseñado para la
eliminación de ciertas enzimas o microorganismos. En este sentido, se ha encontrado que la
inactivación de la peroxidasa (EC 1.11.1.7) puede indicar el grado de escaldado en vegetales, que
como ya se ha explicado anteriormente, se utiliza para inactivar enzimas que causan el
oscurecimiento de tejidos vegetales. Si la peroxidasa se inactiva totalmente, eso indicaría un
tratamiento excesivo que repercutiría en detrimento de la textura del vegetal. El tratamiento
83
correcto sería tal que se conservara del 5 al 10% de la actividad presente originalmente. La
actividad de esta enzima también se ha utilizado para determinar el tratamiento óptimo para
desnaturalizar enzimas lipolíticas que pueden causar rancidez en avena.29
Otro ejemplo importante es la determinación de la actividad de la fosfatasa alcalina endógena de
la leche (EC 3.1.3.1), como indicador de la eficiencia del proceso de pasteurización. La prueba es
muy sencilla, ya que su presencia se mide colorimétricamente utilizando fenilfosfato como sustrato
y midiendo la absorbancia del fenol que se libera.
ACTIVIDAD 6.- Define cofactor, coenzima, ribozima, sustrato, isoenzima.
84
MÓDULO V
“QUÍMICA Y PROCESOS
SUSTENTABLES”
5.1 CIENCIAS NATURALES Y PROCESOS SUSTENTABLES
Uno de los conceptos más utilizados en la actualidad es el de sustentabilidad; aunque este
término se utiliza en diversos contextos, de manera general se puede definir como: el equilibrio
que existe entre una comunidad y su medio para satisfacer sus necesidades.
La Comisión Mundial para el Medio Ambiente y el Desarrollo (CMMAD), establecida por la
Organización de las Naciones Unidas (ONU) el 19 de diciembre de 1983, definió el concepto de
sustentabilidad como un modo de vida individual que parte de una forma particular hasta llegar de
una forma general al desarrollo sustentable como el “desarrollo que satisface las necesidades del
presente sin comprometer las capacidades que tienen las futuras generaciones para satisfacer sus
propias necesidades”.
En la actualidad, diariamente el ser humano lleva a cabo diversas actividades, de manera
consciente o inconsciente, que lesionan y destruyen el medio ambiente, como la tala de árboles, la
pesca, la destrucción de selvas, debido al crecimiento desmesurado y sin proyección de la
población; sin duda todo esto afecta a los ecosistemas de forma negativa, así como el buen
funcionamiento de los sistemas naturales.
Principios de la sustentabilidad:
a) En la naturaleza todo se recicla y nada se acumula.
b) El desarrollo de los organismos se basa en el uso de recursos naturales renovables y en el
flujo de la energía solar.
c) La biosfera es una coevolución de todos los seres vivos en la que estos tienden a formar
paulatinamente nuevos niveles de organización, que sustenten una mejor funcionalidad.
La teoría del desarrollo sustentable ha llegado al análisis de las aportaciones de la ciencia y la
tecnología para lograrlo. Al respecto señala el filósofo Diego Lawler: la ciencia y la tecnología se
relacionarían con el desarrollo sustentable básicamente a través de dos vías. Por un lado,
investigando las interdependencias entre los sistemas económicos, sociales y medioambientales,
85
con el propósito de identificar los diferentes aspectos de esta interdependencia, así como su grado
de interrelación y afectación recíprocas; por otro lado, produciendo innovaciones tecnológicas para
volver más eficiente el uso de los recursos naturales, la explotación de fuentes de energía
renovables, etc.
Actividad 1: Escribe la relación y las aportaciones que podría desempeñar un Ingeniero Químico
en una sociedad sustentable.
5.2 ÉTICA, PERSONA Y SOCIEDAD
Actividad 2: Define ética en términos generales y menciona en base a tu opinión el perfil de
conocimientos y valores con el que debe contar un profesionista de la química al día de hoy.
Actividad 3: ¿Cómo consideras que ha evolucionado México en temas de sustentabilidad? ¿Qué
medidas consideras que es necesario implementar para obtener mejores resultados?
86
5.3 QUÍMICA INDUSTRIAL
La química industrial, está muy estrechamente relacionada con la práctica de la química verde,
desde la perspectiva y el contexto de la ecología industrial.
La química verde puede definirse como la aplicación de la ciencia y la manufactura químicas
de una manera sostenible o sustentable, segura, no contaminante y que consuma cantidades
mínimas de materiales y energía mientras se produce poco o ningún material de desecho. La
práctica de la química verde comienza con el reconocimiento de que la producción mediante
procesos, el uso y la disposición eventual de los productos químicos pueden causar daños cuando
se realizan incorrectamente. En el cumplimiento de sus objetivos, la química verde y la ingeniería
química verde pueden modificar o rediseñar totalmente procesos químicos y productos con el
objetivo de minimizar los residuos y el uso o la generación de materiales particularmente
peligrosos.
La química verde es la química sustentable. Hay varios aspectos importantes que definen la
química verde como sostenible o sustentable:
Económico: A un nivel alto de complejidad, la química verde cuesta normalmente menos
en términos estrictamente económicos (aparte de los costos ambientales) que la química
convencional.
En materiales: Usando eficientemente los materiales, reciclando al máximo y con el uso
mínimo de materias primas vírgenes, la química verde es sostenible con respecto a los
costos y uso eficiente de materiales.
Residuos: Reduciendo tanto como sea posible, incluso, eliminando totalmente su
producción, siendo sostenible con respecto a los residuos.
Actividad 4: Investigue los principios de la química verde
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5.4 USO EFICIENTE DE ENERGÍA
Existe un consenso creciente acerca de la necesidad y posibilidad de dirigir los esfuerzos de la
investigación e innovación hacia el logro de tecnologías eco-amigables (amigables
ambientalmente) y, más en general, de desarrollos científicos y tecnológicos favorecedores de la
transición a la Sostenibilidad.
Ello incluye desde la búsqueda de nuevas fuentes de energía, limpias y renovables, al incremento
de la eficacia en la obtención de alimentos, pasando por la prevención de enfermedades y
catástrofes, el logro de una maternidad y paternidad responsables y voluntarias o la disminución y
tratamiento de residuos, el diseño de un transporte de impacto reducido, etc. Este nuevo
planteamiento exige superar la búsqueda de beneficios particulares a corto plazo (sin tomar en
consideración sus consecuencias ambientales y sociales) que ha caracterizado, a menudo, el
desarrollo tecnocientífico, así como la idea simplista de que las soluciones a los problemas con que
se enfrenta hoy la humanidad dependen, sobre todo, de tecnologías más avanzadas, olvidando que
las opciones, los dilemas, a menudo son fundamentalmente éticos. Asistimos así a la emergencia
de la Ciencia de la sostenibilidad, un nuevo campo de conocimiento que busca conocer los
fundamentos de las interacciones entre sociedad y naturaleza para promover el Desarrollo
Sostenible.
5.4.1 TÉRMICA
El descubrimiento del fuego marcó un parteaguas en la historia de la humanidad, en donde la
energía en forma de calor y de luz permitió un avance sustancial en el desarrollo social y
económico. La historia de la humanidad va a la par de la disponibilidad del recurso energético y su
aprovechamiento; así, las primeras comunidades cazadoras y recolectoras se fueron transformando
en agrícolas sedentarias, posteriormente en incipientes sociedades industriales, hasta la actualidad,
en la que el incesante avance tecnológico transforma día a día nuestra cotidiana existencia.
El recurso solar se entiende como la energía que en forma de radiación térmica procedente del Sol
llega a la superficie terrestre y se puede utilizar para algún proceso energético.
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Espectro solar en el tope de la atmósfera y al nivel del mar Fuente: NASA images
Actividad 5: investigue qué es un termoconversor solar (TCS) y explique brevemente cómo
funciona.
5.4.2 EÓLICA
La contribución de las fuentes renovables de energía a la energía primaria del país fue escasa en el
periodo de 1990 al 2000, esto debido a su baja producción. La participación de las energías
renovables se mantuvo estable hasta el 2004, y fue entre los años 2005 y 2006 que tuvo un
crecimiento acelerado en materia de generación eléctrica y transporte. El reciente crecimiento, se
debe a una mezcla del rápido aumento de los precios de los hidrocarburos desde 2004, de la
profunda preocupación del cuidado del ambiente, el aumento de la disponibilidad del recurso
89
hidráulico después de la temporada de sequía en los años 2000 y 2001, y el amplio apoyo de las
políticas.El mercado eólico experimentó dos periodos de gran crecimiento. En 1978, con la
aprobación de la PURPA, y en 1992 cuando se estableció el Crédito Fiscal para la Producción
(Production Tax Credit, PTC). California fue el primer estado en el que se observó un pronto
crecimiento en el primer periodo, donde posteriormente se fueron anexando otros estados.
Posteriormente, a finales de los años 90, la industria eólica presenta una gran difusión gracias a la
combinación del PTC, establecido en 1992, la continua depreciación, y las políticas adoptadas en
algunos estados, tales como el RPS. Por ejemplo, en 2001, cerca de 1000 MW fueron instalados
en Texas. Actualmente, la intermitencia en el servicio no es un obstáculo serio para los proyectos
eólicos, esto debido a que la energía puede ser inyectada a red sin mayor dificultad. El apoyo se
dio gracias al acuerdo entre las compañías eléctricas y generadoras, junto con el gobierno federal
que trabajaron en colaboración para la discusión de los temas relacionados al crecimiento de dicho
energético en un futuro, para así poder abastecer junto con las plantas hidroeléctricas.
5.5 OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS SUSTENTABLES
El desarrollo sustentable es el proceso que crea diseños de productos y servicios que son
sostenibles en términos del ambiente y el uso de recursos tomando en cuenta la necesidad del
producto y la población. Toma en consideración los siguientes elementos:
Eficiencia del uso de los recursos: Considera la energía y los materiales utilizados en la
fabricación, la producción de los componentes y la fase de uso. También incluye la
selección de materiales que favorezcan el uso de materia locales, renovables, reciclados y
que utilicen poca energía, y evita aquellos que sean escasos o contengas materiales tóxicos
potenciales.
Calidad de los productos: Incluye el uso, necesidad y función del producto, la durabilidad,
el óptimo tiempo de vida, la eficiencia de energía, el uso adecuado de los materiales y el
terminado (relación costo-beneficio).
Organización y eficiencia en la producción: Incluye procesos mejorados de manufactura en
término de recursos, trabajo manual y maquinaria, además del uso y el desarrollo de las
tecnologías apropiadas y la energía renovable.
Cultura y capacidades locales: Incluye la comprensión y aplicación de la cultura y el
conocimiento local, las necesidades de los pueblos locales, las tradiciones y las capacidades
(técnicas y económicas) a lo largo de todo el proceso productivo. Asimismo incorpora y
favorece el uso de productos locales y el consumo a nivel local.
Mercado: Incluye el análisis e investigación de las oportunidades del mercado que consigan
procesos económicos sostenibles.
Impacto ecológico: evalúa si la producción de determinados procesos y productos tienen
un efecto perjudicial debido a las emisiones de los residuos en el proceso.
Se debe considerar la intensidad y optimización en el uso de los recursos involucrando las culturas
locales, la eficiencia de la producción y mejora en la calidad del resultado.
90
BIBLIOGRAFIA:
MICHEL T MANDIGAN, JHON M. MARTINKO, PAUL V. DUNLAP & DAVID P. CLARK. (2009).
BIOLOGIA DE LOS MICOORGANISMOS. MADRID (ESPAÑA): PEARSON ADDISON WESLEY
FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA DE QUÍMICA INORGÁNICA. EDITORIAL TEBAR FLORES.
IRA N. LEVINE. (2004). FISICOQUÍMICA. MADRID: MC GRAW HILL.
LABORATORIO DE BIOQUÍMICA CLÍNICA
MANUAL DE PROCEDIMIENTOS DE TECNOLOGÍA FARMACÉUTICA I Y II, UNIVERSIDAD
VERACRUZANA.
FUNDAMENTOS Y TECNICAS DE ANALISIS DE ALIMENTOS, UNAM.
JOSE LUIS VILA JATO. (2001). TECNOLOGIA FARMACEUTICA II: FORMAS FARMACEUTICAS.
ESPAÑA. SINTESIS S.A.
SALVADOR BADUI DERGAL (2006) QUIMICA DE LOS ALIMETOS MÉXICO: PEARSON EDCACION.
INTRODUCCION A LA QUIMICA DE LOS ALIMENTOS
MICROBIOLOGIA “PRESCOTT”
BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR “GERALD KARP”
QUIMICA ORGANICA “ALLINER”
MANUAL DE IDENIFICACION DE COMPUESTOS ORGANICOS.
ANALISIS DE LOS ALIMETOS “METODOS ANALITICOS Y DE CONTROL DE CALIDAD” “R. LEES”
PRINCIPIOS DE ANALISIS INSTRUMENTAL “SKOOK – HOLLER – NIEMAN”
QUIMICA “CHANG”
FUNDAMENTOS DE QUIMICA ANALITICA “SKOOG – WEST – HOLLER – CROUCH”
INTRODUCCION A LA QUIMICA AMBIENTAL “STANLEY E. MANHN”
QUIMICA ORGANICA “JHON MCMURRY”
OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA “NARREN – SMITH – HARRIOTT”
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