Técnicas de extracción avanzadas en el laboratorio virtual

cartel dentro tecnicas extraccion

  • Título del Recurso: Técnicas de extracción avanzadas en el laboratorio virtual . EN DESARROLLO
  • Keywords: laboratorio, solventes, ultrasonidos, microondas, analitos, laboratorio.
  • Autores (Profesores): Carmen Mejías Padilla, Esteban Alonso Álvarez, Irene Aparicio Gómez, Juan Luis Santos Morcillo, Julia Martín Bueno, Laura Martín Pozo, Marina Arenas Molina, Noelia Gallardo Criado.
  • Autores (Técnicos): Inés Casado Parada, Óscar Gallego Pérez, Santiago García Jiménez, Fernando García Jiménez.
  • DOI: 

 

  • Descripción del Recurso:

La realización de este recurso tiene como objetivo fomentar el aprendizaje de técnicas analíticas avanzadas para la extracción de analitos en matrices complejas, experimentándolo en primera persona en un laboratorio a través de la realidad virtual. El uso de este recurso permite acceder a los estudiantes a diversos niveles de experimentación analítica de forma virtual que, en un entorno real, son de difícil acceso actualmente debido tanto al elevado coste (equipo específico, reactivos, etc.) como a las condiciones de seguridad. Se aplica, además, de esta manera la gamificación en el aula empleando esta técnica de aprendizaje activo capaz de motivar y de enseñar al alumnado de una forma lúdica, pretendiendo así mejorar los resultados. Asimismo, esta herramienta ayuda al docente a poner de manifiesto tendencias actuales de la Química Analítica como la automatización y la simplificación del proceso analítico. Las técnicas de tratamiento de muestra en las que se centra el proyecto son abordadas en distinto nivel de profundidad, en una amplia gama de asignaturas del área de Química Analítica.

El alumnado, previamente a la realización de la simulación de realidad virtual, dispone de un vídeo realizado por el profesorado implicado, en el que se exponen brevemente cada una de las técnicas de extracción, para refrescar sus conocimientos teóricos previos y poder realizar con un gran grado de éxito los ejercicios planteados en la simulación. Posteriormente, el recurso emula un laboratorio de preparación de muestras real mediante la posibilidad de utilizar los distintos equipos de extracción, donde se evaluarían pormenorizadamente las distintas variables a optimizar en el desarrollo de metodologías analíticas (cantidad de muestra, tipo de disolvente, cantidad de disolvente, temperatura, ciclos, presión…), tal y como se hace de manera habitual en un laboratorio real para resolver un problema analítico. A lo largo de la prueba se otorgan puntuaciones a cada una de las técnicas estudiadas teniendo en cuenta los principios de Química Analítica Verde. Así, al final el alumnado, además de conocerlas, podrá compararlas desde el punto de vista de la automatización, rapidez, sencillez, coste o sostenibilidad medioambiental.

  • Aplicación del Recurso:

Este material permite al alumnado de las asignaturas del Departamento de Química Analítica de los Grados en Química, Farmacia e Ingeniería Química y de los diferentes Másteres del área mencionada ampliar sus conocimientos, mediante el entrenamiento virtual, de técnicas analíticas avanzadas de extracción habitualmente empleadas en laboratorios privados y de la administración pública, pero no en laboratorios docentes por su elevado coste y conocer su impacto en el medioambiente.

  • Concepto, teoría, fenómeno, etc… al que el recurso producido contribuye a entender. Breve desarrollo teórico:

Se pretende dar a conocer las diferentes técnicas de extracción avanzadas como por ejemplo las siguientes:

-Extracción con líquidos presurizados: la extracción con líquidos presurizados (PLE, del inglés pressurized liquid extraction) es una técnica de extracción sólido líquido en la que se combinan altas temperaturas (50-200 ºC, que se consiguen por el empleo de un horno) y altas presiones (10.3-20.6 MPa, que se consiguen por el uso de N2) con disolventes líquidos, sin alcanzar el punto crítico de los mismos, es decir, se trabaja por encima de la temperatura de ebullición del disolvente, pero éste se mantiene líquido por medio de las altas presiones. De esta forma, se consiguen extracciones más rápidas y eficaces de muestras sólidas y semisólidas. Para ello, se introduce una cantidad perfectamente conocida de la muestra homogenizada en las células de muestra, junto con materiales de relleno de la célula, siendo uno de los más empleados la tierra de diatomea. Según la cantidad de muestra a extraer, existen comercialmente células de diferentes tamaños.

-Extracción asistida con microondas: técnica basada en la aplicación de radiación microondas (MO) a muestras tratadas con un disolvente para favorecer la extracción de los analitos. La MO son un tipo de radiación no ionizante de baja frecuencia que provoca el movimiento molecular. Se emplean disolventes con un componente polar ya que la radiación MO no es absorbida significativamente por materiales no polares. La absorción de energía por parte del disolvente produce la rotura de los puentes de hidrógeno y mejora su penetración en la muestra. Suele realizarse en sistemas a cerrados a presión elevada en los que, además de la transferencia de energía mediante MO, es posible un aumento de la temperatura de extracción por encima del punto de ebullición normal del disolvente.

-Método QuEChERS: acrónimo de “rápido, fácil, barato, efectivo, resistente y seguro” en inglés Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe. Es un tipo de extracción en fase sólida dispersiva (d-SPE) desarrollada originalmente para la extracción en muestras de frutas y verduras de residuos de pesticidas, aunque ha sido utilizado para la preparación de una gran variedad de muestras y el análisis de otros contaminantes, especialmente en el campo medioambiental y alimentario. Consta de dos etapas diferenciadas. La primera etapa se trata de una extracción sólido-líquido salina basada en disolventes, en los cuales los analitos son extraídos de la matriz utilizando disolventes miscibles en agua (habitualmente acetonitrilo) y grandes cantidades de sal o amortiguadores. Las sales se emplean para favorecer la separación de dos fases inmiscibles, así como, para ajustar el pH y eliminar el agua de la muestra. La segunda etapa es una limpieza o clean-up por dispersión (d-SPE) aplicada con el fin de reducir posibles interferentes que hayan podido ser extraídos de la matriz.

Extracción asistida por ultrasonidos: técnica de extracción sólido líquido basada en la técnica convencional que emplea disolventes orgánicos para extraer compuestos de una matriz sólida. Se introduce un transductor ultrasónico en la unidad de extracción, transformando la señal eléctrica en ondas de ultrasonido. La energía mecánica en forma de ondas de ultrasonido se aplica a las muestras tratadas con el disolvente de extracción, dando lugar al fenómeno de cavitación, que consiste en la generación de pequeñas burbujas de vacío en el líquido, que implosionan en la muestra sólida produciendo altas temperaturas y presiones localizadas. Gracias a este fenómeno, se facilita la extracción de los analitos al incrementar el contacto entre la muestra y el disolvente. Se suele aplicar a las muestras indirectamente a través de un baño de ultrasonidos, que transmite las ondas sonoras desde un recipiente lleno de líquido, normalmente agua, a la mezcla muestra-disolvente.

 

  • Otras utilidades:

El principal objetivo de este recurso ha sido didáctico, sin embargo, también puede tener una finalidad para el desarrollo de la actividad profesional. Además, permite concienciar a los estudiantes sobre el impacto ambiental de la aplicación de las diferentes técnicas para fomentar prácticas más sostenibles. Este recurso permite dar a conocer los laboratorios docentes del Departamento de Química Analítica del Centro Andalucía Tech Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Sevilla.

  • Efectos esperados, observados o posibles en los alumnos o público del recurso:

La implementación del laboratorio virtual sobre técnicas de extracción avanzadas puede generar una serie de resultados positivos en la enseñanza y el aprendizaje:

-Mejor comprensión teórica. El alumnado podrá familiarizarse con los fundamentos teóricos y las variables que se pueden optimizar de cada una las técnicas explicadas a través de los vídeos demostrativos y la simulación en el laboratorio. Además, la experiencia práctica en el laboratorio virtual y la interacción con la herramienta pueden contribuir a una mejora en la retención de conceptos, procedimientos y principios asociados a las técnicas de extracción estudiadas.

-Habilidades prácticas. El alumnado podrá adquirir habilidades prácticas mediante la simulación del procedimiento de extracción en el laboratorio virtual. Podrán simular una extracción de una muestra real, considerando los parámetros ajustables, y al final evaluarán y compararán cada técnica desde el punto de vista de la Química verde.

-Estimulación del pensamiento crítico, aprendizaje autónomo y mejora de la motivación e interés hacia el aprendizaje. En la simulación virtual, el alumnado debe seleccionar los parámetros a optimizar de cada técnica y evaluar si el proceso es respetuoso con el medioambiente, lo que contribuye al desarrollo de su capacidad de pensamiento, además de mejorar su interés y motivación por la investigación científica.

-Aceptación por parte del alumnado. Se prevé que la implementación de este recurso sea bien aceptada por la mayoría de los estudiantes por la influencia positiva que supondrá en su aprendizaje.

-Aceptación por parte de los docentes. Se prevé una buena aceptación por parte de los docentes como apoyo didáctico complementario a las clases de teoría.