Introducción

Un solvente orgánico es un compuesto químico que contiene carbono y se utiliza para disolver otras sustancias como pinturas, barnices, grasa y aceite. Estos se caracterizan por ser volátiles lo cual significa que son disolventes que se evaporan a temperatura y presión ambiental generando vapores. (¹) De manera simple se puede definir un solvente como un material (generalmente es líquido) que tiene la capacidad de disolver a otro formando una solución. El más común en la vida diaria es el agua, pero existen también solventes orgánicos (SO) que tienen en su estructura enlaces carbono-hidrógeno (²).

Una característica importante de los SO es su volatilidad, los compuestos orgánicos volátiles (COV's) son hidrocarburos de 2 a 20 átomos de carbono, estos se pueden clasificar en ligeros (2-11 átomos de C) y pesados (12-20 átomos de C) (³). Además, poseen un punto de ebullición inferior a 250°C, cuánto mayor sea la volatilidad (menor el punto de ebullición), con mayor facilidad será emitido desde un producto o superficie hacia el aire. (⁴).

A nivel industrial, los solventes orgánicos son ampliamente utilizados en operaciones de disolución de reactivos, extracción, lavado y separación de mezclas (⁵). Los SO forman parte de una amplia variedad de productos (⁶). Según el Instituto Francés de Seguridad e Higiene (INRS) constituyen lacas y barnices (46%), productos farmacéuticos (9%), colas y pegamentos (6%), tintas de impresión (6%), productos cosméticos (6%), desengrasantes (4%), plaguicidas (2%) y productos de limpieza en seco (1%). Los disolventes más producidos a nivel mundial son ciclohexano, cloruro de metileno, cloroformo, acetona, tolueno, alcohol etílico y otros (⁷).

Los solventes se clasifican, de forma general, en suaves o fuertes para referirse a su poder disolvente en función del material que se desea disolver, y también de forma específica en familias (Hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos alicíclicos, hidrocarburos halogenados, alcoholes, glicoles, cetonas, ésteres, ésteres de ácidos grasos, éteres, éteres de glicol, terpenos, ácidos orgánicos y mezclas complejas de composición variable) , según el grupo químico al que pertenecen (⁷).

A pesar de sus útiles y múltiples aplicaciones, la mayor parte de los solventes orgánicos son altamente volátiles, influyendo en la contaminación del aire y agua (⁸). Los SO ingresan al aire por evaporación, para luego fotodegradarse o bien reaccionar con radicales gaseosos que promueven su oxidación (⁹). A diferencia de los compuestos polares que se degradan con facilidad, algunos son persistentes en el ambiente, como los componentes volátiles clorados, que poseen una vida media de décadas en el medio acuático. La permanencia de los solventes orgánicos en el medio ambiente contribuye al calentamiento global y a la disminución de la capa de ozono (¹⁰). Además, los COV's debido a su reactividad, producen la formación de compuestos secundarios en la atmósfera como el ozono troposférico (O3 ), principal componente del smog fotoquímico (³).

Otra implicación relacionada al uso de solventes orgánicos es su nivel de inflamabilidad, explosividad y toxicidad para los seres humanos, animales y plantas (⁵); en especial los compuestos clorados e hidrocarburos, los cuales poseen efectos crónicos negativos en la salud como cáncer y mutaciones (¹⁰). Además, la exposición a mezclas de solventes, de estireno o tolueno, se ha relacionado con la degeneración auditiva y de balance (¹¹).

En su mayoría, los SO son peligrosos y existen características que intensifican dicha peligrosidad, poniendo en riesgo la salud y el medio ambiente, dichas características son: volatilidad, liposolubilidad, toxicidad, inflamabilidad, explosividad y bioacumulación (¹²). Como resultado de estos efectos adversos, existen regulaciones para evitar la exposición a los COVs, principalmente aquellos con clasificación de problemáticos. La legislación del gobierno Español indica que en una instalación donde se usen COVs con peligros carcinogénicos, mutagénicos o que afecten la fertilidad,se tendrán límites de 2 mg/Nm3 para las frases H340, H350, H350i, H360D o H360, las cuales deberán ser sustituidos en la medida de lo posible. Además, los COVs halogenados con frase H341 o H351 deberán tener un límite de emisión de 20 mg/Nm3 (¹³).

El uso de solventes orgánicos no se limita únicamente al sector industrial, en laboratorios de docencia universitaria de cursos de química orgánica y bioquímica, también se utilizan SO, entre los más destacados se mencionan: hidrocarbonos alifáticos, cíclicos, aromáticos, halogenados, cetonas, aminas, esteres, alcoholes, aldehídos y éteres (¹⁴). Estos compuestos se caracterizan por disolver de manera eficiente los compuestos orgánicos, además, son insolubles en agua, facilitando su separación de este medio (¹⁰). Desde cada recinto educativo se promueve la prevención y la reducción del uso de solventes y se implementan metodologías para la evaluación del riesgo de exposición (¹²).

Debido a los peligros y riesgos asociados de los SO, tanto para el medio ambiente como hacia la salud del ser humano, surgen esfuerzos de organizaciones protectoras del medio ambiente, sistemas de salud y gobiernos por controlar el consumo y producción de estos (¹⁰). Los esfuerzos incluyen la reducción del uso de solventes y la aplicación de metodologías para la evaluación del riesgo de exposición, así como para la selección de solventes orgánicos con un menor impacto hacia la salud y los ecosistemas naturales (¹⁵).

Existen metodologías simples para evaluar el riesgo químico de los reactivos, tanto por inhalación como por vía dérmica y para evaluar su seguridad; estas poseen la cualidad de no necesitar la toma de muestras y el posterior análisis de estas, además, son aplicables a sustancias que no tienen establecido un valor límite ambiental (¹⁶). Algunos de estos métodos, que consideran los factores de riesgo de los SO son: Método basado en el COSHH Essentials del Health and Safety Executive (HSE) como la evaluación simplificada del riesgo por inhalación (I) y (II) (¹⁷), (¹⁸); método basado en lo propuesto por Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS), también aplicado para exposición vía inhalación y con objetivos más complejos (¹⁶), (¹⁹), (²⁰), NTP 897-Exposición dérmica a sustancias químicas evaluación y gestión del riesgo del INSHT (²¹), NTP 135: Seguridad en el laboratorio.''Cuestionario de Seguridad'', del INSHT (²²) y NTP 934 Agentes químicos: metodología cualitativa y simplificada de evaluación del riesgo de accidente, del INSHT (²³).

Una metodología de evaluación de exposición a solventes, de aplicación simple y rápida, que permite clasificarlos según su nivel de riesgo, y que es de carácter descriptiva, facilitando por lo tanto la escogencia segura de los SO para cursos de docencia, o en flujos industriales y empresas farmacéuticas es la CHEM21 selection guide of classicaland less classical-solvent, la cual evalúa un solvente orgánico en función a criterios de seguridad, salud y ambiente (SH&E) (¹²). Esta metodología fue desarrollada por la asociación europea, Innovative Medicines Initiative (IMI)-CHEM21, compuesta por seis compañías farmacéuticas europeas de la Federación de Industrias y Asociaciones Farmacéuticas (EFPIA), diez universidades y cinco pequeñas y medianas empresas. IMI-CHEM21 promueve metodologías biológicas y químicas sostenibles, además apoya financieramente proyectos de investigación y proporciona un paquete de capacitación que garantiza que los principios de sostenibilidad se apliquen y enseñen a los estudiantes (¹²).

La presente investigación tiene como objetivo principal evaluar el impacto en la seguridad, la salud y en el medio ambiente por el uso de solventes orgánicos en cursos de docencia de química orgánica y bioquímica, mediante la aplicación de la guía denominada''CHEM21 Selection Guide of Classical-and Less Clasical Solvents''

Metodología

La evaluación del impacto en la seguridad, la salud y en el ambiente por el uso de solventes orgánicos en cursos de docencia de química orgánica y bioquímica se realizó mediante la aplicación de la guía denominada''CHEM21 Selection Guide of Classical-and Less Classical Solvents'' (¹²). Los SO evaluados son los incluidos en los manuales experimentales de los diferentes cursos que se imparten para la carrera de Química Industrial y cursos de servicios de otras carreras en la Universidad Nacional de Costa Rica. (²⁴), (²⁵), (²⁶).

Para cada solvente orgánico utilizado en los diferentes experimentos, se recopiló información relativa a constantes fisicoquímicas, toxicológicas, riesgos asociados; a la salud humana, a sistemas medio ambientales como los acuáticos, a la atmósfera; así como medidas de seguridad relacionadas a la gestión de productos orgánicos. La principal fuente de información para la obtención de los datos fueron las fichas de seguridad de reactivos, extraídas de páginas web de la UNA, MSDSonline y labchem.com (²⁷,²⁸,²⁹). Recopilados todos los datos anteriores, se obtuvieron los valores de las variables de la salud, seguridad y ambiente (SHE) utilizados por el método. Finalmente, cada solvente se categorizó como como''recomendado'',''problemático'' y''peligroso'' según los criterios de la guía CHEM21 (Cuadro 1). La escala utilizada por el método aplicado para los tres criterios (salud, seguridad y ambiente) oscila entre 1 y 10, representando el valor de 1 el menor riesgo y el valor de 10 el mayor riesgo (cuadros 2, 3 y 4).

La escala utilizada por el método aplicado para los tres criterios (salud, seguridad y ambiente) oscila entre 1 y 10, representando el valor de 1 el menor riesgo y el valor de 10 el mayor riesgo (cuadros 2, 3 y 4).

De acuerdo con la guía CHEM21, para definir el criterio de seguridad del solvente orgánico evaluado se considera el punto de inflamabilidad (FP) y las frases H de cada solvente (Cuadro 2). Con el fin de tomar en cuenta otros peligros, se debe añadir un punto adicional al valor total, en caso de que el solvente; posee una temperatura de autoignición menor a 200°C, disponga de una resistividad mayor a 10 Ω metro y forme peróxidos con facilidad (EUH019 en CLP) (¹²).

La asignación del valor para el criterio relacionado a la salud se muestra en el cuadro 3. El criterio de salud refleja el riesgo laboral asociado a los solventes. La guía CHEM21 se basa en los sistemas de declaración de peligro Clasificación, Etiquetado y Envasado de sustancias y mezclas (CLP) y los pictogramas del GHS. Se debe agregar un punto adicional para el caso de solventes orgánicos con un punto de ebullición menor a 85 °C. En este sistema el agua por sus características posee un valor de''1'', el cual se puede asignar a otros solventes con un punto de ebullición (BP) mayor a 85°C y sin declaraciones H3XX (¹²).''

Finalmente, el valor al criterio de ambiente se realizó mediante la información contenida en el cuadro 4, que considera el punto de ebullición y las frases H de cada solvente.

Recopiladas todas las variables que permiten obtener los diferentes valores de los criterios de seguridad, salud y ambiente, se clasificó cada solvente orgánico de acuerdo con la información contenida en el cuadro 5.

Se generaron bases de datos y patrones de distribución de los solventes orgánicos utilizados en las prácticas de docencia en función a su impacto en la salud, seguridad y el medio ambiente. Además, con el fin de realizar una comparación entre el nivel de riesgo de los tres cursos de docencia evaluados, se utilizó la ecuación (1).

Donde: %HS = Porcentaje de solventes peligrosos del curso evaluado, %PS = Porcentaje de solventes problemáticos del curso evaluado y %P = Porcentaje de prácticas evaluadas

Resultados y discusión

Se realizó una revisión de los solventes respectivos a cada practica de los laboratorios de Bioquímica, Química Orgánica I y II, los experimentos evaluados se indican en el Cuadro 6. Se evaluó un inventario total de 24 reactivos químicos (cuadro 7), de los cuales 14, 11, y 7 corresponden a los cursos de Química Orgánica I, Química Orgánica 2 y Bioquímica, respectivamente. Los solventes orgánicos evaluados desde el punto de vista químico, se categorizan en función a su grupo funcional como; alcoholes (metanol), éteres (éter de petróleo), hidrocarburos principalmente los aromáticos (benceno y azobenceno), halogenados (tetracloruro de carbono, diclorometano y cloroformo) y ciertos ácidos orgánicos como el acético y tricloroacético, los cuales, por su naturaleza, tienen alta toxicidad y generalmente estos compuestos afectan el sistema nervioso central generando problemas neurológicos, una exposición más prolongada genera daños hepáticos, renales y respiratorios en los seres humanos, algunas sustancias son compuestos cancerígenos (³⁰).

Curso de Bioquímica

El cuadro 8 muestra la clasificación de cada solvente orgánico utilizado en el curso de bioquímica. Los valores del criterio de seguridad oscilan entre 1 y 7. Entre los reactivos químicos que presentan un mayor valor están; éter de petróleo, metanol y etanol. El primer SO presenta toxicidad acuática crónica con frase de peligro H411 según el SGA, por su parte el metanol provoca daños en los órganos (H370) y el etanol presenta la generación de vapores inflamables (H225). Por su parte los valores del criterio de salud oscilan entre 3 y 7. Entre los reactivos químicos que presentan mayor valor están; éter de petróleo que se sospecha perjudica la fertilidad o daña al feto (H361) y presenta toxicidad acuática crónica (H411), diclorometano, del cual, se sospecha que provoca cáncer (H351) y el ácido tricloroacético que provoca quemaduras graves en la piel, lesiones oculares graves (H314) y es muy tóxico para los organismos acuáticos (H400).

Un total de 5 son compuestos orgánicos altamente volátiles, con puntos de ebullición mayor a 60 o C, la única excepción es el ácido tricloroacético (temperatura de ebullición de 40) y el éter de petróleo que tiene un BP en un amplio intervalo (40-60 o C). Los valores de los puntos de ebullición le confieren al solvente la capacidad de difundirse en el ambiente afectado la salud de manera inminente (³¹). Los valores del criterio de ambiente oscilan entre 3 y 7.

La figura 1 indica que, del total de los 7 SO evaluados, un 14 % son clasificados como''recomendado'', 43 % como''problemático'' y 43 % como''peligroso''. Entre los SO clasificados como peligrosos se encuentran éter de petróleo, diclorometano con un BP de 40 o C que favorece su difusión al ambiente y el ácido tricloroacético utilizado en la práctica de ¨ACL¨ que provoca quemaduras graves en la piel, lesiones oculares y es considerado tóxico para los organismos acuáticos. Por su parte el ácido acético, cloroformo y metanol son identificados como problemáticos debido al potencial de causar quemaduras graves en la piel y daño ocular, además son sospechosos de causar cáncer y daños en órganos diana. Finalmente, el etanol es categorizado como ¨recomendado¨ debido principalmente a que su BP es de 79 o C.

Las figuras 2, 3 y 4 ilustran la proximidad de cada criterio obtenido experimentalmente con respecto al valor teórico (¹⁰) máximo posible para cada criterio (salud, seguridad y ambiente). Se observa en la figura 2 que la mayoría de los valores para el criterio de seguridad están lejos del valor de 10. Esto obedece a que el criterio fundamental de esta evaluación es el punto de ebullición, y la mayoría de los solventes sobrepasan los 60 o C, asignándose por ende un valor de 1 (menor valor) para el criterio de seguridad.

En el caso de la figura 3 (criterio de salud) se observa un comportamiento distinto al explicado al anteriormente, la mayoría de los solventes orgánicos tiende al máximo valor teórico permitido por el método, esto se debe principalmente a las frases H314, H351, H361, H400 y H411. Finalmente, la figura 4 ilustra los valores experimentales obtenidos para el criterio ambiente, se observa una distribución no homogénea, es decir, 3 solventes (éter de petróleo, diclorometano y ácido tricloroacético) con un valor cercano a 10, 2 solventes con un valor de 5 (metanol y cloroformo) y 2 solventes (ácido acético y etanol) con un valor de 3.

Curso de Química Orgánica I

La clasificación de los SO empleados en el curso de Química Orgánica I según los criterios de salud, seguridad y ambiente se muestra en el cuadro 10, en total se evaluaron 14 solventes. Se incluyen las variables de campo obtenidas y los valores de criterio de salud, seguridad y ambiente.

Los valores del criterio de seguridad oscilan entre 1 y 9. Entre los SO que presentan un mayor peligro para la seguridad se están el éter etílico, hexano, hexeno y tetracloruro de carbono, lo cual se debe principalmente a su bajo punto de inflamación. De acuerdo con el sistema SGA estos SO poseen un código de indicación de peligro H225 (líquido y vapor muy inflamable). Para el caso del hexeno la frase de peligro asignada es de H224 (vapores y líquidos extremadamente inflamables) (³²).

Por su parte los valores obtenidos para el criterio de salud oscilan entre 2 y 10, según este criterio 5 SO son clasificados como''peligrosos'', estos solventes son éter etílico, hexano, benceno, azobenceno y tetracloruro de carbono. El hexano posee una declaración de peligro CLP H362, lo cual indica que posee efectos sobre o a través de la lactancia; el benceno y el azobenceno son carcinogénicos (H350); el tetracloruro es susceptible a provocar cáncer (H351), por su parte, el ácido acético presenta la frase H314, lo que implica que es un solvente que produce graves quemaduras en la piel y lesiones oculares (³²).

Con respecto al criterio de ambiente, 4 solventes orgánicos son clasificados como peligrosos, estos son hexano, ciclohexano, azobenceno y tetracloruro de carbono. El punto de ebullición es la principal variable que influye en el criterio ambiental, debido a que esta propiedad fisicoquímica desempeña un papel importante en la contaminación ambiental, valores bajos (valores menores o cercanos a la temperatura ambiente), implican mayor generación de COV's. Por el contrario, un solvente con un alto punto de ebullición (valores mayores a 60 ⁰C) como el azobenceno, no pueden reciclarse con facilidad y complica operaciones como el secado del producto, lo cual implica que el solvente sea clasificado como peligroso. En general, los solventes éter etílico, ciclohexano, azobenceno, hexano, octanol y tetracloruro de carbono son dañinos para el medio acuático y los seres vivos que lo habitan, provocando efectos nocivos duraderos (H410, H411, H412) (³²).

En la figura 5, se muestra la distribución porcentual de los SO utilizados en las prácticas de laboratorio de Química Orgánica I. Un 28% de los solventes orgánicos son clasificados como''recomendados'' y 36% son categorizados como''problemáticos''.

El 36% de los SO son clasificados como peligrosos (cuadro 11), entre los cuales se encuentran el éter etílico, hexano, benceno, azobenceno y tetracloruro de carbono, lo cual se debe a su alta inflamabilidad y a su bajo BP, a excepción del azobenceno, su clasificación obedece principalmente a su capacidad de generar cáncer. Las sustancias''problemáticas'' son tolueno, ciclohexano, hexeno y ácido acético, esto debido a su volatilidad, inflamabilidad y en el caso de benceno, por su efecto cancerígeno. Finalmente, son categorizados como''recomendados'' el etanol, octanol, ácido maleico y ácido fumárico.

Las figuras 6, 7 y 8 ilustran la proximidad de cada criterio obtenido experimentalmente con respecto al valor teórico (¹⁰) máximo posible para cada criterio (SHE). Se observa en la figura 6 que la mayoría de los valores para el criterio de seguridad están lejos del valor de 10, de estos hay 4 con valor de 1 (octanol, azobenceno, ácido fumárico y ácido maleico), ya que poseen FP superiores a -20 °C.

En el caso de la figura 7 (criterio de salud) se observan 5 SO con valores de 7 y/o mayores, la distribución es no homogénea, destacan SO con valores de 2, 3 y 7, entre ellos; acetona, ciclohexano y tetracloruro de carbono, respectivamente. Finalmente la figura 8 ilustra los valores experimentales obtenidos para el criterio ambiente, se observa una distribución que tiende a la media, es decir; 6 solventes (octanol, acetona, éter etílico, hexeno, ácido fumárico y ácido maleico) con un valor de 5, 4 solventes con un valor de 3 (etanol, tolueno, benceno y ácido acético), 3 solventes (hexano, ciclohexano y azobenceno) con un valor de 7,por último 1 con valor de 10, el tetracloruro de carbono, debido a su bajo punto de inflamación.

Curso de química orgánica II

La clasificación de los solventes orgánicos utilizados en el curso de Química Orgánica II según los criterios SHE, se muestra en el ^{cuadro 12}, en total se evaluaron 11 solventes. Los valores del criterio de seguridad oscilan entre 1 y 7. Solamente el éter de petróleo representa un elevado peligro para la seguridad, lo cual se debe a su FP de -40°C (H225).

Los valores obtenidos para el criterio de salud oscilan entre 2 y 10, los SO que presentan mayor valor son; éter de petróleo, ácido acético y benceno. El primer solvente se sospecha que perjudica la fertilidad o al feto (H361), por su parte el ácido acético provoca quemaduras en la piel y lesiones oculares (H314), por último, el benceno es cancerígeno (H350) y catalogadas por el decreto real español como peligroso, por lo que se recomienda sustituirlo o disminuir su uso (³⁴). De acuerdo con al criterio de ambiente, 1 solvente orgánicos es clasificado como''peligroso'', el cual, corresponde al éter de petróleo y se debe principalmente a que presenta toxicidad acuática crónica (H411).

En la figura 9, se muestra la distribución porcentual de los SO utilizados en el curso de Química Orgánica II, en donde un 36% son clasificados como''recomendados'', 45% son categorizados como''problemáticos'' y un 18% son''peligrosos''. El mayor porcentaje es representado por solventes''problemáticos'' (Cuadro 13), tales como ácido acético, 1-propanol, metanol, tolueno y nitrobenceno. Además, el éter de petróleo y el benceno son''peligrosos'', el primero de ellos debido a su peligrosidad en los tres criterios evaluados (SHE) y el segundo por sus características carcinogénicas.

En las figuras 10, 11 y 12 se muestra la proximidad del valor para cada criterio obtenido experimentalmente con respecto al valor teórico máximo (10). Se observa en la figura 10 que, la mayoría de los SO se alejan del valor teórico, dos solventes se califican con 1 (p-aminofenol, nitrobenceno), dos constan de un valor de 3 (ácido acético, b-naftol), uno se evalúa con un 4 (etanol) y cuatro tienen un valor de 5 (1-propanol, metanol, acetato de etilo, tolueno). Lo anterior se debe a que gran parte de los SO constan de un FP superior a los 0°C.

Para el criterio de salud (figura 11) se observa que, en su mayoría, los valores experimentales son cercanos al valor teórico, se destaca que el benceno alcanza el valor máximo de 10, esto debido efecto cancerígeno. Finalmente, la figura 12 ilustra una distribución de valores homogénea, debido a que la mayor parte de los SO se alejan del valor máximo, seis solventes tienen un valor de 3, cuatro poseen una calificación de 5 y solamente uno tiene un valor de 7 (éter de petróleo).

Conclusiones y recomendaciones

La mayoría de los solventes orgánicos analizados para el curso de bioquímica pueden provocar problemas en la salud como cáncer, graves quemaduras en la piel y lesiones oculares, tal es el caso del tetracloruro de carbono, azobenceno, benceno y éter etílico. Para el caso de los laboratorios de química orgánica I y II, la mayoría de sus SO poseen valores elevados en el criterio de seguridad, esto debido a sus bajos puntos de inflamación y ebullición.

El curso de química orgánica II presenta el menor porcentaje de SO peligrosos, en comparación con los otros dos cursos analizados, sin embargo, son utilizados en este curso productos químicos como benceno y éter petróleo que son clasificados como cancerígenos y tienen efectos agudos sobre el medio ambiente respectivamente.

De acuerdo con el nivel de riesgo calculado según la ecuación 1, se considera el curso de orgánica I como el de mayor peligro (valor de 14), el curso bioquímico como el de menor riesgo con un valor de 4.

La metodología''CHEM21 Selection Guide of Classical-and Less Classical Solvents'', se considera efectiva para la evaluación del impacto en la seguridad, la salud y en el medio ambiente, esta permite escoger de manera efectiva y rápida de determinado solvente orgánico en cursos de docencia, que implica un menor riesgo hacia la salud y seguridad del usuario y hacia el medio ambiente.

Entre las debilidades de la metodología aplicada se indica que esta solamente se basa en las propiedades fisicoquímicas de los solventes y su nivel toxicidad, no considera variables importantes, como concentración del agente químico, tiempo de exposición del usuario, medidas de seguridad ejecutadas durante su manipulación, entre otras. Incluir estas variables en la evaluación del riesgo químico permite generar una visión más amplia para la asignación del nivel de riesgo de una práctica y curso de docencia experimental.