“DETERMINACIÓN DE PESOS MOLECULARES DE
BIOPOLÍMEROS POR MEDIDAS VISCOSIMÉTRICAS” Bermeo Acurio Adrián Vinicio Laboratorio de Bioingeniería, Facultad de Ciencia e Ingeniería en Alimentos, Universidad Técnica de Ambato
RESUMEN El presente trabajo muestra de una manera clara la determinación del peso molecular del compuesto; cuya masa se determinó empleando medidas viscosimétricas, ya que la viscosidad es una de las propiedades más importantes de las soluciones poliméricas, debido a que esta depende de la estructura química del polímero, de las interacciones con el disolvente y del peso molecular. Se determinó la masa molecular utilizando un viscosímetro capilar tipo Cannon. La viscosidad intrínseca fue calculada gráficamente usando la ecuación de Huggins, mientras que para el peso molecular se empleó la de Mark – Mark –Houwink. Houwink. La viscosidad de las soluciones fue dependiente de la concentración del polímero. polímero . La disolución de quitosano fue caracterizada como un fluido newtoniano, la masa molecular del biopolímero fue de 175058,44
y una viscosidad
de 10,94.
INTRODUCCIÓN El método viscosimétrico introducido por Staudinger, para la determinación de pesos moleculares. Se basa en el fenómeno que causan las moléculas filiformes de un marcado incremento en la viscosidad del solvente en el cual están disueltas (siend o más alto el incremento cuanto mayor sea el peso molecular del polímero). Este método únicamente es válido para moléculas que sean lineales o ligeramente ramificadas, fallando cuando se aplica a moléculas esféricas o altamente ramificadas, como son, las proteínas globulares, glicógeno (Tharanathan, 2003). Las determinaciones del peso molecular implican hacer mediciones de viscosidad, las cuales, se llevan a cabo en viscosímetros capilares: a tan bajas concentraciones, que la densidad de la solución es casi igual a la densidad del solvente. De esta manera, las mediciones de viscosidad de solución se reducen únicamente a la comparación del tiempo de flujo t requerido para un volumen específico de una solución de polímero al fluir a través de un tubo capilar con el
correspondiente tiempo de flujo to para el solvente. A partir de t y to y la concentración del soluto, se derivan algunas cantidades, las cuales, definen ecuaciones y nombres que se dan en la tabla IV (Cragg, 1996).
Existen dos formas para nombrar estas cantidades. Una que ha tenido gran aceptación y aplicación; y la otra que fue propuesta para mayor claridad y precisión. Para el presente trabajo se usará la nomenclatura UI. En este sistema la concentración c está expresada en gramos por centímetro cubico (Unión Internacional, 1952). El objetivo de la práctica es la determinación de pesos moleculares de biopolímeros por medidas viscosimétricas.
MATERIALES Y MÉTODOS Peso Molecular Se utilizó el método viscosimétrico y la ecuación de Mark-Houwink. Recordando que los valores de k y α son específicos pa ra el solvente y el polímero utilizado, siendo para el caso de quitosano solución de acetato de sodio 0,2 M y ácido acético 0,3 M. K= 0,074 y α= 0,76. Se preparó una solución estándar de quitosano con aproximadamente 0,5 g de biopolímero por 100 ml de solución de acetato de sodio y ácido acético. Se evitó la formación de grumos.
Soluciones diluidas Se determinó los coeficientes de algunas soluciones a partir de la original del polímero. Estas concentraciones se obtuvieron por diluciones sucesivas y se debe ser muy cuidadoso en el procedimiento para minimizar errores en los datos. Se trabajó con las siguientes diluciones: Solución estándar, ¾, ½, ¼, y 1/8.
Medida de la viscosidad Se colocó 10 ml de muestra problema en el reservorio y se estableció por triplicado el tiempo de escurrido para cada una de las muestras. (Figura 1). Se determinó la densidad de cada solución por gravimetría.
Fig. 1. Esquema para la determinación de tiempo de escurrido con un viscosímetro capilar de Cannon.
CALCULOS Y RESULTADOS
Tabla 1: Datos obtenidos del tiempo y viscosímetro para cada concentración Dilución
[g /ml]
Densidad (g/ml)
Viscosímetro
Constante Visosimetrica
t 1 (seg)
t 2 (seg)
t 3 (seg)
1
0,005
1,0559
D202
0,03577
306
302
316
¾
0,00375
1,0105
D202
0,03577
186
195
191
½
0,0025
1,0079
C475
0,014205
329
328
327
¼
0,00125
1,0041
C475
0,014205
220
204
208
1/8
0,000625
0,995
278B
0,014247
120
120
121
-----
1,0078
278B
0,014247
81
85
85
Solvente
Elaborado por: Bermeo, A 2015 Fuente: Laboratorio de Bioingeniería, FCIAL (UTA) = × = 306 × 0,03577 = 10,94 Donde: Ƞ:
viscosidad de la solución de polímero
Ƞ o:
es la viscosidad del disolvente puro
C:
concentración de polímero.
Tabla 2: Diferentes viscosidades a las distintas concentraciones [g /ml]
ƞ1
(cst)
ƞ2 (cst)
ƞ3 (cst)
ƞ prom
(cst)
ƞ (cpoise )
ƞr
ƞ sp
ƞ red
ƞ inh
[Ƞ]
(ml/ g)
(ml/ g)
(ml/ g)
5x 10-3
10,9 4
10,8 0
11,3 0
11,0 1
11,633
9,6 8
8,6 8
1736,74 4
454,08 9
1736,7 4
0,00375
6,65 3
6,97 5
6,83 2
6,82 0
6,892
5,7 3
4,7 3
1263,18
465,84
1263,1 8
0,0025
4,67 3
4,65 9
4,64 5
4,65 9
4,696
3,9 0
2,9 0
1163,66
545,32
1163,6 6
0,00125
3,12 5
2,89 8
2,95 5
2,99 3
3,005
2,5 0
1,5 0
1201,03
733,44
1201,0 3
0,00062 5
1,71 0
1,71 0
1,72 4
1,71 4
1,706
1,4 2
0,4 2
671,968
561,03
671,96 8
Solvent e
1,15 4
1,21 1
1,21 1
1,19 2
1,201
Elaborado por: Bermeo, A. 2015 Fuente: Laboratorio de Bioingeniería, FCIAL (UTA)
Fig. 2: viscosidad reducida vs concentración 1900,000 y = 187710x + 714,58 R² = 0,7893
1700,000 1500,000 C / p s ƞ
1300,000 1100,000 900,000 700,000 500,000 0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
CONCENTRACIÓN (g/ml)
Elaborado por: Bermeo, A. 2015 Fuente: Laboratorio de Bioingeniería, FCIAL (UTA)
Cálculo del peso molecular [] = [714,58] = 0,074 , = 175058,44
0,006
DISCUSIÓN: En la presente práctica se pudo determinar el peso molecular del quitosano con la ayuda del viscosímetro, Para determinar el peso molecular de los polímeros se utilizó un viscosímetro capilar tipo Cannon, equipado con un baño termostático controlado por un recirculador de agua con capacidad de regular la temperatura en ± 0,01ºC. Las muestras de quitosano se prepararon por disolución en una mezcla compuesta de á acetato de sodio 0,2 M y ácido acético 0,3 M. La concentración inicial del polímero fue 5 x10-3 g/mL en todos los casos. Una vez establecidas las condiciones de trabajo se procedió a determinar el tiempo de caída de la disolución polimérica y, a partir de la ecuación de Mark-Houwink., se procedió a calcular su viscosidad la cual indico un valor de 10,94. Dicho procedimiento se repitió para otras cuatro soluciones con concentraciones de 0,00375, 0,0025, 0,00125 y 0,000625 g/m. Según Balanta, 2010 el peso molecular del quitosano es de 6,06.10 5 g/mol mientras que en nuestra practica obtuvimos un valor de 1,75 x 105 g/mol lo que nos indica que no se aleja mucho del valor bibliográfico El valor del peso molecular nos indica que el quitosano es de peso molecular promedio viscoso medio, reflejando que las condiciones de reacción durante la extracción del polímero son las adecuadas. En la figura 2 podemos observar q mientras más viscosidad mayor será su concentración.
CUESTIONARIO a) ¿Cuáles son los principales usos comerciales del quitosano? Química analítica: aplicaciones cromatográficas, intercambiadores de iones, absorción de iones de metales pesados y absorción de ácidos, fabricación de electrodos específicos para metales, etc.
Biomedicina: membrana de hemodiálisis, suturas biodegradables, sustituyentes artificiales de la piel, agente cicatrizante en quemaduras, sistemas liberadores de fármacos, liberación de insulina, transporte de agentes anticancerígenos, tratamiento de tumores (leucemia), control del virus del SIDA, etc.
Agricultura y ganadería: recubrimiento de semillas para su conservación durante el almacenamiento, sistemas liberadores de fertilizantes, aditivo para alimento de animales, en formulación de pesticidas, etc.
Cosméticos: Espumas de afeitar, cremas para la piel y el cuerpo. Dietéticos: Adelgazantes (existe una amplia variedad de productos comerciales que ofrecen el polímero como atrapador de grasas en el estómago, véase figura 1).
Industria: del papel, textil, alimentaria (soporte para inmovilización de enzimas en la producción de maltosa, espesante en alimentos, agente de oxidación controlada, agente preservante) (Larez, 2003)
b) ¿Por qué es importante la determinación del peso molecular de los polímeros? El peso molecular de los polímeros es una propiedad de fundamental importancia para su aplicación. La utilidad y las propiedades mecánicas, asociadas a los materiales poliméricos, son consecuencia de su peso molecular, del cual dependen de forma considerable. Así, en la mayoría de los casos, es únicamente para un determinado intervalo de pesos moleculares, donde una dada propiedad de un polímero será óptima para una aplicación particular. Por todo ello el control del peso molecular es esencial para la aplicación práctica de un proceso de polimerización (López, 2004).
c) ¿Si no dispone de solución de acetato de sodio 0,2 M y ácido acético 0,3 M para la determinación del peso molecular, ¿Qué otro solvente utilizaría para el quitosano? ¿Cambian las constantes k y ∝? Si su respuesta es afirmativa, cuales son los nuevos valores de k y . El quitosano fue suministrado por la Planta de Producción de Productos Naturales y Sintéticos del Centro de Investigación y Desarrollo de Medicamentos (CIDEM), el ácido acético glacial y el cloruro de sodio es un buen disolvente para el quitosano a 25ºC. En ninguno de los casos se observan valores de K mayores de 0,5
d) Los errores sistemáticos son importantes en este experimento. Si su respuesta es sí, explique dónde pueden ocurrir errores de este tipo. Sustente su respuesta con bibliografía y la desviación estándar encontrada.
Los errores sistemáticos si son importantes en este experimento ya que está asociado con el instrumento de medición o las técnicas al utilizarlos. Las condiciones que sirven de fuente a los errores sistemáticos son: Instrumentos mal calibrados o una resolución de escala no apropiada. El tiempo de reacción del observador cuando realiza la medida. En especial en aquellos casos en que la medida depende del tiempo. Tendencia del observador de tomar la medida menor o mayor al leer el valor de la escala y este encontrarse entre dos marcas, esto se realizó en la práctica al medir el tiempo de caída de la solución (Gonzáles, s/f)
CONCLUSIONES
En la presente práctica se pudo determinar con la ayuda de la viscosimetría capilar el peso molecular del quitosano que fue aproximadamente de 1,75 x 10 5 g/mol, indicando que se trata de un polímero de peso molecular mediano.
Se procedió a determinar el tiempo de caída de la disolución polimérica y a partir de la ecuación de Mark-Houwink se logró calcular la viscosidad que fue de 10,49.
Fue de gran importancia saber el peso molecular del quitosano debido a las características propias de los polímeros en cuanto a su formación, y a diferencia de los compuestos formados por moléculas pequeñas, una muestra de polímero está constituida por una mezcla de polímeros homogéneos pero con distinta longitud de cadena y en consecuencia, de diferente peso molecular, por lo que se consideran materiales polidispersos.
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