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Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
1
ISSN: 2395-9711
Revista
Memorias Ingeniería y Desarrollo
Congreso Internacional de
Investigación Científica
Multidisciplinaria
MEMORIAS CONGRESO INTERNACIONAL DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA MULTIDISCIPLINARIA, Año 1, No. 1, Enero –
Diciembre 2015, es una publicación anual editada por el Instituto Tecnológico de Monterrey Campus Chihuahua, Calle H. Colegio
Militar, 4700, Col. Nombre de Dios, Chihuahua, Chih. C.P. 31300, Tel (614) 439-5000 ext. 5524, www.congresoinvestigacion.com,
[email protected]. Editor Responsable: Elías Solís Rivera. Reserva de Derechos uso exclusivo No. 04-2014-082208051900- 01, ISSN en trámite, ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor, calle Puebla 143, Col Roma, Delegación
Cuauhtémoc. C.P. 06700. Responsable de la última Actualización de este número, Departamento de Investigación del Tecnológico de
Monterrey Campus Chihuahua, Ing. Elías Solís Rivera, Calle H. Colegio Militar, 4700, Col. Nombre de Dios, Chihuahua, Chih. C.P.
31300, fecha de última modificación 5 de Marzo del 2015.
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El Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey es un sistema universitario que tiene como misión formar
personas íntegras, éticas, con visión humanística y competitivas internacionalmente en su campo profesional, que al
mismo tiempo sean ciudadanos comprometidos con el desarrollo económico, político, social y cultural de su comunidad
y con el uso sostenible de los recursos naturales. La misión incluye programas de investigación y desarrollo.
Consejo Editorial
Director del Tecnológico de Monterrey Campus Chihuahua
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Director de la División Investigación y Desarrollo
Dr. Antonio Ríos Ramírez
Director de la Escuela de Negocios y Humanidades
Ing. Ivone Juárez Barco
Director de la Escuela de Ingeniería
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Director Editorial y del Área de Investigación
MCP. Elías Solís Rivera
Lic. Jessica Balderrama Anchondo
MA. María Cristina Torres Espinosa
Revista semestral publicada por:
Tecnológico de Monterrey Campus Chihuahua
Heróico Colegio Militar 4700 Col. Nombre de Dios C.P. 31300
Chihuahua, Chih., México
Teléfono: (614) 439-5000 Ext. 5525
http://www.chi.itesm.mx
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Índice
4938505 Aplicación informática LabView® para identificación y control de proceso en estación
de temperatura
5
5179395 Viabilidad de la construcción de horno tipo reverbero didáctico para optimizar el
proceso de fundición en una IES tecnológica
17
5179536
Diseño de un control automático para optimizar la ignición del proceso de quemado
de gas metano en el relleno sanitario intermunicipal región centro- sur del Estado de
Chihuahua.
29
5188663 DelphiCare 3.0
44
5189036 Diagnóstico económico y estadístico de la calidad. El caso de una planta de vestiduras
en México
52
5230308 Nanotubos de carbono como una alternativa para la transfección de ovocitos maduros
de bos taurus
60
5244669 SolidWorks como Herramienta para seguir la Huella del Carbono
69
5255517 Una mirada a la biolixiviación de minerales sulfurosos complejos
79
5258762 Compuestos ácido poliláctico / grafito expandido. Efecto de la velocidad de
procesamiento en sus propiedades térmicas y mecánicas.
89
5259405
Effect of SBS copolymer chain architecture on miscibility and mechanical properties of
Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) / High Impact Polystyrene/Styrene-Butadiene-
Styrene Blends.
99
5260258 Classification and forecasting for Inventory Management of Spare Parts
106
5260841 Efectos citotóxicos en microorganismos patógenos expuestos a nanopartículas de
plata
114
5261287 Estado del Arte en la Adquisición y Procesamiento de Señales Eléctricas obtenidas por
Electromiografía
132
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4
5261295 Antropología y sociología aeronáuticas, nuevas interdisciplinas para los desarrollos
técnico-tecnológico y socio-cultural del transporte aéreo
141
5261424 Compuestos de PET reciclado/nanopartículas
151
5274686 Análisis de falla de carcaza de transmisión automotriz con fuga de aceite.
159
5282594 Influencia del contenido de LDPE en las propiedades reológicas y de tensión superfical
en mezclas LDPE/PIB
168
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Aplicación informática LabView® para identificación y control de proceso en estación de
temperatura
Autores:
Ana Isabel González Santos
Profesora invitada al ITESM Campus Ciudad Juárez (Enero-Mayo/2015)
Departamento de Automática y Computación
ISPJAE, La Habana, Cuba
Correo electrónico: [email protected]
Alejandro Magdaleno Rodarte Mendoza
Estudiante de 2do semestre IMT
ITESM Campus Ciudad Juárez
Ave. Tomás Fernández Campos 8945. Parque Industrial Bermúdez. C. P. 32470
Correo electrónico: [email protected]
Resumen:
El artículo presenta el desarrollo de una aplicación informática LabView® para la identificación,
sintonía y control PID de una estación de temperatura. Esta estación de temperatura da soporte a un
sistema de prácticas de laboratorios de la materia Laboratorio Integral de Control Automático. La
materia se imparte en el 8vo semestre de la carrera de Ingeniería Mecatrónica en el campus Ciudad
Juárez. El nuevo producto informático permite a los estudiantes, a través de una interface profesional
y acabada identificar, simular y sintonizar un controlador PID digital para el proceso de transferencia
de calor que ocurre en la estación.
Palabras clave: Control de temperatura, control digital PID, interfaz hombre máquina, LabView®.
Abstract:
The article presents the development of a LabView® computer application for identification, tuning
and PID control temperature station. This plant supports a system of laboratory practices of Integral
Automatic Control Laboratory subject. This topic is taught in the 8th semester of studies of
Mechatronics Engineering on campus Ciudad Juarez. The new software product achieves a
professional interface by supporting the three stages through which students must pass in order to
control the heat transfer process in the station: identification and characterization of process, PID
controller theoretical tuning via simulation and direct digital control of temperature process.
Key words: Temperature control, PID digital control, Human Machine Interface, LabView®.
Introducción
El control automático es una ciencia constituida y aplicada en la vida industrial y social de todos los
países y en especial los países altamente desarrollados. La automática ha experimentado desde hace
décadas una generalización importante en países en desarrollo. Los procesos productivos que tienen
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incorporados sistemas automatizados reciben un importante impacto, en especial, en el aumento de
la productividad. Los productos que se obtienen de esta manera tienen garantías de calidad y
seguridad.
Los planes de estudio de las carreras de ingeniería a nivel internacional, y que tienen el control
automático como una de las esferas de actuación del profesional que gradúan, incluyen en sus
programas varias materias o tópicos relacionados con el conocimiento de las técnicas de control
automático. Después de las materias que aportan las bases en modelado, simulación y control
continuo, los estudiantes de últimos semestres reciben las materias de control digital o control
discreto.
El plan del ingeniero mecatrónico que se imparte en el Tecnológico de Monterrey está alineado
totalmente al modelo metodológico casi estándar a nivel internacional, (1). En este plan de estudio,
vigente desde el año 2011, se incluye una materia específica de “Laboratorio integral de control
automático” que cierra todo el campo de actuación de este futuro profesionista. Este laboratorio se
encarga del desarrollo de habilidades desde el modelado de sistemas hasta el control digital.
Las prácticas de laboratorio de esta materia utilizan plantas, diseñadas para todos sus campus y desde
hace varios años por académicos e ingenieros del Tecnológico de Monterrey. En particular la estación
de temperatura le da soporte a un sistema de tres prácticas en esta materia. Esta estación de
temperatura es el soporte para la aplicación informática objetivo de este trabajo, (2).
En sus inicios y durante muchos años la interface con la que se trabajó en la estación fue desarrollada
para LabWindows/CVI. La prestación actual de las computadoras digitales, la evolución de sus
propios sistemas operativos y los aspectos de licencia de software dejaron obsoleta la anterior
aplicación. Esta oportunidad abrió el camino para la actualización y desarrollo de una nueva
aplicación informática para la estación de temperatura en el campus de Ciudad Juárez.
El objetivo de este artículo es mostrar las potenciales y facilidades que ofrece la versión 1.2 del
producto informático logrado por los autores de la aplicación y de este trabajo y que garantizan que
en futuros semestres se pueda seguir explotando la instalación con un medio didáctico “renovado”
que permite el desarrollo de habilidades en los estudiantes y da continuidad a la formación de futuros
ingenieros de la carrera.
Características de la estación de temperatura.
Una imagen de la estación de control de temperatura se muestra en la figura 1.
Figura 1. Estación de control de temperatura, encontrada en el Laboratorio de Control, en ITESM Campus Ciudad
Juárez.
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Este proceso donde se produce el fenómeno físico de transferencia de calor está compuesto por un
ventilador con dos velocidades que pueden ser ajustables a través de un selector, un calefactor
eléctrico formado por una resistencia, un sensor de temperatura del aire LM36, acondicionadores de
señal y un circuito electrónico de potencia, [2]. Este proceso se puede controlar y monitorear a través
del puerto paralelo de una computadora, o bien, a través de una tarjeta de adquisición de datos. Las
señales en este último caso pueden ser de tensión (0-10 volts) y de corriente (4-20 mA).
En sus inicios, este módulo inició su explotación con la interconexión a una computadora, procesador
Pentium MMX, 266 Mhz, 64 MB RAM, 3 GB disco duro, acondicionada con puerto paralelo
adicional para comunicación con el proceso y tarjeta de adquisición de datos "Uribe" para envío y
recepción de datos entre valores de 0 - 10 volts y tarjeta de red para comunicación con impresora y
cargada con software especializado para análisis, diseño y desarrollo de sistemas de control, entre
ellos: MatLab®, CC, LabWindows/CVI, PAI, así como software básico para desarrollo, tal como
C++ y Turbo Pascal 7.0.
Actualmente en el campus Ciudad Juárez, existen 3 de estos módulos, 2 totalmente operativos con
computadoras con prestaciones superiores a las originales. Son computadoras Dell con procesador
Intel® Pentium® 4 a 3.00GHz con sistema operativo de 32 bits Windows® XP Versión 2002 Service
Pack 3 y 1Gb de RAM y con software LabView® Versión 2012 instalado con licencia académica
(3). En estas computadoras y a través de su puerto serie COM 1, se logra la conexión del módulo de
temperatura a la tarjeta de adquisición de datos.
Desde el punto de vista físico y una vez que la estación está encendida, el ventilador o abanico genera
un flujo de aire a la velocidad que se encuentre seleccionada. Este aire circula a través de un conducto
hasta encontrarse con la resistencia calefactora que desprende calor en dependencia de una variable
denominada manipulación que se encuentra en el rango del 0 al 100%. Mientras mayor sea el
porcentaje de manipulación, mayor calor desprende la resistencia, y por principio físico
termodinámico, el aire que sale hacia el exterior es más caliente que el original que impulsa el
ventilador. La manipulación está relacionada con el ancho de pulso o señal PWM, de tensión o
corriente, de un circuito de potencia con el que cuenta la estación, (2).
La estación permite un control externo o analógico actuando sobre el circuito de potencia o el control
digital directo vía la computadora personal. El control digital del proceso descrito se establece a
partir de la señal de referencia que sería la temperatura que se desea alcanzar y la temperatura sensada
por el sensor LM36 en cada instante. La señal de error es la diferencia entre la referencia y la
temperatura actual en tiempo discreto.
Fases o etapas de la ingeniería de control que soporta la aplicación informática
El producto informático integra las tres etapas por las que normalmente un ingeniero de control debe
transitar: la identificación o caracterización del proceso a controlar, la sintonía teórica o simulada del
controlador convencional con algoritmo PID del proceso y la implementación del control digital real
del proceso (4), (5).
En el primer paso o etapa de identificación o caracterización del proceso, el estudiante realiza el
diseño de experimentos y la recolección o pretratamiento de los datos del proceso con el soporte que
le garantiza la estación de control de temperatura. La práctica asociada a esta etapa tiene el propósito
de que el estudiante pueda identificar, obtener y validar un modelo matemático a partir de datos
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experimentales. El resultado a alcanzar en esta fase es la obtención de un modelo de 1er o 2do orden
en el dominio continuo y su posterior transformación al equivalente en el dominio discreto y en
ecuaciones en diferencia (4), (5).
En el segundo paso o etapa de sintonía teórica y control simulado del proceso se simula el proceso
de control como si se estuviera controlando la estación real. Es requisito para interactuar con la
estación en esta etapa haberse apoyado previamente del modelo o los modelos de la etapa 1 obtenidos
y validados. Utilizando los modelos obtenidos y aplicando las técnicas de sintonía de PID el
estudiante debe encontrar los parámetros del controlador que garanticen las características de
desempeño de la respuesta transitoria y estacionaria del proceso. Con dichos parámetros de ajuste
verifica vía simulación el desempeño del controlador sintonizado.
En el tercer paso o etapa de control digital directo el estudiante realiza la comprobación de la teoría
en la práctica. El alumno desarrolla habilidades en el ajuste fino de los controladores. Pasa de la
prueba de parámetros teóricos al ajuste fino por prueba y error como hacen en la vida real los
ingenieros de proceso. En esta práctica el estudiante es capaz de arribar a conclusiones y darse cuenta,
que por inexactitudes del modelo obtenido o presencia de perturbaciones, no todos los controladores
garantizan el desempeño esperado.
Características y facilidades de la nueva aplicación informática
La aplicación informática que se presenta en este trabajo fue desarrollada como ya se expresó en la
versión 2012 de LabView (3) y tuvo sus antecedentes en funciones y componentes de comunicación
de la estación con el computador digital (6). El programa recibe, en dependencia de cada etapa,
valores de entrada como los parámetros de las ecuaciones en diferencias que caracterizan al proceso
a través del modelo discreto de primer orden que identifican los estudiantes o los parámetros de
ajuste de los controladores de tipo PI y PID.
Entre las funciones previas reutilizadas en el desarrollo de la nueva versión aparecen:
Función que comunica el proceso con el computador digital (“Fcomunication.vi”).
Función del controlador PI (“PI.vi”).
Función del controlador PID (“PID.vi”).
Las Figuras 2, 3 y 4 muestran las imágenes de las funciones reutilizadas y mencionadas
anteriormente.
Estas tres funciones o programas no se observan en la aplicación principal dado que su principal rol
es servir como sub – programas que faciliten la labor durante la creación del programa principal y
que utilizó todas estas funcionalidades.
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Figura 2. Panel frontal de la función LabView ® que comunica la estación con el computador digital.
Figura 3. Panel frontal y diagrama de bloques de la función del controlador PI.
Una imagen de la ventana principal de la versión 1.2 de la aplicación se muestra en la figura 5. La
propia ventana ya muestra un acabado profesional y atractivo.
A partir de esta ventana se puede acceder a las tres etapas o fases explicadas y al desarrollo del
conjunto de prácticas de la materia y que son caracterización, control simulado o control real. Ello
se distingue claramente en la ventana en un sistema de tres pestañas tipo “folder” o carpeta.
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Figura 4. Panel frontal y diagrama de bloques de la función del controlador PID.
Figura 5. Interfaz HMI de la sección de Caracterización versión 1.2
Sección de caracterización
En esta sección de la aplicación informática aparece la imagen de la estación real (misma imagen
utilizada en este trabajo).
Aparecen dos controles relacionados al almacenamiento en ficheros. Un control es el directorio
(llamado path en inglés) donde se almacenará el archivo a crear, y el otro control está destinado a
asignarle el nombre a la hoja de cálculo. Cuando se presione el botón de almacenado y si el directorio
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resulta ser válido, el archivo se crea automáticamente, sin interrupciones. Con solo dar clic sobre
dicho botón, se concatena todo para formar un directorio y almacenar el archivo sin interrupción
alguna.
Lo primero que debe realizar el estudiante a su izquierda es decidir el % de la señal de manipulación
para aplicar a la entrada al proceso en lazo abierto y el tiempo de adquisición o muestreo. En el
centro puede observar las señales de entrada y salida en tiempo real y relacionadas con el
experimento una vez que ha dado clic al botón de “Comenzar la adquisición” y hasta que la finalice.
En esta ventana se le ha dado la facilidad de “pausar” o “reanudar” la adquisición durante el
experimento a través de otros dos botones a su derecha.
Sección de control simulado
El uso de esta sección obliga al estudiante a realizar un trabajo previo de aproximar los datos de
experimentos previos a un modelo de primer orden con retardo y a la sintonía o ajuste teórico de
algoritmos PI o PID para el control.
Por este hecho, a la izquierda el estudiante debe incorporar los parámetros del modelo discreto (a, b)
así como el tiempo de muestreo o discretización y los parámetros de acción proporcional, acción
integral y acción directiva del controlador.
Una vez que se pulsa el botón de la derecha de “Comenzar simulación” en las gráficas del centro
aparecerán los valores de la variable de manipulación calculadas por el controlador y de la
temperatura. La simulación puede pararse y reanudarse a través de otros botones.
Dentro de la sección de control simulado, en la gráfica que lleva el historial de temperaturas aparece
la señal de “Referencia”, la cual grafica la temperatura de referencia a alcanzar. Esto simplemente es
una ayuda visual al usuario para saber en la gráfica la posición de la temperatura que se desea obtener
durante la simulación del proceso.
Al igual que en la fase de caracterización, se agregaron los controles relacionados al almacenamiento
directo en ficheros sin interrupción en medio de la corrida del programa. Una vista del panel frontal
de esta sección se encuentra en la figura 6.
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Figura 6. Interfaz HMI de la sección de Control Simulado versión 1.2
Sección de control real
En el control real los datos de sintonía del controlador PID que se incorporan en los controles
respectivos permiten el cálculo de una señal de manipulación que se envía al proceso.
Por consiguiente el resultado de la acción de manipulación aplicada realmente al proceso es mostrado
en tiempo real en las gráficas centrales.
Para terminar con la descripción de la versión 1.2, se crearon dos botones, uno que permite alternar
entre los dos tipos de controladores, y el otro que permite pausar y reanudar el proceso de control
cuando el usuario desee, es decir, se siguen graficando los datos relacionados a la temperatura y de
acción, sólo que si se pausa el control, el usuario es libre de modificar la acción a su gusto y poder
ver esos cambios representados en la gráfica en tiempo real.
Al igual que el control simulado, se añadió la recta de referencia para observar gráficamente la
temperatura deseada. Se añadieron los controles relacionados al almacenado directo en ficheros y
por último, el control, botón, indicador y LED relacionados a la modificación del valor de acción se
movieron a la izquierda de la pestaña donde se encuentran todos los demás controles. Una vista del
panel frontal de esta aplicación se encuentra en la figura 7.
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Figura 7, Interfaz HMI de la sección de Control Real versión 1.2
Soporte y revisiones
El desarrollo de la aplicación utiliza la programación en lenguaje G en LabView® y todas sus
potencialidades en botones e iconografía en el panel de control y eficiencia en el diagrama de bloques
con el uso de funciones (sub-Vi), ciclos, secuencias de control, nodos fórmula, registros de
desplazamiento, entre otros.
Después del lanzamiento de la versión 1.2, el autor Alejandro Rodarte se dedicó a asistir con
frecuencia a la estación real, con el fin de correr el programa durante cierto periodo de tiempo, con
el fin de detectar fallas en la programación de la aplicación y repararlas en toda una etapa de
validación del software. Cada visita realizada aumentaba en uno la revisión de esta última versión,
por lo tanto, se realizaron cinco visitas, donde se detectaron pequeñas fallas en la lógica de algunos
botones y controles que fueron rápidamente corregidos.
Impacto de la aplicación informática
Como se mencionó al inicio del trabajo, los estudiantes de la materia utilizaban varias aplicaciones
aisladas. Las tres fases se encontraban en tres aplicaciones distintas, además de que la interfaz no era
muy amigable del todo y no proveía al usuario de distintas funcionalidades añadidas en la versión
integrada. Con el objetivo de evidenciar la calidad del producto actual obtenido se observan en las
figuras 8, 9 y 10 el antes y el después. Se puede observar a simple vista la mejora que existe entre
ambos proyectos.
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En la etapa de caracterización, en el primer proyecto solo existía el botón de inicio del proceso, y el
nuevo contempló tres botones nuevos: el de pausa y reanudación de adquisición de datos, el reinicio
de la recolección de datos y el almacenado en archivos Excel junto con sus respectivos controles
relacionados. En cuanto a gráficas, ambas contaban con las dos necesarias, sin embargo, en el
proyecto anterior solamente funcionaba la gráfica de la variable temperaturas.
Para terminar el aspecto de los controles, el primer proyecto solamente contempló la variable de
“acción” pero el nuevo proyecto añadió el intervalo de muestreo. También, se puede observar la
forma en la que cambiaron los diseños en general de los distintos elementos encontrados en la
aplicación, otorgándole una mejor identidad, presentación y estética al programa, volviendo la
interfaz más amena y amigable hacia el usuario final.
Figura 8. Antes y después de la sección de Caracterización.
Figura 9.Antes y después de la sección de Control Simulado.
En la etapa de control simulado es bastante obvia la gran mejora que existe entre ambos proyectos.
En el aspecto de los botones de acción, el primer proyecto solo contempló el inicio de la simulación,
en cambio, el nuevo proyecto añadió 5 botones de acción nuevas: la pausa y reanudación de la
simulación, el reinicio rápido de la simulación, el copiado de datos a control real, el alternador PI
/PID y el almacenado en archivos de Excel junto con sus respectivos controles relacionados. En
cuanto a gráficas, ambas cuentan con las dos gráficas necesarias, sin embargo, el primer proyecto
solo contemplaba las rectas de temperatura real y valor de acción calculada, pero el nuevo proyecto
agregó la recta de temperatura de referencia y el valor de acción que se enviaría al controlador.
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Para terminar, en el aspecto de los controles, se puede apreciar en el primer proyecto que solo existen
tres controles: el de temperatura de referencia y los valores de acción proporcional e integral. El
nuevo proyecto contempló la adición de el intervalo de muestreo, los parámetros “a” y “b”, dónde
éstos últimos para poder ingresarlos en el proyecto anterior tenían que ser modificados dentro del
código del programa, algo bastante incómodo para los usuarios, y para terminar, se agregó el valor
de acción derivativa, para incluir todas las acciones del controlador PID.
Para terminar con la comparación entre ambos proyectos, se analiza la sección de “Control Real”.
Figura 1. Antes y después de la sección de Control Real.
Al igual que en las otras dos secciones, se puede observar con facilidad la mejora entre ambos
proyectos. En el caso de los botones de acción, el primer proyecto contaba con el botón de inicio de
control y la inicialización del valor de acción, en dado caso que no se estuviera controlando el
proceso. En el nuevo proyecto, se añadieron cuatro botones de acción nuevos: la pausa de las gráficas,
la pausa del control, el alternador entre controladores PI / PID, y el almacenado directo en hojas de
cálculo con sus respectivos controles relacionados. En cuanto a gráficas se refiere, el caso es muy
similar a la comparación en la sección de Control Simulado, donde el primer proyecto sólo
contemplaba las rectas de temperatura real y la acción calculada, y el nuevo proyecto añadió la recta
de referencia la acción enviada en la vida real.
Para terminar con esta sección, los controles del primer proyecto eran la temperatura de referencia,
y los valores de acciones proporcional, integral y derivativa, dónde éste último no era funcional. En
el nuevo proyecto, se añadió el intervalo de muestreo y se hizo funcional el valor de acción derivativa.
La segunda feria de Automatismos Lógicos llevada a cabo en la institución el día de 5 de Mayo de
2015 representó una gran oportunidad para recibir retroalimentación por parte de los observadores,
y mejor aún, de los mismos estudiantes que cursaban las materias y que habían utilizado los
programas aislados previos, con el fin de conocer si realmente valió la pena asumir el reto de crear
el nuevo proyecto.
Varios docentes y estudiantes de la materia observaron el antes y después de esta aplicación y la
mayoría se quedó impactado por los resultados. La gran mayoría comentaba el cambio radical en la
interfaz hombre – máquina, donde ahora el nuevo proyecto era mucho más amigable hacia el usuario
y a prueba de errores. También, la ampliación de funcionalidades dentro del programa y la capacidad
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de almacenado en ficheros durante y después de ya sea la adquisición, simulación o control fueron
otros factores que llamaron mucho la atención del público espectador.
Conclusiones
Ciertamente la informática y el control industrial marchan a pasos agigantados, y esto permite prever
en cierta forma un cambio brusco en las técnicas de control que se utilizan en la actualidad. El
desarrollo de la versión integrada de las tres fases del control digital, que involucra desde el
algoritmo, la creación de interfaces, y la programación fue indudablemente un reto, sin embargo, los
frutos obtenidos del esfuerzo y tiempo dedicado valieron la pena, ya que esta aplicación podrá ser
utilizada por futuros estudiantes que cursen la materia y de esta forma se les facilita la elaboración
de sus prácticas de control automático.
Una idea que se pretende seguir practicando dentro de este tipo de proyectos es la inclusión de
estudiantes de los primeros semestres que demuestren talento alguno o ciertas habilidades específicas
en los momentos iniciales de la carrera.
La inclusión del coautor del trabajo y de la interface, Alejandro Rodarte entre los autores fue
realmente una excelente experiencia para él, ya que le permitió salir del salón de clases y ser capaz
de aplicar los conocimientos otorgados en las distintas materias que recibe en una aplicación real,
además de poder explotar las habilidades que tiene dentro de su persona. Es muy importante seguir
realizando este tipo de prácticas, ya que se debe aprovechar al máximo las habilidades de los
estudiantes, no solo de ingeniería, sino de distintas ramas o áreas de especialidad, con el fin de que
puedan adquirir conocimiento de aplicaciones reales y adquieran experiencia a más temprana edad y
se encuentren a futuro mejor preparados en la vida profesional.
Referencias bibliográficas
Plan de estudio del Ingeniero Mecatrónico del Tecnológico de Monterrey, Versión vigente desde
2011. Vicerrectoria académica. URL: www.itesm.mx/imt. Actualización del sitio: 2014. Acceso: 20
de Mayo de 2015.
Favela, Antonio R. X., "Control supervisorio difuso para un proceso de temperatura", Tesis de
Maestría en Ciencias en Sistemas Electrónicos, ITESM campus Monterrey, México, enero 1995.
National Instruments, LabView® Versión 2012. URL: www.ni.com.
Ogata, K. Ingeniería de Control Moderna. 5ta Edición, Ed. Prentice Hall, 2010.
Ogata, K. Sistema de control en tiempo discreto. 2da Edición, Ed Prentice Hall Hispanoamericana,
1996.
Fernández Prieto, Adel. “Control del proceso de temperatura mediante HMI realizada con
LabView®”. ITESM, Cd Juárez, 2012.
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VIABILIDAD DE LA CONSTRUCCIÓN DE HORNO TIPO REVERBERO DIDACTICO
PARA OPTIMIZAR EL PROCESO DE FUNDICION EN UNA IES TECNOLÓGICA Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Delicias
Autores. Catedráticos del Departamento de Ingeniería Industrial
Paseo Tecnológico Km. 3.5, C.P. 33000. Cd. Delicias, Chihuahua, México Teléfonos y Fax: (639)1326500.
www.itdelicias.edu.mx
M.C. Mario Abelardo Aguirre Orozco. y Estudiante Doctoral de la Universidad Pedagógica Nacional del Estado de
Chihuahua. [email protected]
M.C. Martha Lilia Delgado Martínez, [email protected]
M.A. Olivia Márquez Monárrez [email protected]
M.C. Julio César Chavarría Ortiz. [email protected]
Ing. Rodolfo Pérez Robles. Profesionista de Subestaciones, Zona de Transmisión Camargo, C.F.E. Gerente General de
Automatización e Ingeniería (AEI) [email protected]
Estudiante. Perla Azucena Serna Chacón [email protected]
Resumen
La Investigación tiene como objetivo principal, identificar la viabilidad de la optimización del
proceso de fundición de un horno tipo reverbero basculante, para transformar diversos materiales,
como el aluminio, el mismo que está destinado al uso didáctico en el Instituto Tecnológico de
Delicias además de ser funcional y económico, de esta manera se incentivara a que los estudiantes
tengan una mayor motivación en este tipo de tecnologías, logrando satisfacer las necesidades
reticulares que a este tema se refiere. El trabajo ha resultado ambicioso, pues ha requerido de una
gran cantidad de tiempo, recursos y energías para su realización, Sin embargo, con el fin de poder
beneficiar a los futuros profesionistas y servir como fundamento para que en un mediano plazo se
logre la construcción de un laboratorio de fundición.
Palabras clave: Fundición, optimizar proceso, horno reverbero, didáctico
Introducción.
Analizando las necesidades reticulares, se observa que no se cuenta con los instrumentos necesarias
para llevar a cabo las prácticas requeridas en las materias de procesos de fabricación de Ingeniería
Industrial, y procesos de manufactura en Ingeniería Electromecánica, además de esto, en esta
investigación se analizan las necesidades de los alumnos en sus horas práctica, buscando la viabilidad
de la elaboración de un prototipo de horno de fundición tipo reverbero basculante, con esto se
pretende que el estudiante al egresar del Instituto cuente con mayores habilidades para su desarrollo
profesional en el mercado laboral.
Los primeros Institutos Tecnológicos surgieron en México en 1948, cuando se crearon los de
Durango y Chihuahua. El Instituto Tecnológico de Delicias perteneciente a la Dirección General de
Educación Superior Tecnológica, DGEST, (2013), inicia sus labores en el mes de septiembre del año
1986 ofreciendo la licenciatura de Ingeniería Industrial con modalidad a nivel nacional, ya que
anteriormente se ofrecía ésta como especialidad adjunta a una carrera. Se adscribe al Tecnológico
Nacional de México, a partir del 23 de Julio del 2014, cuenta con una matrícula estudiantil hasta el
semestre agosto- diciembre del 2015, de 1729 alumnos, inscritos en las seis licenciaturas que se
imparten en esta institución.
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Justificación
El presente trabajo de investigación plantea el análisis estadístico para detectar la viabilidad de la
optimización del diseño del proceso de fundición de un horno tipo reverbero didáctico, ya que en el
ITD no se cuenta con un laboratorio de fundición dentro de sus instalaciones para desarrollar
prácticas de esta índole, así mismo apoyar a las licenciaturas de Industrial y Electromecánica para
que desarrollen prácticas de laboratorio en el área de fusión, tratamientos térmicos de metales, y
dando servicio a todos los alumnos de las carrera antes mencionadas, ya que tienen materias afines
dentro de su esquema reticular. Con esto se pretende optimizar el proceso de fundición, además
prestar servicios externos a otras instituciones de educación, buscando con esto incentivar a los
estudiantes que tengan una mayor motivación al utilizar estas tecnologías y así contribuir en la mejora
de sus insumos con calidad de la enseñanza, y ofrecer servicios externos de capacitación en el manejo
y funcionamiento de este tipo de hornos a las empresas regionales relacionadas con este giro.
Objetivo General
Analizar la viabilidad y la factibilidad para construir un horno tipo reverbero basculante con fines
didácticos para uso de los alumnos de las carreras de Ingeniería Industrial e Ingeniería
Electromecánica y ofrecer servicios externos para la comunidad.
Objetivos Específicos
Realizar un análisis de correlación, para evaluar la viabilidad y la factibilidad del diseño de horno
que sea útil para llevar a cabo distintos procesos de fabricación.
Analizar la importancia que tiene para los alumnos del Instituto Tecnológico de Delicias la
realización de prácticas de laboratorio de fundición
Marco Teórico
El diseño y la construcción de un horno requiere de: estimar el volumen de trabajo a realizar, calcular
del requerimiento de combustible y la estequiometria para una combustión eficiente, seleccionar el
refractario ideal para que resista las altas temperaturas de trabajo sin deterioro y con la menor pérdida
de calor, determinar las dimensiones de la cámara de combustión y la energía necesaria para el
proceso de fusión, llevar a cabo el proceso mismo de construcción y un análisis de los costos de
fabricación y operación (Rosero, 2006). Citado en Rodríguez et al (2014)
El dimensionamiento de la cámara de combustión está relacionado con el volumen necesario para
que se complete dicho proceso, está en función de la cantidad de material a fundir y el volumen que
ocupa en el estado sólido y en la transformación al estado líquido y, en nuestro caso, al tamaño de
las piezas metálicas que se desean tratar térmicamente y las piezas cerámicas que se pretenden
sinterizar (Saltos, 2009).
Es importante conocer todas las características del combustible para calcular el consumo por
kilogramo de material a fundir o para determinar el volumen necesario para elevar la temperatura de
la cámara del horno y de las piezas en su interior hasta el valor deseado (Jenkins, 2008). Se requiere
de cálculos estequiométricos que permitan la determinación de parámetros de operación del horno,
como la relación combustible – aire que permita, a su vez, el diseño del quemador y de la posición
del mismo en la estructura (Holman, 1998). Citado en Rodríguez et al (2014)
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
19
La selección del material refractario requiere del conocimiento de parámetros como la temperatura
de la pared interior, en función a la temperatura máxima requerida para los procesos que en ella
ocurrirán, del espesor de pared requerida, del tipo de combustible a utilizar, del tipo de escoria a
producir, para darle la vida útil mayor al menor costo. También se debe considerar el concreto
refractario (material de unión del ladrillo) y si requiere o no de material aislante para minimizar la
pérdida de calor.
En el estudio térmico se deben definir parámetros como la temperatura exterior del horno, la
temperatura de diseño (temperatura de materiales a fundir, tratar térmicamente o sinterizar), tiempo
de calentamiento, capacidad del horno y temperatura de salida de los materiales. El cálculo de la
energía involucra el calor necesario para calentar hasta antes de la fusión, el calor latente de fusión
y el calor requerido para sobrecalentar el metal y poder vaciar a una temperatura adecuada, o bien
para generar el calor necesario de transformación de fases o de sinterización. Se deben estimar las
pérdidas de calor y analizar los mecanismos de transferencia de calor dentro del horno; conducción,
radiación, convección (Jenkins, 2009).
Para la construcción del horno se necesita determinar los elementos mecánicos requeridos: a) el
cilindro metálico y las tensiones longitudinales y tangenciales en el mismo, b) el peso de la carga, la
cual incluye el peso del refractario y del metal fundido o piezas a tratar así como la estructura misma
y, c) el sistema de carga, el cual debe ser funcional para que el volteo se pueda realizar con el menor
esfuerzo posible (Alvayero, 2009). La figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de
construcción del horno.
Figura 1. Diagrama de flujo del proceso de construcción del horno.
“La fusión es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado sólido
al estado líquido por la acción del calor. Cuando se calienta un sólido, se transfiere calor a los átomos
que vibran con más rapidez a medida que gana energía.” SALVI Giuliano. 1975: La combustión
teoría y aplicaciones, p: 440
“La fusión del aluminio es un proceso que se realiza mediante la adición de energía usando hornos
de diferentes características, los cuales pueden ser muchos en cuanto a tipo y diseño, pero de acuerdo
al tipo de suministro de energía, los hornos de fusión se clasifican en hornos de combustión,
eléctricos y mixtos.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
20
En este caso se utilizara aluminio reciclado. Esta materia prima es conseguida por reciclaje y
posteriormente convertida en lingotes y piezas que se puedan comercializar. Si bien es cierto que el
aluminio tiene un punto de fusión de 660 °C, relativamente bajo en comparación con el bronce 900
°C o hierro 1508°C, sin embargo se precisa un 80% más de calor latente para fundir aluminio que
para fundir bronce. Para obtener éxito en el proceso de fusión es necesario poder medir y/o regular
la temperatura del caldo puesto que una vez que toda la carga se ha fundido, la temperatura
comenzara a elevarse con suma rapidez si es que seguimos con el mismo suministro de calor ya que
el requerimiento calórico será menor y mientras mayor sea el recalentamiento a que somete el caldo
mayores serán los problemas y menor la calidad de la aleación.
Los instrumentos de medición necesarios para sustentar la construcción del horno basculante tipo
reverbero en las instalaciones del Instituto Tecnológico de Delicias para el aprovechamiento de los
alumnos de las carreras de Ingeniería Industrial e Ingeniería Electromecánica se detallan a
continuación, además de las razones por las cuales se eligieron estas técnicas.
La región centro sur no se caracteriza por este tipo de trabajo, esto quiere decir que no hay abundantes
negocios con este giro, por lo que se realizó un censo, para analizar la opinión de los expertos que
en este caso son la Fundidora Tecnológico y Fundiciones Cazares, con ello se analizará la viabilidad
que tiene la construcción del prototipo de horno de fundición basculante reverbero así como saber si
esto contribuirá en el desarrollo académico de los estudiantes de las carreras de Ingeniería Industrial
e Ingeniería Electromecánica del Instituto Tecnológico de Delicias.
Anexo a esto se aplicó una encuesta de la población de estudiantes del Instituto Tecnológico de
Delicias de las carreras de Ingeniería Industrial e Ingeniera Electromecánica de las materias de
procesos de fabricación y procesos de manufactura de las licenciaturas anteriormente mencionadas,
para conocer su criterio sobre el beneficio que les aportara en su desarrollo académico, así como su
opinión sobre la realización del prototipo de horno de fundición. Con un total de 100 estudiantes que
actualmente cursan estas materias en el periodo Enero – Junio 2015.
Metodología.
Esta investigación se centra en un enfoque cuantitativo ya que a lo largo de la búsqueda de
información para la validación de este proyecto se aplicaran diferentes técnicas e instrumentos de
medición con el fin de encontrar la información pertinente para este trabajo. Es de crucial importancia
la recolección de los datos necesarios y buscar las bases firmes de la construcción del prototipo del
horno de fundición basculante reverbero y así llegar a las conclusiones pertinentes.
Las hipótesis planteadas son:
H0: los alumnos de las carreras de Ingeniería Industrial y Electromecánica no se verán beneficiados
con el prototipo de horno de fundición en su desarrollo académico
H1: los alumnos de las carreras de Ingeniería Industrial y Electromecánica se verán beneficiados con
el prototipo de horno de fundición en su desarrollo académico
Se aplicó una encuesta a los alumnos que actualmente están cursan la materia de procesos de
fabricación en la carrera de Ingeniería Industrial y procesos de manufactura en la carrera de
Ingeniería Electromecánica, cursándola un total de 100 estudiantes, en el ciclo Enero – Junio 2015.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
21
Para calcular el tamaño de la muestra citado en Gordillo, Martínez y Valles (2013, p. 54) se consideró
lo siguiente:
El porcentaje de confianza con el cual se quiere generalizar los datos desde la muestra hacia la
población total, el porcentaje de grado de confianza es de 95%, para el error se aceptó entre 4% y
6%, tomando en cuenta que son complementarios la confianza y el error. De lo anterior se desprende
la siguiente fórmula.
𝑛 =N ∗ 𝑍𝛼
2 ∗ 𝑝 ∗ (1 − 𝑝)
𝑒2 ∗ (𝑁 − 1) + 𝑍𝛼2 ∗ 𝑝 ∗ (1 − 𝑝)
Dónde:
n=Es el tamaño de la muestra
Z=Es el nivel de confianza
p=Es la variabilidad positiva
q=Es la variabilidad negativa
N=Es el tamaño de la población
E=Es la precisión del error
Por lo tanto:
N = 372 Estudiantes
Z = la confianza es del 95%, es decir, el intervalo de confianza es P (-1.96<z<1.96)
p = 0.5 q= 0.5
N=5%
Sustituyendo en la ecuación
n = 100(1.96)2(0.5)(1-0.5)/99(0.05)2+(1.962)2(0.5)(0.5)=96.04/1.2098=79.38
Dando un resultado de 80 encuestas las que se aplicaron pero para mayor precisión se amplió el
número de participantes y tener una mayor confiabilidad del instrumento
Recolección de Datos
La presente investigación fue realizada en el Instituto Tecnológico de Delicias el cual está ubicado
en avenida tecnológico km 3.5 en Ciudad Delicias Chihuahua, se recabaron datos para encontrar la
viabilidad de la construcción de un horno de fundición basculante reverbero aplicando una encuesta
a los alumnos de Ingeniería Industrial e Ingeniería Electromecánica que actualmente cursan la
materia de procesos de fabricación para la carrera de Ingeniería Industrial y procesos de manufactura
en la carrera de Ingeniera Electromecánica ya que para estos alumnos en este momento
probablemente exista la necesidad de el desarrollo de diferentes prácticas de este tipo, además se
llevó a cabo un censo para consultar a los expertos en el ramo sobre este tema los cuales son la
fundidora tecnológica y fundiciones cazares, ubicadas en avenida tecnológico km 3.5 y Boulevard
Oscar Flores en Ciudad Delicias Chihuahua respectivamente.
Análisis de los datos
Para llevar a cabo el análisis de los datos se utilizaron técnicas estadísticas las cuales se muestran en el
desarrollo de este punto.
En la Tabla 1, se muestra el comportamiento de las variables analizadas de las cuales su mediana es
cinco, al igual que la moda por lo tanto aparece más frecuentemente que los alumnos del ITD de las
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
22
carreras de Ingeniería Industrial e Ingeniería Electromecánica están totalmente interesados en este
proyecto y consideran que les ayudara en su desarrollo profesional la construcción del prototipo de
horno de fundición, por lo tanto hasta este momento se ha sustentado el desarrollo del prototipo de
horno de fundición.
Tabla 1. Estadísticos evaluados de la encuesta
Correlación.
La correlación es una técnica matemática que evalúa la asociación o relación entre dos variables
cuantitativas, tanto en términos de direccionalidad como de fuerza o intensidad, proporcionando un
coeficiente de correlación (r de Pearson o Spearman).
El concepto de relación o correlación se refiere al grado de variación conjunta existente entre dos o más
variables.
La Tabla 2. Muestra la correlación existente entre las variables que en este caso son las preguntas
llevadas a cabo a los alumnos del ITD de las carreras de Ingeniería Industrial e Ingeniería
Electromecánica de las materias de procesos de fabricación y procesos de manufactura. A continuación
se detalla el análisis llevado a cabo:
Tabla 2. Correlación que existe entre las preguntas analizadas
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
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Por lo tanto se puede decir que existe relación entre todas las preguntas. Analizando la figura 2 se
podría decir que existe relación inversa.
Figura 2. Importancia de llevar a cabo prácticas en las diferentes materias de tu retícula
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
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En la Figura 3. Se muestra la relación inversa que existe entre la pregunta. Si existiera la posibilidad
de asistir a prácticas en las que permitan ver los procesos, ¿te gustaría asistir a ellas? Con respecto a
las demás preguntas analizadas.
Figura 3. Posibilidad de asistir a prácticas en las que nos permitan ver los procesos
En la Figura 4 se muestra gráficamente la relación inversa que existe entre la pregunta ¿Te gustaría
que dentro de las materias te enseñaran a manejar equipos que se utilizan en la mayoría de las
industrias?
Figura 4. En de las materias enseñaran a manejar equipos que se utilizan en la mayoría de las industrias
En la Figura 5 se muestra gráficamente la cierta relación inversa que existe entre la pregunta
¿Consideras que la institución debería de contar con todo lo necesario para realizar las prácticas de
las diferentes materias? con las otras preguntas analizadas.
Figura 5. La institución debería de contar con todo lo necesario para realizar las prácticas.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
25
En la Figura 6 se muestra gráficamente la cierta relación inversa que existe entre la pregunta ¿Según
tu criterio consideras que dentro de las materias que cursas deban de existir diferentes laboratorios
especializados? las preguntas analizadas y observadas en la tabla No. 2.
Figura 6. Las materias que se cursan deban de existir diferentes laboratorios especializados
En la Figura 7 se muestra gráficamente la fuerte relación directa que existe entre la pregunta ¿Le
parece interesante la construcción de diversas herramientas de fundición? con las otras preguntas
analizadas.
Figura 7. Es interesante la construcción de diversas herramientas de fundición
En la Figura 8 se muestra gráficamente la fuerte relación directa que existe entre la pregunta ¿Te
gustaría operar algún horno de fundición? con las otras preguntas analizadas, con ayuda de la tabla
No. 2 de correlación
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
26
Figura 8. Les gustaría operar algún horno de fundición
En la Figura 9. Se muestra gráficamente la fuerte relación directa que existe entre la pregunta ¿Crees
que sea pertinente para tu desarrollo académico la construcción de un prototipo de horno de fundición
con fines didácticos? analizando con las otras preguntas.
Figura 9. Pertinencia de construir un prototipo de horno de fundición con fines didácticos
En la Figura 10 se muestra gráficamente la fuerte relación directa que existe entre la pregunta ¿En
base al desarrollo sustentable de nuestra institución consideras pertinente la reutilización de
productos de aplicación de las 3r con fines de apoyo al Instituto para aprovechar los desechos y
apoyar en la limpieza? y analizando las demás preguntas.
Figura10. Pertinencia de reutilizar productos de aplicación de las 3r con fines de apoyo al Instituto
En la Figura 11. Se muestra gráficamente la fuerte relación directa que existe entre la pregunta
¿Consideras como una oportunidad la construcción de un horno de fundición para elaborar otros
productos al fundir el aluminio, cobre o bronce preferentemente esto con el fin de apoyar en un
trabajo al egresar? Las preguntas analizadas con ayuda de la tabla No. 2 de correlación
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
27
Figura 11. Oportunidad de construir un horno de fundición para elaborar otros productos
Resultados
La presente investigación cumplió las metas para los cuales fue diseñada y logro la validación de la
hipótesis alterna en este caso la cual es que los alumnos de las carreras de Ingeniería Industrial y
Electromecánica se verán beneficiados con el prototipo de horno de fundición en su desarrollo
académico. Además de lograr los objetivos planteados en un principio para encontrar un sustento
valido para la construcción de un horno de fundición en las instalaciones del Instituto Tecnológico
de Delicias, para lo cual se utilizaron algunas técnicas estadísticas para el análisis de los datos
obtenido en la recolección de los mismos. Los cuales fueron obtenidos por medio de un censo a
expertos en el ramo y una encuesta aplicada a los alumnos del ITD de las carreras Ingeniería
Industrial e Ingeniería Electromecánica de las materias de procesos de fabricación y procesos de
manufactura. Encuestando a un total de 89 alumnos y 2 expertos. A partir de esto se puede decir que
los resultados obtenidos fueron favorables ya que el objetivo es diseñar y construir un Horno Tipo
Reverbero Basculante con fines didácticos y para uso de los alumnos de las carreras de Ingeniería
Industrial e Ingeniería Electromecánica. Se encontró una gran interés de los alumnos para con este
proyecto, lo cual puede favorecer el desarrollo académico de los alumnos.
Conclusiones y Recomendaciones
Conforme a los resultados presentados, se puede decir que se ha demostrado que la elaboración del
prototipo de horno de fundición basculante tipo reverbero es una herramienta importante con un gran
impacto para el desarrollo académico de los estudiantes de las carreras de Ingeniería Industrial e
Ingeniería Electromecánica del Instituto Tecnológico de Delicias. Se recomienda que el ITD de
seguimiento a este proyecto para lograr un desarrollo académico más amplio a los alumnos de las
carreras antes mencionada, con esto el alumno lograra tener un desarrollo tanto académico como
practico más propicio para su posterior aplicación en el mercado laboral. Es recomendable que el
ITD apoye este tipo de proyectos ya que propicia el desarrollo académico de los alumnos al buscar
estrategias de mejora para ellos y para su Institución. Este proyecto ayudara en gran medida al
aprendizaje de los alumnos y mayor capacitación de los docentes para otorgar una mejor atención a
sus alumnos y obtener mejores resultados de ambos.
Referencias Bibliograficas
1. Askeland (2011). Ciencia y tecnología de los materiales. Tercera edición. Editorial Thomson
2. Alvayero H. José A., Octubre 2009. Tesis Licenciatura. Escuela Politécnica Quito, Ecuador. Diseño de un
Horno de Fundición de Aluminio.
3. B. H. Amstead et. al. (1997). Procesos de manufactura: versión SI Editorial: CECSA. México.
4. Groover P. (1997). Fundamentos de Manufactura Moderna. 9° Edición. Editorial Pearson Educación
5. Groover P. (2007). Fundamentos de manufactura moderna. Tercera edición. Editorial: Mc Graw-Hill.
México
6. Hernández et. al. (2006). Metodología de la investigación. Cuarta edición. Editorial: Mc Graw – Hill.
México.
7. Holman (1998). Transferencia de calor. Octava edición. Mc Graw-Hill. México
8. James F. et. al. (1995). Ciencia de Materiales para ingenieros, Tercera edición. México: Prentice Hall.
9. Jenkins B., Peter Mullinger. 2008, p 455-505. Industrial and Process Furnaces, Furnace and Design
Methods.
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10. Meyer et. al. (1998). Manual de máquinas herramientas. Primera edición. Editorial Limusa. México.
11. Rodríguez Mercado Rodolfo, Lozano Rodríguez Elvia Dolores. (2014) Construcción de un Horno
Didáctico.
12 Rosero V. Germán, Marzo 2006. Diseño de un Horno de Crisol Basculante para el Laboratorio de
Fundición del Departamento de Materiales de la Escuela Politécnica Nacional,
13 Saltos O. José F., 2009. Tesis de Grado. Escuela Politécnica del Ejército de Latacunga. Diseño de un Horno
de Crisol Basculante, calentado por combustible para la fundición de Aluminio.
14 SALVI Giuliano (1975). La combustión teoría y aplicaciones. Segunda edición. Edición DOSSAT, S. A.
Madrid.
15 Scharer U. (1995). Principios de Ingeniería de Manufactura, primera edición. Compañía Editorial
Mexicana.
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DISEÑO DE UN CONTROL AUTOMATICO PARA OPTIMIZAR LA
IGNICIÓN DEL PROCESO DE QUEMADO DE GAS METANO EN EL
RELLENO SANITARIO INTERMUNICIPAL REGION CENTRO- SUR DEL
ESTADO DE CHIHUAHUA. Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Delicias
Autores. Catedráticos del Departamento de Ingeniería Industrial
Paseo Tecnológico Km. 3.5, C.P. 33000. Cd. Delicias, Chihuahua, México Teléfonos y Fax: (639)1326500.
www.itdelicias.edu.mx
M.C. Martha Lilia Delgado Martínez, [email protected]
M.C. Mario Abelardo Aguirre Orozco, y Estudiante Doctoral de la Universidad Pedagógica Nacional del Estado de Chihuahua.
M.A. Olivia Márquez Monárrez [email protected]
M.C. Julio César Chavarría Ortíz. [email protected]
Ing. Rodolfo Pérez Robles. Profesionista de Subestaciones, Zona de Transmisión Camargo, C.F.E. Gerente General de
Automatización e Ingeniería (AEI) [email protected]
Estudiante. Perla Azucena Serna Chacón [email protected]
RESUMEN.
La disposición definitiva de los residuos sólidos urbanos es hoy en día, uno de los problemas más
importantes en el daño de la capa de ozono, y la importancia que existan los insumos para la optimización
de un proceso automatizado en que se obtenga la conversión de gas metano, a dióxido de carbono, ya
que en términos ambientales el dióxido de carbono lo absorben las plantas y el metano daña la capa de
ozono. El sistema más adecuado para la disposición final de los residuos sólidos urbanos es el relleno
sanitario. Pero la operación de los rellenos sanitarios, es también fuente de contaminación y área de
oportunidad para el desarrollo de tecnologías amigables con el medio ambiente. La presente
Investigación tiene como objetivo, diseñar un quemador automatizado de biogás. Por tal motivo surge
la necesidad de crear este dispositivo para optimizar el proceso automático de la quema de gas metano
que emite el relleno sanitario intermunicipal región centro-sur del Estado de Chihuahua, ubicado la
localidad de Nuevo Loreto, municipio de Meoqui Chihuahua.
Palabras clave: Relleno sanitario, gases efecto invernadero, residuos, biogás
1.- ANTECEDENTES
Anteriormente todos los municipios de la región centro sur del Estado, realizan la disposición final de
residuos sólidos urbanos en tiraderos a cielo abierto, lo que representa un serio problema de
contaminación. Ante el problema e interesados por presentar a los habitantes de la región una solución
factible, moderna y eficiente para el manejo de los residuos sólidos, nace la idea de la creación de un
relleno sanitario intermunicipal, donde participarían los Municipios de Delicias, Rosales, Meoqui,
Julimes y Saucillo.
En el año de 2008, se crea la Asociación de Municipios de la Región Centro Sur, con los municipios ya
mencionados y es así como se inician los trabajos para la contratación de un estudio de factibilidad para
la construcción del Relleno Sanitario Intermunicipal..
El 16 de agosto de 2010 Banobras otorga un apoyo no recuperable hasta por un monto de $27’200,000.
En apoyo de los cinco municipios integrantes de la asociación.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
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El 21 de diciembre del 2010 Banobras otorga un apoyo adicional no recuperable hasta por un monto de
$8’817,898, al Municipio de Delicias, correspondiente a la recolección de los residuos sólidos del citado
municipio.
Una vez concluido el estudio y declarándose la factibilidad del proyecto, se localizan y adquieren los
terrenos donde estará ubicado. Con una inversión inicial de $ 13’ 760,904.
Tabla 1. Generación de basura de los municipios participantes.
Esta información, de acuerdo al Censo General de Población 2005, indicada en la tabla 1, sirvió como
base para el cálculo de los porcentajes de población de cada municipio, mismos que sirvieron de base
para el cálculo de las aportaciones.
A la fecha, toda la infraestructura del relleno sanitario intermunicipal región centro-sur está terminada
y las instalaciones cuentan con las áreas que se indican en la tabla 2.
Tabla 2. Áreas del relleno sanitario intermunicipal región centro-sur
En la tabla 3 se indican Las ventajas de transformar los tiraderos municipales a un relleno sanitario
intermunicipal entre otras, son las siguientes:
Tabla 3. Ventajas de los rellenos sanitarios
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
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El miércoles 15 de junio del 2010 se publicó en el periódico oficial del Estado el decreto de creación del
“Organismo Operador del relleno Sanitario Región Centro Sur”. Este Organismo Descentralizado
Intermunicipal (ODI) es el responsable de la Administración del relleno sanitario y quien administrará
las relaciones entre la empresa operadora de relleno y las administraciones municipales como lo indica
la tabla 4
El ODI, será el responsable de supervisar los servicios que prestará la empresa ganadora de la operación
del relleno, que son:
Tabla 4. Servicios que se vigilaran en el relleno sanitario
Para la operación del Relleno Sanitario, es necesario efectuar erogaciones plurianuales, y así poder
resolver la problemática de la disposición final de los Residuos Sólidos Urbanos y de Manejo Especial
(RSU y ME), se reunieron los municipios aledaños a Delicias, y que integran la región conocida como
Centro Sur, que son los municipios de Delicias, Meoqui, Rosales, Saucillo y Julimes. Esta zona se puede
observar en la Figura 1
Figura 1. Ubicación de la Región Centro – Sur del Estado de Chihuahua. Fuente ODI
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
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En gran medida, además del gran ahorro global que representaba la construcción de un relleno sanitario
intermunicipal, en vez de varios de cobertura local, se cumple con la Norma Oficial Mexicana 083-
SEMARNAT-2003. Dicha NOM, obliga a que los sitios de disposición final cumplan con determinados
requisitos en función de las toneladas diarias de residuos que reciba. A este sitio, le corresponde una
clasificación tipo A, que significa que recibirá más de 100 toneladas diariamente.
Unas de las características más relevantes de este tipo de rellenos, es que debe contar con un sistema de
impermeabilización que garantice que no se contaminará el subsuelo adyacente a su ubicación, como
efecto de la infiltración de lixiviados (líquidos producidos por la descomposición de la materia orgánica
de los residuos), ya sea con la instalación de una geo membrana, o mediante la adecuación del material
existente en el sitio, siempre y cuando esto sea factible.
Con la participación de los representantes de los municipios participantes en este proyecto, se llegó a un
acuerdo acerca del mejor lugar para este proyecto (Figura 2).
Figura 2. Localizaciones del sitio de Ubicación. Fuente ODI
Así pues, se adquirió por parte de los cinco municipios de la región, el terreno seleccionado, y se inició
con los trabajos del relleno sanitario.
En la actualidad, la capacidad del relleno sanitario intermunicipal es de 18 años y once meses de
operación sin embargo, se tendrá una vida útil mayor a los 20 años.
2.-JUSTIFICACIÓN
Los residuos depositados en los rellenos, se descomponen mediante una serie de procesos químicos
complejos. Los productos principales de la descomposición son los líquidos lixiviados y los gases. Tanto
los líquidos como los gases pueden afectar la salud de las poblaciones de los alrededores.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
33
La producción de metano se debe a la actuación de microorganismos como bacterias, que mediante
procesos biológicos degradan los residuos, emitiendo éste y otros gases, y liberando otras sustancias
químicas. Los gases producidos por la fermentación anaerobia de la materia orgánica de los residuos
constituyen un problema difícil de resolver. Dependiendo de la cantidad de residuos que consideremos,
la producción de gases puede ser importante y también larga. Por ello, existe la necesidad de degradar
o utilizar el gas metano producido por los residuos del relleno sanitario, ya que durante las 24 horas del
día se desprende este gas de efecto invernadero que impacta negativamente al medio ambiente, por ser
éste uno de los causantes del cambio climático global.
3.- OBJETIVO GENERAL
Diseñar un quemador automatizado de Biogás para ser utilizado en el Relleno Sanitario Intermunicipal
Región Centro Sur del Estado de Chihuahua, de tal forma que optimice el proceso de la transformación
del gas metano emitido por los residuos depositados, lo que permitirá contribuir a la adecuada
disposición final de los residuos sólidos urbanos de los cinco Municipios que integran esta Región.
4.- OBJETIVOS ESPECIFICOS
Diseñar un quemador de gas metano
Evaluar la viabilidad del dispositivo propuesto para el relleno sanitario.
5.-MARCO TEÓRICO
Definición de biogás
El biogás es una mezcla de gases cuyos principales componentes son el metano y el bióxido de carbono,
el cual se produce como resultado de la fermentación de la materia orgánica en ausencia de aire, por la
acción de un grupo de microorganismos.
El metano es un gas combustible, incoloro, inodoro, cuya combustión produce una llama azul y
productos no contaminantes. Es el principal constituyente del gas natural, ya que más del 90% de este
combustible es metano.
Cuando esta mezcla de gases se produce en forma natural, se llama “gas de los pantanos”, fue
descubierto y reportado por Shirley en 1667 y es el responsable de los llamados “fuegos fatuos”. Volta
fue el primero en reconocer una relación entre el gas de los pantanos y la vegetación en descomposición
en el fondo de los lagos. En 1808 Sir Humphrey Davy recolectó el metano e inició la experimentación
que puede considerarse como el principio de la investigación en este campo, sin embargo su interés no
estaba enfocado a resolver problemas de energía sino hacia la producción agrícola.
En 1883-1884 Pasteur y Gayón, su colaborador, concluyeron que la fermentación de estiércol en
ausencia de aire producía un gas que podía ser usado para calefacción e iluminación. En 1886 el biogás
fue utilizado en el alumbrado de una calle en Exeter, Inglaterra, siendo esta su primera aplicación
importante.
En la naturaleza se encuentra una gran variedad de residuos orgánicos a partir de los cuales puede
obtenerse biogás, entre ellos se encuentran: los desechos provenientes de animales domésticos como
vacas, cerdos y aves, excretas humanas, residuos vegetales como pajas, pastos, hojas secas, y basuras
domésticas.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
34
Obtención del biogás El biogás se obtiene mediante un digestor o bien canalizándolo directamente en un vertedero controlado.
En el primer caso, la temperatura del digestor se mantiene a unos 50 grados centígrados; de este modo
se logra que el pH este comprendido entre 6.2 y 8, lo que favorece la actividad de los microorganismos.
Empleo del biogás
El biogás se emplea tanto para la generación de calor mediante combustión como para la generación de
energía mecánica o eléctrica, principalmente en las mismas plantas donde se obtiene. El biogás, con su
alto contenido de metano, es una fuente de energía que puede usarse para cocinar, iluminar, generar
calor, operar maquinaria agrícola, bombear agua o generar energía eléctrica
Composición del biogás La composición de biogás depende del tipo de desecho utilizado y las condiciones en que se procesa.
El porcentaje típico de distribución de los gases contenidos en el biogás generado por los residuos
sólidos municipales se presenta en la tabla 5.
Tabla 5. Biogás generado por residuos sólidos municipales
La generación de biogás en rellenos sanitarios
Según Colmenares y Santos (s/f), un relleno sanitario es un lugar de disposición de los residuos sólidos
domiciliarios o municipales. Un área determinada de tierra o una excavación que recibe residuos sólidos
domiciliarios, residuos sólidos industriales, comerciales y/o lodos no peligrosos. Según la literatura
especializada, cualquier lugar donde los residuos sólidos domiciliarios se encuentran siendo depositados
en grandes cantidades, es en principio, un birreactor que genera gases y líquidos percolados, lo que
dependerá de una serie de variables relacionadas a las características de la basura, del lugar de
disposición, de la forma de disposición, al clima, etc.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
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En un relleno, los variados componentes de los residuos sólidos se degradan anaeróbicamente a
diferentes tasas. Por ejemplo, los alimentos se descomponen más rápido que los productos de papel.
Aunque el cuero, la goma y algunos plásticos también son materias orgánicas, usualmente se resisten a
la biodegradación. Algunos materiales lignocelulósicos, plásticos, textiles y otras materias orgánicas
son muy resistentes a la descomposición vía organismos anaeróbicos. A pesar de la falta de uniformidad
de la descomposición anaeróbica, se han desarrollado algunas fórmulas empíricas para predecir la
cantidad de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) que se genera de la descomposición de la celulosa
y otros materiales orgánicos.
El período de tiempo que se requiere para que los residuos sólidos domésticos se degraden y se produzca
biogás dependerá de varias variables: el número de organismos presentes en la basura, nutrientes,
temperatura, acidez (pH), contenido de humedad, cobertura y densidad de compactación:
Composición de la basura: A mayor cantidad de restos de comida presentes en la basura más rápido
se generará biogás. El papel y materias orgánicas similares se degradan a una tasa menor y se resisten a
la biodegradación.
Contenido de humedad: El contenido de humedad es uno de los parámetros más determinantes en un
relleno sanitario. Si este se aumenta levemente se acelera el proceso de generación de gas
considerablemente. De ahí que en los rellenos sanitarios se recomienda recircular los líquidos
percolados para adicionar humedad a la basura, o incluso agregar agua, disminuyendo al mismo tiempo
los impactos ambientales de su descarga y los costos de tratamiento. El clima es uno de los elementos
determinantes del contenido de humedad en un relleno, y su efecto depende en alguna medida de las
características de la cobertura y el grado de impermeabilidad de la base del relleno.
Nutrientes: Aunque los organismos anaeróbicos se desarrollan naturalmente entre la basura, estos
mismos también se encuentran en las excrementos humanos y de animales, por lo que el proceso de
generación de gas se acelera cuando en un relleno también se disponen los lodos de los sistemas de
tratamiento de aguas servidas. Además esto agrega humedad.
Mezcla: En un relleno sanitario, al mezclar la basura logra poner en contacto los organismos
anaeróbicos con su fuente alimenticia. Lo mismo hace la recirculación de líquidos percolados.
Cobertura: La cobertura periódica y sistemática de la basura evita que esta entre en contacto con el
aire permitiendo la generación de condiciones anaeróbicas que la degradan y producen biogás. Mientras
antes se den estas condiciones más rápido comienza a degradarse la basura.
Compactación: La compactación de la basura genera el contacto con los nutrientes y la humedad, y
tiende a expulsar el oxígeno presente, lo que a su vez tiende a reducir el tiempo en que se inicia la
biodegradación anaeróbica.
Algunos autores, sugieren que en los vertederos o basurales abiertos, en los cuales la basura no es
compactada ni cubierta, ocurre una baja descomposición anaeróbica puesto que la basura se encontraría
en contacto con el aire primando un proceso de oxidación. En estos casos donde la descomposición de
la basura ocurre en condiciones aeróbicas donde se generaría en su mayor parte CO2 y agua y
prácticamente nada de metano. Bajo condiciones anaeróbicas entonces, el metano y el CO2 son los
principales gases que se generan en un relleno sanitario.
Así mismo, cuando la degradación se genera bajo condiciones que no son controladas, el proceso ocurre
en forma aleatoria en la basura depositada y es muy difícil predecir el nivel de biodegradación que
ocurre en el relleno y el horizonte de tiempo en que esta se desarrolla. Tras años de experiencia práctica
y de investigaciones conducidas en el mundo más desarrollado se ha logrado alcanzar algún grado de
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
36
entendimiento acerca de los procesos de biodegradación de la basura y de la producción de biogás y su
composición
El producto principal de la digestión anaerobia es el biogás, mezcla gaseosa de metano (50 a 70%) y
dióxido de carbono (30 a 50%), con pequeñas proporciones de otros componentes (nitrógeno, oxígeno,
hidrógeno, sulfuro de hidrógeno), cuya composición depende tanto de la materia prima como del
proceso en sí. La cantidad de gas producido es muy variable, aunque generalmente oscila alrededor de
los 350 L/kg de sólidos degradables, con un contenido en metano del 70%.
El biogás es un poco más liviano que el aire y posee una temperatura de inflamación de alrededor de
los 700 º C (Diésel 350 º C, gasolina y propano cerca de los 500 º C). La temperatura de la llama alcanza
870 º C. El biogás está compuesto por alrededor de 60 % de metano (CH4) y 40% de dióxido de carbono
(CO2). El biogás contiene mínima cantidades de otros gases, entre otros, 1% de ácido sulfhídrico (H2
S).
Entre más largo es el tiempo de retención, más alto es el contenido de metano, y con esto el poder
calorífico. Con tiempos de retención cortos el contenido de metano puede disminuir hasta en un
50%.Con un contenido de metano mucho menor del 50%, el biogás deja de ser inflamable.
La tabla 6 resume la composición promedio del biogás según la fuente. El valor calorífico varía entre
17 y 34 MJ/m3 según el contenido de metano.
Tabla 6. Composición del biogás derivado de diversas fuentes Fuente. Monroy et. al
Propiedades del biogás
Como en cualquier otro gas, algunas de las propiedades características del biogás dependen de la presión
y la temperatura. También son afectadas por el contenido de humedad.
El valor calorífico del biogás es cerca de 6 kwh por metro cúbico. Es decir que un metro cúbico de
biogás es equivalente a aproximadamente medio litro de combustible diésel.
El gas de relleno o biogás es explosivo e inflamable. Si no se evacua de manera adecuada, se dispersa
sin control dentro del relleno e invade también terrenos adyacentes. Puede causar incendios o
explosiones. Ya se observaron casos en los cuales el gas de relleno se infiltró dentro del sótano de
edificios o dentro del alcantarillado y causó explosiones.
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37
Si el CH4 (metano) es explosivo en concentraciones entre 5-15 %; en concentraciones más elevadas de
15 %, es inflamable. Otros impactos nefastos del gas de relleno consisten en la dispersión en el suelo,
donde el metano puede dañar a las raíces de las plantas, impidiendo el suministro de la planta con
oxígeno y aire. El metano también tiene un impacto venenoso en los seres humanos expuestos durante
largo tiempo (por ejemplo, los obreros del relleno, recicladores trabajando en el relleno). Además, el
metano tiene alto impacto como gas de invernadero y daña a la atmósfera y al clima.
En teoría, la cantidad de biogás que se genera de una tonelada de carbono biodegradable corresponde a
1,868 Nm3 (Nm3 = Metro cúbico normal). En países industrializados, la cantidad teórica es de 370 Nm3
de biogás por cada tonelada de basura depositada.
En general, la evidencia empírica en los países desarrollados ha demostrado que la biodegradación
ocurre en forma dispareja e imperfecta, por lo que se considera que la generación de biogás se
aproximaría más a los 200 Nm3 por cada tonelada de basura depositada que a la cifra anterior.
NOM-083-SEMARNAT-2003.
Norma Oficial Mexicana NOM-083-SEMARNAT-2003. Especificaciones de protección ambiental
para la selección del sitio, diseño, construcción, operación, monitoreo, clausura y obras
complementarias de un sitio de disposición final de residuos sólidos urbanos y de manejo especial
6.- METODOLOGÍA.
El biogás se puede dejar escapar a la atmósfera, se puede quemar o utilizar para generar energía. En este
caso se procederá a diseñar un quemador para instalar en las chimeneas del relleno sanitario. El modelo
asume algunas simplificaciones de la realidad que se deben tener en cuenta para su correcta aplicación:
El relleno sanitario intermunicipal, no acumula biogás, lo que se genera se emite.
No hay cantidades relevantes de residuos industriales de características físico químicas muy diferentes
a la de los residuos comunes urbanos que pueden alterar fuertemente la generación de metano, en la
medida que hayan componentes inhibidores de la metalogénesis anaerobia.
Los residuos comienzan a degradarse luego del primer año de su disposición en el relleno.
FASE 1
Se encuentran instalados 10 pozos distanciados a 30 metros. Fig. 3 que corresponden a un diámetro de
influencia de unos 60 metros para una profundidad de relleno de 11 metros. Los pozos tienen chimeneas
fig. 4, las cuales están equipadas con un quemador de gas no automatizado, y una válvula de paso de
½” para su encendido manual, por medio de un encendedor fig. 5
FASE 2
Se realizaron mediciones de los componentes del biogás generado en las diferentes chimeneas
encontrándose, porcentajes del 13% de CH4 (Metano), y otro tipo de gases.
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Figura 3. Pozos del relleno Sanitario Figura 4. Chimenea
Figura 5. Válvula Reguladora Figura 6. Salida Biogás
Fuente: Imágenes tomadas en el Relleno sanitario intermunicipal región centro - sur
Todas las chimeneas operan bajo un sistema abierto en las que se realiza la combustión mezclando el
biogás con el aire atmosférico (en presencia de oxígeno) produciéndose dióxido de carbono (CO2) y en
menor proporción dióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno y otros gases relacionados. La
temperatura de incineración es de 70°C, el quemador solo se puede encender manualmente, lo
establecido en los MDL (Mecanismos de Desarrollo Limpio) son normalmente 1000 °C durante un
mínimo de 0,3 seg y eficiencia de combustión entre 98% y 99,5%.
FASE 3
En la figura 7 se muestra el proceso como se instalara el equipo que quemara el gas metano
Figura 7. Diagrama de proceso de instalación del prototipo. Fuente. Elaboración propia
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FASE 4 En el siguiente diagrama de proceso, figura 8 se muestra todo el procedimiento de instalación para
optimizar la obtención de gas metano en el relleno sanitario intermunicipal, quemador del biogás.
Figura. 8. Diagrama de proceso de quemador de biogás. Fuente. Elaboración propia
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Figura 9. El Y8610 en un sistema típico de calefacción con quemador atmosférico.
Figura 10. Ajustando la corriente de flama.
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Figura 11. Diagrama esquemático del Y8610U con D80D amortiguador de ventilación.
Figura 12. S8610 Secuencia normal de operación
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7.- RESULTADOS
Se diseñó el prototipo de quemador automatizado de biogás el cual será utilizado en interconexión de
los diez pozos existentes que emiten gas metano en el Relleno Sanitario Intermunicipal Región Centro
Sur del Estado de Chihuahua, y así de esta forma se optimizara el proceso del control de los desechos,
reducirá del impacto ambiental, evitara la contaminación de mantos freáticos, reciclar la basura y
obtener biogás.
Transformar el gas metano emitido por los residuos depositados en el relleno intermunicipal, permitirá
contribuir a la adecuada disposición final de los residuos sólidos urbanos y de manejo especial de los
cinco Municipios que integran esta Región.
8.- CONCLUSIONES
Aunque capturar el gas de relleno sanitario y la generación de energía a partir de él, proporciona
beneficios ambientales, y puede ayudar económicamente, la generación del mismo en el relleno
sanitario intermunicipal no es suficiente para operar estas alternativas.
Dada la potencia del gas metano en su contribución al efecto invernadero, ya que es más de 23 veces
más fuerte que el dióxido de carbono y tiene una vida atmosférica de 10 años, esta alternativa de
quemarlo y degradarlo a dióxido de carbono, constituye una forma efectiva de lograr un efecto positivo
a corto plazo para mitigar el cambio climático global.
También contribuye disminuir el impacto del relleno sanitario intermunicipal en la salud de la población
cercana al relleno sanitario ya que el gas metano puede ocasionar un problema de salud pública.
Se logrará disminuir los riesgos de explosión y olor derivados de la generación del metano, ya que si
se escapa el metano de una forma incontrolada, puede acumularse (porque su peso específico es menor
que el del aire) en estructuras cerradas, sótanos, instalaciones de servicio subterráneas, instalaciones
próximas o en otros lugares cerrados, próximos o dentro y fuera del sitio. Una explosión potencial existe
cuando el gas se acumula en espacios cerrados en concentraciones explosivas de (5 a 15 % de metano
por volumen) y si se presenta una fuente de ignición.
Con este proyecto el Relleno Sanitario Intermunicipal Región Centro Sur del Estado de Chihuahua
cumple con su responsabilidad de elaborar estrategias y poner en marcha programas relacionados al
cambio climático, incorporando las mejores prácticas mundiales a sus programas de conservación del
medio ambiente.
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43
9.-REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Cyted E. Roberto et. al, (pp 16 – 34.). Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el
Desarrollo. Energía – Biomasa – Ibero América (Reservas, recursos, ecosistemas, tecnologías,
mercados, impacto socioeconómico, calidad de vida, desarrollo sustentable, perspectivas). México.
Cyted E. Roberto et.al, (pp 79 – 89). Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el
Desarrollo. Perfiles de país; América Central y el Caribe. Subprograma IV: Biomasa como Fuentes de
Productos Químicos y Energía. México.
Monroy et. al (1990. 223 pp.). Biotecnología para el aprovechamiento de los desperdicios orgánicos.
Ed. AGT Editor.
OLADE. (41 pp.)Biogás, energía y fertilizantes a partir de desechos orgánicos, manual para el promotor
de la tecnología. Instituto de Investigaciones Eléctricas, división fuentes de energía, departamento de
fuentes no convencionales de energía. Organización Latinoamericana de Energía.
Rodríguez, et. al (1985. 583pp.) Alternativas Energéticas. UNAM. México. Ed. Fondo de Cultura
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Speyer, Philippe. (1981). Le Biogas a la Ferme Aux U. S. A. Francia. Ed. Groupe de Recherche et d’
Echanges Technologies.
Varel, V. H. et al. (1976) Termophilic anaerobic digestion of cattle manure. Artículo presentado
en la tercera conferencia de energía Inter – Universitaria. Springfield.
W. J. Jewell. Ed. Ann Arbor Science, Ann Arbor, Mich., E.U.A.
Wong-Chong, G. M. (1975). Energy, agriculture and waste management.
www.ambientum.com
www.cne.cl/fuentesenergeticas/e.renovables.php
www.cps.unizar.es
www.geocities.com/venergia/
www.panoramaenergetico.com/biomasa
www.ingenieriaquimica.org/usuario/wagner
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44
DelphiCare 3.0
Rosario Delgado Vaquera <[email protected]>, Ramón Alfonso Alanís Arias <[email protected]>, Juan
Carlos Hinojo Bañuelos <[email protected]>, Gerardo Ernesto Ramírez Castillo <[email protected]>, Luis
Alonso Retana Martínez <[email protected]>, Dr. René Joaquín Díaz Martínez <[email protected]>, Dra.
Rafaela Villalpando Hernández <[email protected]>
Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Laguna
Paseo del Tecnológico #751 col. Ampliación la Rosita CP.27250
Resumen
El proyecto consiste en un sistema de monitoreo de signos vitales remoto, que son medidos utilizando un termómetro
digital, un oxímetro de pulso y un electrocardiógrafo. El dispositivo se divide en cuatro módulos, uno para cada variable
medida y un módulo central en el cual se procesa y almacena la información obtenida de los sensores. Se utilizó una plataforma pcDuino como procesador central, la cual se encarga de adquirir los datos y enviarlos a un
servidor, después los datos son procesados y presentados mediante una aplicación web o una aplicación móvil. Se quiere lograr un sistema que pueda monitorear la cantidad necesaria de parámetros médicos que necesitan los
doctores para tomar decisiones y que además pueda adaptarse a un número variable de pacientes. Palabras clave: aplicación móvil, pcDuino, oxímetro, electrocardiograma, temperatura, servidor.
Abstract This project is a remote monitoring system for vital signs, vital signs are measured using a digital thermometer, a pulse
oximeter and an electrocardiograph. This device is divided in four modules, one for each measured variable, and a
central module which processes and stores the information obtained from the sensors. A pcDuino platform was used to acquire data and send it to a server, later the data is processed and presented through
a web or mobile application. The objective is to achieve a system capable to monitor the medical parameters required by doctors to make decisions,
and also capable to adapt to a variable quantity of patients. Key words: mobile application, pcDuino, oximeter, electrocardiogram, temperature, server.
1. Introducción
Los sistemas para monitorear los signos vitales en el ser humano que hay en la actualidad suelen ser aparatos grandes y
costosos. Por tal motivo, su existencia y utilización suele ser exclusiva de los hospitales y clínicas particulares que
cuenten con la suficiente capacidad adquisitiva y de mantenimiento para los mismos; su costo y sofisticación dificultan
su adquisición y uso para el resto de la población. Lo anterior representa un problema principalmente para enfermos o
adultos mayores que reciben asistencia domiciliaria, pues a falta de los dispositivos de monitoreo que les permitan tomar
sus signos vitales desde su hogar, se ven forzados a trasladarse a un hospital donde tengan acceso a electrocardiógrafos,
termómetros y oxímetros. El objetivo del sistema DelphiCare 3.0 es precisamente responder a esta problemática, y tener la capacidad de hacer
mediciones de los signos vitales como el ritmo cardíaco, la temperatura y el nivel de oxígeno en la sangre. El Delphicare
3.0 recoge estas mediciones y las despliega en un sistema de información donde los doctores y paramédicos puedan
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45
consultarla, sea solo para monitoreo o si en caso de emergencia, poder tener los signos vitales del paciente antes de su
llegada a la sala de urgencias. Esta metodología se utiliza en Estados Unidos, las ambulancias cuentan con un sistema similar que toma mediciones de
las personas y las manda al hospital más cercano para que los urgenciólogos que esperan al paciente ya conozcan
información del paciente que llegará. Esta información les da valiosos segundos a los doctores para actuar recién llegado
el paciente, siendo que en México se toman estas mediciones hasta llegando al hospital.
2. Métodos y Materiales
El diseño del dispositivo DelphiCare 3.0 se basa en algunos de los puntos que plantea la metodología de Ulrich [1]. Los
puntos de la metodología utilizados se mencionan a continuación con la descripción en base al dispositivo diseñado. 2.1 Necesidades del cliente Para el diseño del dispositivo y selección de las variables a medir en el DelphiCare 3.0, se realizaron varias entrevistas a
médicos de distintas áreas en la Facultad de Medicina de la Laguna, se les presentó y describió el concepto del dispositivo
a los médicos, se escucharon y seleccionaron las ideas de retroalimentación dada por ellos y finalmente se realizó una
lista de las necesidades en las que los médicos concordaron que eran las necesarias para un dispositivo de biotelemetría
en tiempo real.
La lista de necesidades del dispositivo DelphiCare 3.0 se muestra a continuación: Medición de la temperatura del cuerpo humano.
Dispositivo capaz de obtener el ritmo cardiaco del paciente.
Dispositivo capaz de obtener la señal de un electrocardiograma.
Mostrar las variables medidas en tiempo real ya sea en un dispositivo móvil o una página web.
Apegar las variables medidas lo más posible al “Estándar de Oro”, el cual consiste en los rangos mínimos aceptables por
los médicos.
2.2 Usuarios El dispositivo está diseñado para pacientes que necesitan ser monitoreados constantemente, la ventaja del dispositivo es
la comunicación y medición en tiempo real en cualquier lugar en el que se encuentren, lo que quiere decir que el paciente
puede estar en su casa y al mismo tiempo ser monitoreado por el médico responsable.
El otro sector que puede utilizar el dispositivo son los médicos y los hospitales, en el caso de los hospitales podrían
utilizar el DelphiCare 3.0 en las ambulancias de manera que los médicos encargados de recibir al paciente en camino
tengan un monitoreo del paciente y sepan la condición en la que se encuentran antes de llegar al hospital y de esta manera
puedan tener un mejor diagnóstico del paciente.
2.3 Desarrollo de conceptos de diseño 2.3.1 Electrocardiógrafo El circuito del electrocardiógrafo es el encargado de tomar las señales enviadas por los electrodos y transformarlas en
una salida que represente la información cardiaca del paciente.
Para el módulo del electrocardiógrafo se siguió la teoría de procesamiento análogo para la implementación de filtros
Butteworth de segundo orden, éstos se ponen en cascada para incrementar el orden hasta el orden 4 [2]; se inició con la
obtención de la señal ECG vía electrodos que transmiten las señales eléctricas a las entradas de un amplificador de
instrumentación. En la figura 1 se muestra el circuito utilizado para el amplificador de instrumentación.
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46
Fig. 1: Circuito utilizado para amplificador de instrumentación
La segunda etapa consistió en mandar la salida del amplificador de instrumentación a un filtro pasa bajos con el fin de
evitar la banda de trabajo del sistema, como se trabajó con frecuencias relativamente bajas se fijó una frecuencia de corte
de 600Hz; en la figura 2 se muestra el circuito utilizado para el filtro pasa bajos.
Fig. 2: Circuito utilizado para filtro pasa bajos
La tercera etapa consistió en mandar la señal de salida proveniente del filtro pasa bajas a un filtro pasa altas con el fin de
ser un filtro anti señal DC, y evitar así una señal continua en la salida; la frecuencia de corte establecida para este filtro
fue de 10Hz. La unión del filtro pasa bajos y pasa altos dan como resultado un filtro pasa bandas. En la figura 3 se
muestra el circuito utilizado para el filtro pasa altas.
Fig. 3: Circuito utilizado para filtro pasa altas
2.3.2 Sensor de temperatura Para el módulo de temperatura se utilizó un sensor MLX90614, el cual es un termómetro infrarrojo apto para medir
temperaturas en el rango de -70º C a +382º C, con salida digital de 17 bits. El mismo provee dos tipos de salida: PWM
para una resolución de 10 bits (0.14º C) y SMBus (TWI, I2C) para la resolución máxima (0.02º C). El sensor es calibrado
en fábrica para un rango de temperatura de -40º C a +85º C. El valor de temperatura arrojado es el promedio de la
temperatura de los objetos incluidos en el campo de visión del sensor. La exactitud del sensor es de 0.5º C a temperatura
ambiente de 25º C. 2.3.3 Nivel de oxigenación en la sangre
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El cuerpo humano necesita oxígeno para llevar a cabo la respiración aeróbica. Por medio de la respiración se sintetiza el
trifosfato de adenosina (ATP) para almacenar energía. Ésta a su vez es usada para llevar a cabo la biosíntesis, la
locomoción, o el transporte de moléculas a través de las membranas celulares. La sangre baja en oxígeno es regresada al
corazón para ser bombeada a los pulmones. Ahí sucede un proceso de difusión, es decir, el CO2 se libera y la sangre se
oxigena. La oximetría de pulso, o pulsioximetría, es un método no invasivo para monitorear la saturación de oxígeno en la sangre
(SpO2). Este se basa en la lectura fiable y constante de la saturación de la hemoglobina arterial oxigenada
(oxihemoglobina).
Es posible medir la proporción de Hemoglobina (Hb) y oxihemoglobina (HbO2) debido a la absorción de la luz que
tienen estos elementos. La Hb tiene una mayor absorción de luz a 660 nm, mientras que la HbO2 tiene mayor absorción
a 940 nm, como se puede observar en la figura 3. Se utilizan dos longitudes de onda diferentes para generar dos espectros
de luz: luz infrarroja (660 nm) y luz roja (940nm).
Fig. 4: Gráfica de absorción de los espectros de onda en la hemoglobina.
Para calcular el nivel de oxigenación en la sangre (SpO2), se mide la corriente alterna obtenida en un fotorreceptor, que
se posicione enfrente de un diodo emisor de luz roja y otro diodo emisor de luz infrarroja. Debido a que en el sensor
utilizado los leds están conectados en anti paralelo, se debe programar una máquina de estados en la que sólo esté
encendido un led a la vez, y entonces hacer las lecturas analógicas por separado, como se observa en la figura 5.
Fig. 5: Máquina de estados que fue programada para ser implementada mediante el pcDuino.
Una vez que se leen los valores analógicos filtrados por separado, el valor de SpO2 se obtiene por la ecuación (1), donde
1 y 2, representa la saturación de oxígeno en la sangre ante la luz roja e infrarroja respectivamente, e IaC representa la
intensidad de luz en corriente alterna.
𝑅 =𝐿𝑜𝑔10(𝐼𝑎𝐶)∗ 𝛾1
𝐿𝑜𝑔10(𝐼𝑎𝐶)∗ 𝛾2 (1)
Esta medición sólo es posible gracias a la ley de Beer-Lambert, ecuación (2) que declara que la absorbancia de una
radiación monocromática a través de una sustancia en solución, depende de la concentración del compuesto absorbente,
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de la distancia recorrida por la radiación y del tipo de radiación monocromática. Su ecuación matemática se muestra a
continuación:
𝐴 = −𝑙𝑜𝑔10𝑇 = −𝑙𝑜𝑔10 (𝐼
𝐼𝑜) = 𝑙𝑜𝑔10 ∗ 10−𝑎𝑏𝑐 = 𝑎 ∗ 𝑏 ∗ 𝑐 (2)
Donde - A: es la absorbancia. - a: es la longitud de onda del coeficiente de absorción. - b: es la longitud de la trayectoria (cm). - c: es la concentración del compuesto (g/l).
La forma de onda obtenida del SpO2 tiene un comportamiento que se repite en el tiempo y va creando una frecuencia
que depende de los latidos del corazón. Esto se puede observar en la figura 6 de color rojo.
Fig. 6: Forma típica de la saturación de oxígeno en el cuerpo humano.
El oxímetro queda entonces compuesto por 4 principales elementos, que permiten la generación de las señales correctas
y la lectura de los resultados, el cual se muestra en el diagrama de la figura 7.
Fig. 7: Diagrama del oxímetro.
Análisis de resultados 3.1 Hardware del sistema 3.1.1 Resultados del módulo del electrocardiógrafo Los resultados obtenidos para un electrocardiograma se muestran en la figura 8; dicha señal debe ser obtenida y filtrada
por las distintas etapas de filtrado utilizados en el circuito eléctrico, aún falta apegar los parámetros obtenidos del
Estándar de Oro, para poder ver que se tiene una medición confiable. El electrocardiógrafo utiliza tres electrodos: 2 conectados al pecho y un electrodo de referencia (tierra); al desconectar
la tierra del cuerpo no se obtiene ninguna señal, al conectar la tierra al cuerpo se puede observar la señal del ECG.
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49
Fig. 8. Señal proveniente del electrocardiógrafo
3.1.2 Resultados del módulo de temperatura Se obtuvieron mediciones con un .5% de error, el valor de tolerancia viene establecido por el fabricante, la prueba del
sensor de temperatura se realizó con una plataforma Arduino conectada a la computadora, el sensor funciona cuando es
acercado al cuerpo humano y hasta entonces empieza a desplegar los valores medidos en la pantalla. El funcionamiento
del sensor arrojó los valores que se pueden apreciar en la Figura 9.
Fig. 9. Resultados obtenidos por el sensor de temperatura
Software del sistema
Se diseñó para el DelphiCare 3.0 un sistema de información que tuviera la capacidad de recibir y procesar las mediciones
de los signos vitales de manera remota, y desplegarlas después en una aplicación web. Para ello, el software se desarrolló
con dos bloques principales que se describen a continuación.
3.2.1 Módulo de integración de los circuitos de recaudación de signos vitales con el software Se elaboró un módulo de software de recaudación de datos en tiempo real, que a través del pcDuino pudiera almacenar
la información en una base de datos, para luego ser desplegada en una aplicación web. Este módulo fue desarrollado en
Node.js [3], un framework basado en JavaScript que permite construir aplicaciones escalables. El mecanismo de
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50
comunicación en tiempo real Socket.IO [4] fue utilizado de igual manera en el desarrollo de este bloque. La pantalla de
visualización de datos del paciente se recoge en la figura 10.
Fig. 10: Módulo de despliegue de datos de paciente en tiempo real
3.2.2 Módulo de Administración de Usuarios Este módulo de software se destinó para que fuera capaz de dar de alta Doctores, Pacientes y Usuarios externos y asignar
las relaciones debidas entre éstos, es decir, un sistema de administración que se aprecia en la figura 11. Dicho módulo,
aunque independiente del primero, trabaja de manera estrecha con él al ser referenciado en el modelo de datos de
Pacientes para mostrar su información. El bloque fue desarrollado en el framework de código abierto Ruby on Rails [5],
que está especializado para programar aplicaciones web.
Fig. 11: Login de Administrador
La figura 12 ilustra las formas de la aplicación web usadas para añadir doctores y pacientes al sistema.
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51
Fig. 12: Páginas de administración y alta de Doctores y Pacientes
4. Conclusiones Este documento presenta el diseño del sistema DelphiCare en su tercera versión, pudiendo arribar a las siguientes
conclusiones:
El DelphiCare responde a una problemática específica e importante para el sector de la salud. Se lograron concluir exitosamente los circuitos correspondientes a la medición de temperatura y electrocardiógrafo, y en
la siguiente etapa apegar las mediciones obtenidas al Estándar de Oro empleado por los médicos de manera que se
considere confiable y pueda ser utilizado en el campo de la medicina.
Se tiene el apoyo de distintos doctores de la región para las pruebas del dispositivo y la aprobación de los márgenes de
error del dispositivo.
Para el sistema de software se logró dividir el código en los bloques de administración de usuarios y de recepción de
datos en tiempo real, los cuales son modulares. El sistema es capaz de recoger las variables medidas por el dispositivo y
desplegar sus valores en una aplicación web. Todo el desarrollo del proyecto, tanto en su sistema físico como en el software, fue construido sobre plataformas y
lenguajes de código abierto.
Referencias
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[2] Alva, C., Reaño, W., Castillo, J., “Diseño y Construcción de un Electrocardiógrafo de bajo costo”, Universidad Ricardo Palma, Lima Perú,
2011, Recuperado de http://www.urp.edu.pe/pdf/ingenieria/electronica/CIR-11_Electrocardiografo_de_Bajo_Costo.pdf
[3] Node js. Foundation. “Node Docs”, 2015, Recuperado de https://nodejs.org/en/docs/
[4] Socket.IO Contributors (MIT). “Socket.io Docs”, Recuperado de http://socket.io/docs/
[5] Rails Guides Reviewers, “Ruby on Rails Guides (v4.2.4)”, Recuperado de http://guides.rubyonrails.org/
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Diagnóstico económico y estadístico de la calidad. El caso de una planta de vestiduras en
México
Oscar Arturo Sánchez Carlos
Miriam Vega Martínez
División Multidisciplinaria de la
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
en Nuevo Casas Grandes, Chihuahua
Av. Universidad 3003, Secc. Hidalgo.
Nuevo Casas Grandes. C.P. 31803.
Resumen
Cuantificar la magnitud de los defectos en un proceso de manufactura siempre tendrá un impacto en
la alta gerencia. Cuando el lenguaje es el dinero entre supervisores, gerencias medias y superiores
siempre causa preocupación y se buscan explicaciones, o bien, se menciona que se deben hacer
estudios que identifiquen las causas y los impactos de los defectos. Para ello, este estudio profundiza
en la cuantificación de dos costos importantes en la fabricación de vestiduras para automóviles que
son la tela o vinil y la mano de obra; para valorizar los defectos en dólares, considerando un caso de
una empresa maquiladora en México. Así mismo, se realizaron gráficas de control de medias y de
rangos tomando 20 muestras por día y por 14 meses y finalmente, con la información disponible, se
calculó la capacidad del proceso. Los resultados son muy desalentadores, sin embargo, muestran
fehacientemente que la alta dirección requiere tomar decisiones para mejorar la calidad y reducir las
disconformidades en beneficio de sus utilidades, de la planta productiva en México y mantener o
superar su participación en el mercado. Este estudio debe ser el inicio para en programa serio de
gestión de calidad para todas las áreas de la planta.
Palabras clave: calidad; vestiduras para automóviles; cuantificación de disconformidades
Introducción
A nivel global, la importancia de la industria automotriz en las economías nacionales y su papel
como propulsor para el desarrollo de otros sectores de alto valor agregado, han provocado que
diversos países tengan como uno de sus principales objetivos el desarrollo y/o fortalecimiento de esta
industria. México no es la excepción, pues la industria automotriz en nuestro país ha representado un
sector estratégico para el desarrollo de nuestro país. (SE, 2012)
Según (Machorro 2009), en México la globalización ha generado no solo cambios en la economía,
sino también en el comportamiento de los mercados. y que al contar los clientes con mayores
opciones de compra se vuelven más selectivos y naturalmente buscan obtener el mejor producto, con
las mejores condiciones, y el mejor trato.
Menciona también que en el mercado automotriz los cambios han sido muy impactantes.. Por esta
razón empresas de este giro han buscado formas de atraer y retener clientes. El dar un buen servicio
se convierte en un negocio atractivo porque representa un ingreso adicional para la empresa. Con
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
53
esta idea han dirigido las empresas automotrices muchos de sus esfuerzos para mantener satisfecho
al cliente.
La industria Automotriz en México, es un mercado de gran importancia para el desarrollo del país,
ya que genera el 3.6% del PIB mexicano, y es un importante factor de la economía mexicana. Las
empresas ensambladoras han decidido invertir en México por sus condiciones geográficas
privilegiadas, mano de obra barata, bajos costos de operación y por el Tratado de Libre comercio de
América del Norte. Tiene niveles competitivos y de calidad comparados a los de China, India, Corea
del Sur y Brasil.
Se han establecido más de 600 empresas de autopartes, para proveer a las ensambladoras establecidas
en México y exportar a otras ensambladoras alrededor del mundo. Su establecimiento de México se
debe también por su ubicación geográfica y mano de obra barata. Las empresas de autopartes se
establecen en parques industriales cercanos a la planta ensambladora, para tener bajos costos de
transporte.
Durante 2014, el sector de autopartes representó poco más de siete por ciento del PIB manufacturero.
El personal ocupado en autopartes representó 20 por ciento del empleo manufacturero. Asimismo,
las exportaciones de autopartes representaron 16 por ciento de las exportaciones totales. (INA, 2015)
Al cierre del 2014, la industria de autopartes logró la generación de 700,000 empleos, de acuerdo con datos de la Secretaría de Economía, aunque está demostrado que por cada fuente laboral creada en la industria terminal derivan entre seis y siete más en partes y componentes Durante 2014, el valor de producción de autopartes alcanzó un valor de 81,412 millones de dólares,
lo que representa un incremento de 5.3 por ciento respecto al mismo periodo del año anterior: La
balanza comercial de autopartes en México alcanzó un superávit de 22,535 millones de dólares. El
principal socio comercial continúa siendo Estados Unidos. (INA, 2015)
Dada la importancia de la industria automotriz y de las autopartes, es necesario dedicar esfuerzos y
recursos para consolidarse e incluso seguir creciendo para posicionar a México como una de las
principales regiones proveedora de insumos para este sector manufacturero en aras de un desarrollo
económico y social de la población; para ello, una herramienta fundamental es el control de la
calidad, pero sobre todo el análisis estadístico para detectar disconformidades y corregirlas en la
misma línea de producción, evitando que e fallo continúe en las siguientes etapas del proceso de
manufactura.
El presente trabajo pretende explicar las ventajas que implica el aplicar un análisis estadístico de la
calidad en el proceso de elaboración de vestiduras para automóviles, con el fin de mejorar los
procesos productivos, disminuyendo costos para así ofrecer productos altamente competitivos.
Algunas empresas consideran a la calidad como un costo que debe absorber la administración, sin
embargo las reclamaciones y las devoluciones tienen un costo superior. Ya que van implícitos
recursos, tiempos y quizás más importante la imagen de la empresa.
Para desarrollar / implantar sc, según experiencia internacional a partir los criterios de más de 9
665 empresas certificadas en el mundo
(http://www.estrucplan.com.ar/articulos/verarticulo.asp?IDArticulo=2447) consultado el 9 de
octubre 2015
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
54
89 % Lograr mejor calidad del producto
91 % Lograr mejor calidad de la gestión
94 % Lograr mejor posición en el mercado.
45 % Reducir costos
67 % Demanda de los clientes.
Beneficios reportados a nivel mundial
94 % Han logrado mejor calidad de sus productos.
91 % Mejora en satisfacción de los clientes.
83 % Mejora en Control y Gestión
61 % Ayuda a preservar clientes
67 % Útil para incrementar cuotas de mercado
58 % Sensible disminución de quejas
94% Trazabilidad más apropiada y efectiva de las quejas.
38 % Aumento de la productividad del trabajo.
63 % Disminución sensible de los costos
81 % Mejor Control
78 % Incremento de beneficios por empleados.
El objetivo de este artículo es valorar las ineficiencias de la planta en los conceptos de material y
mano de obra y evidenciar los defectos generados en diferentes procesos que finalmente repercuten
en la rentabilidad de la planta, así como, identificar los puntos críticos del control de calidad en el
proceso de manufactura de vestiduras para automóviles.
Metodología
Los datos obtenidos motivo del estudio para este artículo, se obtuvieron posterior a la etapa de
levante, ya que a partir de ese momento, se toma la decisión de rechazar porque no cumple las
especificaciones, o bien, pasa al proceso de costura. Este proceso de prensado es fundamental para
evitar que haya no solo reprocesos, sino, principalmente que el material se vaya a scrap o desperdicio
con las consecuencias pérdidas económicas derivado de costos explícitos e implícitos
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
55
Diagrama de flujo 1. Proceso de la manufactura de vestiduras para automóviles
A continuación se hace una descripción puntual de la metodología usada para alcanzar los objetivos.
Diseño y elaboración de una matriz: La recopilación de la información fue basada en los datos que
se recopilaron a través del tiempo, con el fin de registrarlos y sistematizarlos
Uso de la matriz: se recopilaron datos de los defectos de corte de 14 meses que correspondieron del
mes de mayo de 2014 al mes de julio de 2015 para organizarlos en una hoja de Excel
Se utilizó el software Statistica usando el módulo Quality Control donde se vació la información
contenida previamente en las hojas de Excel
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
56
Se procesó la información para obtener el gráfico de control de medias y el gráfico de control de
rangos y se calculó la relación de la capacidad del proceso
Se hizo un análisis económico de los defectos considerando principalmente el costo de los materiales
e ineficiencia de la mano de obra
Interpretación de datos: Una vez realizado el análisis de estadístico y económico se procedió a
interpretar los resultados
Resultados
A continuación se presentarán los resultados encontrados en esta investigación iniciando con los
gráficos de control de medias de los defectos, gráfico de control de rangos de los defectos, y la
capacidad de proceso. Posteriormente se mostrará el impacto económico por la generación de
defectos.
Gráfica 1. Medias de los defectos de doble prensado mayo 2014-julio 2015
La media del proceso con los datos muestrales de 14 meses es de casi 79 defectos por día por mes.
En el gráfico se observa que a partir de octubre de 2014 hubo una baja considerable de defectos
debido a que la producción disminuye provocando menos errores en la mano de obra y se le da un
mantenimiento oportuno a los equipos de trabajo en el área corte.
Gráfico de control de medias
Media de proceso: 78.8
Desviación estandar: 26.0241
Muestras por mes: 20
Meses
Defe
ctos
78.8100
61.3525
96.2675
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
MAYO2014AGO2014
OCT2014DIC2014
FEB2015ABR2015
JUN2015
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
57
Gráfica 2. Rangos de defectos de doble prensado mayo 2014-julio 5015
Como el rango es la diferencia entre el valor más alto y el valor más bajo, el rango en los primeros 5
meses de casi 200 defectos a 140; mientras que a partir de octubre de 2014 disminuye el rango aunque
se debe reconocer que sigue siendo alto ya que se va incrementando por arriba de 80.
La capacidad real de un proceso se debe calcular hasta que las gráficas de control de medias de rango
han logrado obtener una mejora óptima de la calidad sin hacer una considerable inversión en equipo
nuevo o en adaptación de este. La capacidad del proceso es igual a 6 sigmas cuando el proceso está
bajo control estadístico. Sin embargo, a continuación se calcula la capacidad del proceso de la gráfica
de medias para conocer la condición en que se encuentra el proceso.
Fórmula para calcular la capacidad del proceso:
RCP= Relación de la capacidad del proceso
LSE= Limite superior de especificación
LIE= Limite inferior de especificación
Sigma= Desviación estándar
𝑅𝑐𝑝 =𝐿𝑆𝐸 − 𝐿𝐼𝐸
6 𝜎
Gráfico de control de rangos
Media del proceso: 97.2
Desviación estandar: 18.97
Muestras por mes: 20
Meses
Defe
ctos
97.2000
40.2853
154.115
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
MAYO2014AGO2014
OCT2014DIC2014
FEB2015ABR2015
JUN2015
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
58
𝑅𝑐𝑝 =96.26 − 61.35
6 ∗ 26.02 = 0.19
Cuando la relación de capacidad del proceso es por debajo de 1 significa que el equipo está lejos de
satisfacer las especificaciones.
Tabla 1. Costo de las ineficiencias por concepto de material y mano de obra
La planta tiene múltiples defectos y al valorizar el desperdicio de los materiales y la ineficiencia de
la mano de obra se observa que es elevado el costo ya que va de 2,149 dólares a 54,024 dólares por
mes.
Conclusiones
El número de defectos en los primeros 5 meses es considerablemente alto debido a que el personal
no está suficientemente capacitado ante un incremento de la producción, ya que en estos meses se
produjeron modelos de vestiduras para automóviles 2014 y 2015, causando además la falta de un
mantenimiento preventivo y realizando únicamente los mantenimientos correctivos.
A partir de octubre de 2014 los defectos disminuyeron ya que las órdenes de trabajo de modelo
anterior (2014) desaparecieron y se producía solamente las vestiduras del modelo reciente (2015).
El costo del desperdicio de la materia prima, falta de mantenimiento a los equipos, aunado a la falta
de capacitación y mala administración del personal genera gran parte de las disconformidades.
Costo total de defectos por
mes en materia prima (
dólares)
Mayo/2014 164700 22372 51022.30 3001 54024
Junio/2014 124668 16934 38620.82 2272 40893
Julio/2014 102924 13981 31884.76 1876 33760
Agosto/2014 128016 17389 39657.99 2333 41991
Septiembre/2014 120276 16337 37260.22 2192 39452
Octubre/2014 6552 890 2029.74 119 2149
Noviembre/2014 14544 1976 4505.58 265 4771
Diciembre/2014 9216 1252 2855.02 168 3023
Enero/2015 15804 2147 4895.91 288 5184
Febrero/2015 32652 4435 10115.24 595 10710
Marzo/2015 19116 2597 5921.93 348 6270
Abril/2015 16200 2201 5018.59 295 5314
Mayo/2015 29592 4020 9167.29 539 9707
Junio/2015 34812 4729 10784.39 634 11419
Julio/2015 32076 4357 9,937$ 585 10521
Defectos
Costo total por concepto
de ineficiencia de mano
de obra ( pesos)
Costo total por concepto de
ineficiencia de mano de
obra (dólares)
Costo total por concepto de
materia prima y mano de
obra (dólares)
Mes
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
59
El estudio pretende aportar o evidenciar que la industria manufacturera de vestiduras para
automóviles, requiere de un esfuerzo superior por parte de las áreas de control de calidad, pero sobre
todo que la alta gerencia de la empresa dirija los esfuerzos para alcanzar los estándares de ese
segmento de la industria así como, reducir los costos en beneficio de los inversionistas y de las
utilidades de la empresa.
Bibliografía
Juran J. (1999) Juran’s Quality Handbook. Fifth edition. Mc Graw-Hill. New York
Instituto Nacional de Autopartes (2015) http://www.ciiam.com/cifras_relevantes.asp
Machorro Angel. (2009). La calidad en el servicio como ventaja competitiva en una empresa
automotríz. Revista de la ingeniería industrial, 3, 16.
Montgomery D. (2013). Control estadístico de la calidad. Tercera edición. LIMUSA. México. Pp:
797.
Romero Arturo Luis (2010). Sistemas de gestión de la calidad, importancia de su implantación en
las empresas del territorio. Extruplan online
Secretaría de Economía (2008). Industria Automotriz. Monografía
http://www.economia.gob.mx/files/comunidad_negocios/industria_comercio/informacionSectorial/
monografia_industria_automotriz_14_03_2014.pdf
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
60
NANOTUBOS DE CARBONO COMO UNA ALTERNATIVA PARA LA TRANSFECCIÓN
DE OVOCITOS MADUROS DE Bos taurus
Autores:
C.D.Ph. Cynthia Lizeth González Trevizo [email protected]
Dra. Silvia Lorena Montes Fonseca [email protected]
Tecnologico de Monterrey, campus Chihuahua, Ave. Heroico Colegio Militar 4700, Chihuahua,
Chihuahua, México, 31300.
D.Ph. María Eduviges Burrola Barraza [email protected]
Dr. Everardo González Rodríguez [email protected]
Universidad Autónoma de Chihuahua, Facultad de Zootecnia y Ecología, Periférico Francisco R.
Almada Kilómetro 1, Chihuahua, Chihuahua, México, 31415
Dra. Norma Rosario Flores Holguín [email protected]
Dra. María Antonia Luna Velasco [email protected]
Dr. Erasmo Orrantia Borunda [email protected]
Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. Ave. Miguel de Cervantes 120, Industrial
Chihuahua, Chihuahua, Chihuahua, México, 31109
RESUMEN
La introducción de material genético dentro de células animales tiene múltiples ventajas en el área
farmacéutica y otras áreas de interés económico, como la agrícola y la pecuaria. Las técnicas de
transfección existentes, sobre todo aquellas basadas en el uso de agentes lipofectantes, no son
exitosas en ovocitos y cigotos debido a que la zona pelúcida que los recubre impide la penetración
del material genético. Otras, como la microinyección, demandan el uso de equipos altamente
costosos y especializados. Por esta razón este proyecto propone el uso de nanotubos de carbono
(NTC) funcionalizados con ADN como un sistema de transfección de células. Debido a que no se
sabe si los NTC son capaces de atravesar la zona pelúcida, el objetivo del presente trabajo es evaluar
la internalización de los NTC funcionalizados con diacetato de fluoresceína en ovocitos maduros de
Bos taurus mediante microscopía confocal. Para esto NTC fueron sintetizados, purificados y
funcionalizados con diacetato de fluoresceína. En los estudios de internalización los ovocitos
obtenidos de ovarios de vacas sacrificadas fueron madurados in vitro y separados en dos grupos, un
grupo control (sin interacción con NTC) y un grupo interaccionado con NTC funcionalizados con
diacetato de fluoresceína (1 mg/ml) por 30 min. Terminado el tiempo los ovocitos de ambos grupos
fueron fijados y permeabilizados con paraformaldehído al 4% amortiguado y PBS-Tritón 0.2%
respectivamente. Los núcleos de las células fueron teñidos con DAPI y analizados mediante
microscopía confocal. Los resultados muestran que los NTC utilizados tienen un tamaño de 1.8 µm
longitud y 40-70 nm de diámetro y presentaron una efectiva funcionalización con el fluorocromo.
Los estudios de internalización indican la presencia de los NTC en la zona nuclear y en el citoplasma
de las células. Estos resultados nos permiten concluir que los NTC pueden atravesar la zona pelúcida
de los ovocitos maduros, convirtiéndose en excelentes candidatos para ser utilizados como vectores
para la transfección de genes.
Palabras Clave: Nanotubos de Carbono, ovocitos maduros, zona pelúcida, internalización.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
61
INTRODUCCIÓN
La transfección es la introducción de material genético exógeno a células animales con el fin de
silenciar genes, generar líneas celulares estables, aumentar la producción de una proteína con
diversas aplicaciones, inclusive manipular la reprogramación y diferenciación de células madre12. La
introducción de material genético en las líneas germinales de ganado vacuno ofrece beneficios como
la producción a gran escala de proteínas de interés farmacéutico para el mejoramiento agrícola, así
como un incremento en la calidad de los productos obtenidos del mismo. Sin embargo, las técnicas
existentes hasta el momento presentan una pobre eficiencia de transfección y son sumamente
costosas5. La microinyección de ADN en el pronúcleo de cigotos es una técnica ampliamente
extendida, pero exige el uso de equipo especializado y un alto nivel de conocimiento técnico1, su
eficiencia es baja y se ha observado que únicamente hasta el 2% de los cigotos microinyectados
resultan en animales transgénicos. La lipofección por su parte, es un procedimiento simple, pero su
uso en ovocitos y cigotos es restringido, ya que la zona pelúcida impide la penetración del agente
lipofectante en el citoplasma7.
La zona pelúcida es una capa extracelular especializada que rodea la membrana plasmática de los
ovocitos y embriones en etapas tempranas de desarrollo9. Esta red paracristalina elástica se compone
de proteínas de zona (ZP), glicoproteínas y polisacáridos que hacen de ésta, una estructura porosa
semipermeable que permite el paso selectivo de macromoléculas17. Su presencia es indispensable
para la ovogénesis, fertilización y desarrollo preimplantación3, donde desempeña varias funciones
como: permitir la unión de espermatozoides de manera especie-específica evitando la polispermia;
servir de cubierta protectora durante los procesos de división celular y tránsito por el oviducto; y
evitar la dispersión de blastómeros en las etapas previas a la implantación14, lo que hacen de ella,
una barrera que dificulta el paso de agentes transfectantes hacia el interior del ovocito.
En los últimos años se han buscado nuevas estrategias para una efectiva transfección de células a
bajos costos. Entre éstas se encuentra el uso de la nanotecnología, la cual tiene el potencial de crear
nuevas estructuras con la habilidad de atravesar membranas celulares y aumentar la solubilidad, la
estabilidad y la biodisponibilidad de biomoléculas, mejorando así su eficiencia de liberación15.
Diversos estudios han mostrado eficiencias de transformación hasta de un 80.7% al utilizar
nanopartículas como sistemas de liberación de genes, comparado con el 54.4% por infección con
virus y sólo el 8% usando ADN desnudo13. El uso de nanotubos de carbono (NTC) como un sistema
de liberación de genes ya ha sido investigado por algunos autores mostrando excelentes resultados
en la transfección de genes en diversas células de mamíferos.
Los NTC son estructuras cilíndricas formadas por láminas de grafito enrolladas, las cuales están
compuestas por anillos de átomos de carbono perfectamente estructurados. Una de sus principales
características es que se les pueden unir un sin número de moléculas químicas a su superficie, proceso
que se llama funcionalización, y de esta manera potencializar sus aplicaciones en el área médica
como acarreadores biológicos6. El ADN se puede funcionalizar sobre los NTC a través de
interacciones iónicas y promover la liberación eficiente de éste dentro de las células. Estudios han
demostrado que los NTC no interfieren con la movilidad del ADN y también se encontró un efecto
protector contra nucleasas celulares, así como una pobre degradación enzimática del mismo18. Del
mismo modo las células transfectadas con el sistema ADN-NTC han mostrado niveles de expresión
de 5-10 veces más altos en comparación con células transformadas por vectores convencionales.
Estos hallazgos revelan un nuevo potencial de los NTC como un sistema avanzado de liberación de
genes.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
62
A pesar de las evidencias anteriores actualmente se desconoce si los NTC pueden atravesar la zona
pelúcida de los ovocitos maduros y poder funcionar en un futuro como un nuevo sistema de
liberación de genes más eficiente y económico para ser utilizado en la transfección de embriones
bovinos. Por tal motivo el presente trabajo tiene como objetivo evaluar la internalización de los NTC
funcionalizados con diacetato de fluoresceína en ovocitos maduros de Bos taurus mediante
microscopía confocal.
METODOLOGÍA
Síntesis y Purificación de los NTC: los NTC fueron sintetizados mediante el método de spray
pirólisis, utilizando 25 mL de tolueno y 0.25 g de ferroceno como fuente de carbono y catalizador,
respectivamente durante un tiempo de síntesis de 2 min en un horno a 800°C, obteniendo así los NTC
no purificados (NP-NTC)11. Para la purificación 0.2 g de NP-NTC fueron suspendidos en 400 mL
de una mezcla concentrada de H2SO4 (90%)/ HNO3 (70%) 3:1 v/v y sonicados en un baño de agua
por 48 h. Los NTC purificados (P-NTC) resultantes fueron filtrados a través de una membrana de
politetrafluoretileno (PTFE) con un tamaño de poro de 0.45 µm y lavados cuatro veces con agua y
metanol respectivamente. Finalmente los P-NTC se secaron a temperatura ambiente por 24 h
(Montes-Fonseca, 2015). Tanto los NP-NTC como los P-NTC fueron caracterizados mediante
microscopía electrónica de barrido (MEB) en un microscopio JEOL SEM, modelo JSM-5800 LV
equipado con analizador de dispersión de rayos X (EDS) y por espectrofotometría Raman utilizando
un micro-Raman LabRAM HR de Horiba Jobn Yvon, acoplado a un microscopio Olympus BX-4
con un láser a una excitación de 632.8 nm.
Funcionalización de los P-NTC con diacetato de fluoresceína (DF): 10 mg de P-NTC se
resuspendieron en 20 mL de una solución amortiguadora de fosfatos (0.1 M pH 7.5) y se adicionaron
25 mg de EDAC (1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)carbodimida). Esta mezcla se sonicó por 2 horas.
Terminado el tiempo se adicionaron 5 mL de una solución que contenía 10 mg de DF y 250 mg de
BSA disueltos en una solución amortiguadora de fosfatos (0.1 M pH 7.5) previamente homogenizada
durante 2 h, y se agitó por 24 h a 4°C en oscuridad. Finalmente los NTC funcionalizados con el DF
(DF-NTC) fueron filtrados en una membrana de 0.22 µm de poro y se lavaron con agua estéril 4
veces. Los DF-NTC fueron recuperados de la membrana y resuspendidos en 10 mL de PBS 1X estéril
(concentración final 1mg/mL de DF-NTC) y caracterizados mediante espectrofotometría Raman.
Maduración de ovocitos: Se recolectaron ovarios de vacas provenientes de la Empacadora Prieto de
la ciudad de Chihuahua inmediatamente después del sacrificio y se enjuagaron con solución salina
estéril 0.15 M para retirar restos hematológicos. Posteriormente, los folículos de 2 a 8 mm de
diámetro fueron aspirados con aguja BD Precision Glide 18G x 1½" acoplada a sistema de vacío
(WOB-L® Dry Vacuum Pumps, Standard-Duty, Welch®) a fin de obtener los complejos ovocito-
cúmulos (COC´s). Dichos complejos se colocaron en medio químicamente definido para el manejo
de ovocitos (H-CDM-M). Con ayuda del estereoscopio Leica MS5, se seleccionaron aquellos que
presentaron ovocitos con más de 3 capas de células cumulares no expandidas y citoplasma
homogéneamente granulado. Posteriormente se colocaron en grupos de 50 en platos de cuatro pozos
(Thermo Scientific), con 1000 µL de medio químicamente definido para la maduración in vitro de
ovocitos (IVM) en atmósfera húmeda al 5% de CO2 a 38.5 °C durante 23 h. Transcurrido el periodo
de incubación, los ovocitos fueron desprovistos de las células cumulares expandidas por vórtex.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
63
Estudios de internalización: los ovocitos maduros se dividieron en dos grupos equitativos de 10
células, el grupo control sin interacción con NTC y el grupo experimental en interacción con los DF-
NTC. Los ovocitos del grupo control fueron colocados en 100 µL de buffer de fosfatos salino (PBS)
1X estéril y los ovocitos del grupo experimental en 100 µL de la solución de DF-NTC (1 mg/mL) y
se incubaron a 38.5°C por 30 min en una atmósfera húmeda con 5% de CO2. Terminado el tiempo,
los ovocitos fueron lavados 3 veces por 5 min con PBS 1X adicionado con polivinilpirrolidona (PVP)
al 0.1% y se fijaron con una solución de paraformaldehído al 4% amortiguado por 1 h a 37°C, seguido
de una permeabilización con una solución de Tritón X-100 al 0.2% en PBS por 15 min a temperatura
ambiente. Los ovocitos fijados y permeabilizados fueron lavados nuevamente 3 veces por 5 min con
PBS-PVP 1X. El núcleo de los ovocitos fue teñido con 4,6-diamidino-2-fenilindol (DAPI) y la
evaluación de la internalización se realizó mediante microscopía confocal (LSM 700, Carl Zeiss) .
RESULTADOS
El tamaño y la composición elemental de los NP-NTC y los P-NTC fue caracterizada mediante MEB
y análisis EDS. Los NP-NTC mostraron diámetros en un rango de 40 - 75 nm, así como una longitud
de 37.79 µm (Figura 1, A y B respectivamente). Los P-NTC presentaron la misma distribución de
diámetros y una longitud de 1.8 µm (Figura 2, A y B respectivamente). El análisis elemental de los
NP-NTC y los P-NTC (Tabla 1) mostró una disminución del contenido de Fe de 2.53% a 1.43% así
como un aumento en el contenido de O de 14.29% a 16.30% en los P-NTC. También se observa un
contenido de S de 14.41% en los P-NTC, los cual será discutido en la siguiente sección.
Para evaluar la calidad estructural de los NTC se utilizó espectrofotometría Raman. Los espectros
Raman de los NP-NTC y los P-NTC se muestran en la Figura 3 (A y B, respectivamente). El espectro
de los NTC se caracteriza por la presencia de dos bandas, la banda G a 1600 cm-1 correspondiente a
las vibraciones de los enlaces de los átomos de C de la lámina de grafito, y la banda D a 1338 cm-1
que es producto de los defectos presentes en la misma lámina. La relación de la intensidad de ambas
bandas (IG/ID) es una medida de la calidad estructural de los NTC2,8. La intensidad de la banda D en
los P-NTC es mayor en comparación con los NP-NTC, y su relación IG/ID es de 0.73. Por otro lado
la relación IG/ID de los NP-NTC es de 0.99. Estos resultados nos indican un menor calidad
estructural en los P-NTC debido probablemente al proceso de purificación el cual origina defectos
sobre la superficie de los NTC.
Los P-NTC fueron funcionalizados con DF mediante una amidación activada por carbodimida. Los
DF-NTC fueron caracterizados mediante espectrofotometría Raman (Figura 3C). El espectro muestra
la presencia de la banda G específica de las láminas de grafito del NTC, sin embargo se pierde la
banda D debido a la interferencia producida por el fluorocromo. Esto nos indica una efectiva adición
del fluorocromo sobre los NTC.
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64
Figura 1. Micrografías de los NP-NTC obtenidas por MEB. En A se muestra el diámetro y en B la longitud de
los NP-NTC.
.
Figura 2. Micrografía de los P-NTC obtenidas por MEB. En A se muestra el diámetro y en B la longitud de los
P-NTC
% en peso
Elemento NP-NTC P-NTC
O 14.29 16.305
C 83.13 66.97
Fe 2.53 1.43
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S 0 14.41
TOTAL 100 100
Tabla 1. Análisis Elemental de los NP-NTC y los P-NTC
Figura 3. Espectros Raman de los NP-NTC (A), P-NTC (B) y DF-NTC (C).
La maduración de los ovocitos fue comprobada por análisis microscópico (Figura 4A). Se observó
la mucificación y expansión de las células cumulares en los COC´s debido a la formación de la matriz
de hialurorano. La remoción de las células cumulares permitió efectuar el análisis de la morfología
celular. La Figura 4B muestra el citoplasma uniformemente granulado de los ovocitos maduros y la
integridad de la zona pelúcida, esencial para este ensayo.
Figura 4. Selección y maduración ovocitaria. En A se muestran complejos ovocito-cúmulus después del proceso de
maduración. La expansión de las capas de células cumulares es indicada por flechas; en B se aprecia la morfología
celular de los ovocitos maduros sometidos a vórtex. En el recuadro superior izquierdo se muestra un ovocito después
del proceso de desnudamiento.
El estudio de internalización de DF-NTC en ovocitos maduros se realizó por microscopía confocal.
El núcleo celular fue teñido con DAPI como se observa en la Figura 5. En las células control, que
no fueron interaccionadas con los DF-NTC, únicamente se observó la señal producida por DAPI
(color azul) (Figura 5A), mientras que en los ovocitos maduros que fueron interaccionados con DF-
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NTC se detectó además de DAPI, la señal verde fluorescente característica del DF tanto a nivel
nuclear (Figuras 5B y 5C) como a nivel citoplasmático (Figura 5C).
Figura 5. Imagen confocal de ovocitos maduros interaccionados con DF-CNT. En A se muestra el ovocito control
sin estímulo, en B y C se observan ovocitos interaccionados con DF-CNTs.
DISCUSIÓN
Los NTC tienen múltiples aplicaciones en el área médica debido a su potencial de funcionar como
sistemas acarreadores, sin embargo su efecto tóxico es aún un tema de estudio. Diversas
investigaciones han demostrado que el tamaño, la pureza y la funcionalización son factores
importantes que modulan este efecto. Los P-NTC con un longitudes < 1 µm y los NTC
funcionalizados presentan un menor efecto tóxico en comparación con los NP-NTC10. Debido a esto
los NP-NTC suelen ser sometidos a un proceso de purificación con ácidos con el fin de remover los
residuos de Fe de su superficie y promover el acortamiento de los mismos. Los resultados obtenidos
en este trabajo muestran que el proceso de purificación con H2SO4 (90%)/ HNO3 (70%) 3:1 v/v fue
exitoso ya que se obtuvieron P-NTC con un rango de longitud cercanos 1 µm, así como una efectiva
remoción de Fe. Por otro lado el aumento del contenido de O en los P-NTC indica la adición de
grupos oxidados (CO, OH y COOH) sobre su superficie los cuales son importantes para el proceso
de funcionalización. De acuerdo a Zhang et. al., (2003) estos grupos son originados por la
interacción de los ácidos concentrados utilizados en el proceso de purificación con la superficie de
los NTC originando defectos que permiten el rompimiento de los mismos y la oxidación de los
átomos de carbono expuestos19. El espectro Raman reafirma esta teoría debido a la disminución de
la calidad estructural en los P-NTC y concuerda con los resultados obtenidos por Montes-Fonseca
et. al., (2012)10. El contenido de S en los P-NTC proviene probablemente del mismo proceso de
purificación, por lo que se implementaron más lavados antes de proceder a su funcionalización.
Los grupos COOH incorporados a la superficie de los NTC durante el proceso de purificación fueron
utilizados como puentes de anclaje para la funcionalización del fluorocromo. Para esto el DF se
adhirió a moléculas de Albúmina seguido de la formación de un enlace iónico entre el grupo COOH
de los P-NTC y el grupo amino de la albúmina. El espectro Raman de los DF-NTC corroboran la
presencia de moléculas fluorescentes en la muestra debido a que ésta origina interferencias a lo largo
del espectro.
La zona pelúcida es una barrera semipermeable que impide el paso de agentes hacia el espacio
perivitelino. Su presencia, dificulta enormemente los procesos de transfección celular, tanto en líneas
germinales como en ovocitos en etapas de desarrollo temprano. Por esta razón, ha sido necesario el
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67
uso de equipos como los micromanipuladores, que elevan los costos de estas técnicas moleculares1.
Los resultados obtenidos en el presente estudio, muestran que los NTC poseen la capacidad de
atravesar esta matriz, penetrando tanto los poros de las capas externas como también los escasos
poros de diámetro menor que las capas internas de la ZP de ovocitos maduros presentan14. Resulta
de relevancia el hecho, de que las nanopartículas observadas, no sólo fueron capaces de evadir la
capacidad selectiva del oolema, sino que además se adentraron a nivel nuclear, mostrando el claro
potencial de estas estructuras para evadir la maquinaria lisosomal.
CONCLUSIÓN
Los DF-NTC lograron atravesar la zona pelúcida de los ovocitos maduros, ya que se encontraron en
la zona nuclear y citoplasmática de los mismo. Este hallazgo sugiere que los NTC pueden ser
utilizados como un sistema de transfección de células y eficientar los procesos existentes. Sin
embargo mayores estudios son necesarios para poder evaluar si el sistema ADN-NTC presenta el
mismo comportamiento y si el material genético transfectado logra expresarse.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al equipo iGEM (Tec-Chihuahua) por su apoyo en el desarrollo del protocolo
experimental del trabajo: Romina Castellanos Rincón, Sebastian Delgado Reyes, Adrían Díaz
Chávez, Manuel Lerma Porras, Saúl Pizarro Medina, América Ramírez Colmenero, Carolina
Ramírez Márquez, Ariel Orlando Sotelo Reyes y Abril Valverde Rascón.
También agradecemos el CIMAV y a la Facultad de Zootecnia y Ecología por el apoyo recibido en
reactivos, préstamo de equipos y espacios de trabajo.
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Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
69
Resumen — La Huella de Carbono no es sencilla de rastrear al momento de desarrollar un nuevo
producto. Existen herramientas que le pueden ayudar a hacer este trabajo, aunque muchas de ellas
no sean exactas u objetivas.
Los sistemas CAD son confiables y pueden integrarse a sistemas ya existentes dentro de las
empresas, una ventaja es que pueden ser parte del proceso de gestión de un proyecto, y al estar
implementados y considerados durante el desarrollo del producto agregará mayor valor percibido a
este mismo, ayudándole a que sea seleccionado por el cliente final.
SolidWorks tiene una herramienta de cálculo del nivel de sostenibilidad que tienen los
productos desarrollados en este software.
Palabras Clave — Sostenibilidad, CAD, SolidWorks, Huella de Carbono, Innovación
INTRODUCCIÓN
EL CRECIMIENTO DEMOGRÁFICO QUE SE HA DISPARADO EN LAS ÚLTIMAS DÉCADAS HA
PROVOCADO QUE LA DEMANDA DE BIENES DE CONSUMO SE HAYA INCREMENTADO EN IGUAL
PROPORCIÓN, GENERANDO UN GRAVE PROBLEMA DE CONTAMINACIÓN DERIVADA DEL MISMO
CONSUMO DE PRODUCTOS DE DISEÑO INDUSTRIAL, GRACIAS A LAS EMISIONES DE CARBONO AL MEDIO
AMBIENTE.
Se han desarrollado diversos conceptos que buscan relacionar el consumo humano y los
impactos ecológicos ocasionados. La huella ecológica es medida en unidades de área incluye los
ecosistemas terrestres y acuáticos.
Huella de carbono → Huella de CO2 → Huella energética
La huella energética es un concepto que surge a partir de la huella ecológica. La huella
energética, así como la huella ecológica, muestra el impacto del consumo de recursos en unidades
de área. La razón por la cual se utilizan unidades de área para medir la huella energéticas es que la
población en general se encuentra familiarizada con el concepto.
Este indicador relaciona el consumo de energía con las emisiones de CO2 liberadas por ese
consumo y traduce el impacto a unidades de área. Para obtener la huella energética de la producción
Gutiérrez Contreras, Luis Miguel.
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Laguna
Escuela de Arquitectura y Diseño
SolidWorks como Herramienta para Seguir la Huella del Carbono
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de un bien estima el área necesaria para absorber las emisiones de CO2 generadas por la quema de
combustibles fósiles para la generación de energía primaria.(Aguilar Lázaro, 2008)
Comúnmente la huella de carbono se define como la cantidad de gases de efecto invernadero
emitidos a la atmósfera derivados de las actividades de producción o consumo de bienes y servicios
de los seres humanos, variando su alcance, desde un mirada simplista que contempla sólo las
emisiones directas de CO21, a otras más complejas, asociadas al ciclo de vida completo de las
emisiones de gases de efecto invernadero, incluyendo la elaboración de materias primas y el destino
final del producto y sus respectivos embalajes.(Schneider, n.d.)
Los esfuerzos no deben ir encaminados solamente el intentar disminuir las emisiones de CO2
al medioambiente al momento de fabricar un producto, sino hacia la detección oportuna y efectiva
que los diseñadores al momento de estar desarrollando nuevos productos puedan realizar durante
este proceso que se antoja complejo.
Existen algunas herramientas que ayudan al diseñador a que el desarrollo de su proyecto se
haga desde una perspectiva de sostenibilidad, sin alterar o perjudicar el proceso creativo que podría
limitar en algún momento los aspectos de innovación formal y/o funcional de un producto.
ECONOMÍAS DE BAJO CARBONO
El término “Economía de Bajo Carbono” apareció por primera vez en el documento: UK
Energy White Paper in 2003: “Our Energy Future: Creating A Low Carbon Economy”(Paper, n.d.),
en donde se habla de que la economía británica deberá estar basada en la producción de artículos con
bajo consumo de energía, bajos niveles de emisiones y optimización de la contaminación al
medioambiente.(Xiya, 2010)
Una economía de bajo carbono impacta de menor manera ya que sus emisiones de gases de
efecto invernadero, específicamente el CO2, se ven reducidas hacia la biósfera.
Es interesante analizar estas nuevas teorías de producción, en donde los gobiernos atienden a
las necesidades del entorno regulando la manera en que las industrias de la transformación son menos
agresivas con sus consumos así como con las afectaciones que se pudieran generar, llevando como
consecuencia al perfecto equilibrio entre consumo y reposición de los recursos naturales.
Para que esto pudiera convertirse en realidad, sería obligatorio que los gobiernos en conjunto
con la iniciativa privada e instituciones educativas generen políticas nacionales de manufactura
limpia en donde se regulen los procesos de transformación que utilizan las empresas.
INNOVACIÓN SOSTENIBLE
Para poder lograr una nueva revolución industrial que pueda ser enfocada a la sostenibilidad,
se requiere de innovación y no solamente de mejorar hábitos existentes. Se han desarrollado muchos
métodos que ayudan en la etapa de desarrollo de nuevos productos a considerar el aspecto de
1 CO2 (Dióxido de Carbono)
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sostenibilidad del proyecto.
Algunos de estos métodos que ya son aplicados en la actualidad, presentan algunas áreas
débiles en su implementación lo cual les limita su uso en la industria. (Panarotto & Törlind, 2011)
Estas herramientas y métodos para el diseño de productos sustentables se clasifican en:
Herramientas CAD2
Cumplimiento de Normatividad
Análisis del Ciclo de Vida3
Métricas de decisión en el diseño (Qizhen, 2013)
Figura 1: Lifecycle Inventory Database
Para que una empresa pueda tomar decisiones que beneficien los aspectos sustentables de su
producción, requiere de herramientas veraces que arrojen datos duros y confiables. El principal
problema de algunas herramientas, es que su aplicación se hace de manera subjetiva y con poco
control de los datos, razón principal por la cual no es factible de implementarse sin riesgo a cometer
errores.
El uso de sistemas CAD en la administración de los proyectos le da la confianza tanto al
diseñador como al empresario de que las propuestas que se generen van a tener un mínimo margen
de error al momento de su implementación. Si estos sistemas estuvieran integrados a módulos que
puedan medir el grado de sostenibilidad que ese producto en particular tiene, podría sustentar las
premisas e hipótesis planteadas por un equipo de diseño de cualquier industria de la transformación
de materiales.
2 Computer Aided Design 3 LCA (Life Cycle Assessment)
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LA CAJA DE LA INNOVACIÓN SUSTENTABLE
Hablando de índices de confianza en los sistemas de desarrollo de nuevos productos, uno de
los más importantes es la satisfacción del cliente ante las necesidades que tiene y el consumo del
producto que va a cubrir este último aspecto.
Cada producto es diseñado con el objetivo de satisfacer las necesidades del cliente, así que
una de las primeras etapas en cualquier método de desarrollo de un nuevo producto es comprender
las expectativas que este mismo tiene hacia el objeto. Actualmente los atributos que un producto
debe tener no se enfocan únicamente a los que satisfagan sus necesidades básicas, sino que debe de
atraer más hacia la zona de las experiencias y la manera en cómo el usuario interactúa con el objeto.
La caja de la innovación sustentable, nos indica tres grandes ejes en los cuales se puede mover
el concepto de un nuevo producto para que esta innovación sustentable pueda darse. (Panarotto, n.d.)
Figura 2: Caja de la Innovación Sustentable
Estas tres dimensiones son: el cambio de la tecnología/estructura del producto, modificando
el modelo de negocio o cambiar la cultura del usuario y su comportamiento. A modo de ejemplo:
compartir la bicicleta es una innovación en la que no hay ninguna mejora en la tecnología o la
estructura del producto (tenemos bicicletas desde hace casi doscientos años), pero ¿Qué tal si se
cambia el modelo de negocios? (que las bicicletas no sean vendidas sino rentadas) y el
comportamiento del usuario (los clientes han llegado a la decisión de usar las bicicletas en vez
coches).(Panarotto, n.d.)
Si nos enfocamos en las dimensiones de modelo de negocios y del comportamiento del
cliente, los sistemas CAD para medir si un producto es sostenible o no, podrían no tener impacto
alguno, pero en la dimensión de Tecnología/Estructura que es prácticamente en donde se da la etapa
de desarrollo de un nuevo producto desde el concepto hasta la producción final, es en donde estos
sistemas nos ayudarían a determinar el grado de sostenibilidad de un diseño.
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SOLIDWORKS SUSTAINABILITY TOOL
Las economías de bajo carbono es un concepto que tiene como meta final proteger el medio
ambiente a través de medios tecnológicos verdes. Dentro de este concepto, los consumidores no
tienen que preocuparse acerca de si los productos sean funcionales debido a la calidad y tiempo de
vida de los materiales, sino la gente va a evaluar los productos con un juicio moral acerca de si el
producto que va a comprar contamina o causa daño a su entorno, tanto al momento de su producción
como al momento de ser consumido. (Tianjian, 2010)
Actualmente, con la ciencia y la tecnología de la mano con los sistemas CAD para poder
medir los niveles de sostenibilidad son cada vez más accesibles para las empresas.
Una de estas herramientas es SolidWorks Sustainability, un módulo que viene integrado a las
licencias tanto comerciales como educativas del software. SolidWorks Sustainability permite a los
usuarios medir el impacto medioambiental de los productos de un diseño en SolidWorks. El módulo
de SolidWorks Sustainability se integra plenamente en SolidWorks y proporciona información en
tiempo real sobre los impactos ambientales de la huella de carbono, consumo total de energía, efecto
sobre el agua, y el efecto en el aire. (Solidworks, 2013a)
El software se enfoca en el LCA de un producto el cual es el análisis detallado que
proporciona la información que se necesita para tomar las decisiones más respetuosas hacia el medio
ambiente a través del diseño de productos. El análisis se enfoca en la vida entera de un producto, que
incluye la extracción de minerales, producción de materiales, la fabricación, el uso del producto,
disposición al final de su vida, y todo el transporte que se produce entre estas etapas. (Solidworks,
2013b)
Figura 3: SolidWorks Sustainability
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SolidWorks Sustainability simplifica el diseño sostenible. Se le otorga al diseñador el poder
de la evaluación del ciclo de vida (LCA) en sus manos, proporcionando una información exacta, con
una perspectiva de la cuna a la tumba acerca del desarrollo y uso del producto y la manera en que
este afecta el medio ambiente.
El software permite integrar perfectamente el diseño del producto con LCA, por lo que al
instante se puede ver cómo los diferentes enfoques de diseño van a alterar un producto de impacto
ambiental en general.(Solidworks, n.d.)
Los datos utilizados por SolidWorks Sustainability son proporcionados por PE International de
Stuttgart, Alemania4. Ellos han desarrollado software y servicios de consultoría en diseño sostenible
durante casi 20 años. La base de datos de PE International y su software GaBi se utilizan dentro de
SolidWorks Sustainability.
Los valores en SolidWorks Sustainability son útiles dentro de un rango de +/- 20% y debe utilizarse
como una estimación. La forma más exacta de la utilización del producto es para seguir los cambios
relativos de una versión de un diseño a otro. Este es el cambio relativo entre las versiones que
proporcionan un indicador preciso de la mejora del medio ambiente.(Solidworks, 2013b)
CASO: TAZA CERÁMICA5
Como caso de estudio, se analizará una taza de cerámica diseñada y modelada en SolidWorks.
Figura 4: Taza diseñada en SolidWorks
La primera etapa es la selección del material con el cual está fabricado el producto. En este
caso no existe la cerámica como tal, por lo cual se seleccionará el más cercano que es la porcelana.
4 http://www.pe-international.com/mexico/index/ 5 NOTA: Los datos ingresados son estimados de acuerdo al tipo de producto que se analiza.
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Figura 5: SolidWorks Sustainability (Menú 1)
La segunda etapa es seleccionar la región en donde fue fabricado el producto. En este caso se
seleccionó Asia.
Figura 5: SolidWorks Sustainability (Menú 2)
La tercera etapa consiste en aportar algunos datos, como el tiempo que se tiene contemplado
que durará el producto, la cantidad de energía tanto eléctrica como de gas natural que se utilizó en la
fabricación de este producto.6
Figura 7: SolidWorks Sustainability (Menú 3)
En la cuarta etapa se proporciona la ubicación en que va a ser consumido el producto.
6 Los datos son estimados para elevar un horno de cocción cerámica una temperatura de 1,200° C
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Figura 8: SolidWorks Sustainability (Menú 4)
En la quinta etapa se hace un cálculo estimado del transporte que implica llevar el producto
desde el lugar de fabricación hasta el lugar de uso.
Figura 9: SolidWorks Sustainability (Menú 5)
La sexta etapa consiste en determinar cual va a ser el destino final del producto una vez que sea
desechado por falta de uso o degradación del mismo.
Figura 10: SolidWorks Sustainability (Menú 6)
Al final de introducir todos los datos, se obtiene una serie de gráficos, en donde se indica de qué
manera impacta la fabricación de este producto en distintos aspectos del LCA.
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Figura 11: SolidWorks Sustainability (Menú 7)
Ya por último, se genera un reporte en el cual se desglosan todos los datos obtenidos, como
por ejemplo: La Huella del Carbono de la taza cerámica.
Huella de carbono
Material: 0.050 kg CO2
Fabricación: 0.057 kg CO2
Transporte: 0.018 kg CO2
Fin de la vida útil: 0.119 kg CO2
0.244 kg CO2 Tabla 1: SolidWorks Sustainability (Huella de carbono)
CONCLUSIONES
SolidWorks Sustainability es una valiosa herramienta para poder determinar el impacto
medioambiental que tendrá un proyecto antes de producirlo.
Aunque es una herramienta cuyos indicadores se acercan mucho a los que otras herramientas
profesionales pudieran arrojar, no se considera como concluyente, ya que depende mucho de la
interpretación que se le den a los datos al momento de que un diseñador esté desarrollando un
producto.
HERRAMIENTAS UTILIZADAS
SolidWorks 2012 Education Edition.
Sustainability Tool
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UNA MIRADA A LA BIOLIXIVIACIÓN DE MINERALES
SULFUROSOS COMPLEJOS
de Lira G., Patriciaa; Flores G., Sergio G.b; Uribe S., Alejandroc; Orrantia B., Erasmod. a Universidad Autónoma de Zacatecas: Unidad Académica de Ciencias de la Tierra. Calzada de la Universidad 108. Col Progreso,
98058 Zacatecas, Zac., México. [email protected] b Centro de Investigación y de Materiales Avanzados, S.C.: Departamento de Química de Materiales.: Ave. Miguel de Cervantes No.
120, Complejo Industrial Chihuahua, 31109 Chihuahua, Chih., México. [email protected] c Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN Unidad Saltillo: Departamento de Metalurgia Extractiva. Industrial, Zona
Industrial, 25900 Ramos Arizpe, Coah., México. [email protected] d Centro de Investigación y de Materiales Avanzados, S.C.: Departamento de Medio Ambiente y Energía. Ave. Miguel de Cervantes
No. 120, Complejo Industrial Chihuahua, 31109 Chihuahua, Chih., México. [email protected]
R E S U M E N
Una de las metodologías empleadas por algunos investigadores para entender los mecanismo que
gobiernan el proceso bajo estudio, es el de evaluar o examinar el comportamiento de minerales puros
(o de alta pureza) en flotación o biolixiviación.
Con la intención de mostrar de manera conjunta estudios y/o resultados obtenidos de experimentos
propiamente sobre minerales de cobre, en el presente trabajo se plasma la recopilación de una
revisión bibliográfica de los principales elementos que comprenden los procesos
biohidrometalúrgicos (biolixiviación), con el enfoque de la manera de tratar el proceso y resultados
obtenidos a partir de minerales de cobre.
Palabras Clave: Biolixiviación, sulfuros complejos, Acidithiobacillus ferrooxidans, poros de
corrosión.
INTRODUCCION
En la actualidad los procesos metalúrgicos que involucran bacterias oxidativas están encaminados
tanto a su implementación industrial, como a dilucidar las reacciones biológicas involucradas en
ellos. Uno de los microorganismos más utilizados en procesos biohidrometalúrgicos es
Acidithiobacillus ferrooxidans Af, el cual posee la habilidad de acelerar la disolución oxidativa de
minerales sulfurosos7.
La implementación de procesos biotecnológicos en el beneficio de minerales sulfurosos, se
debe a factores como el bajo rendimiento económico y técnico, así como a los altos costos de
extracción y procesamiento de minerales por métodos tradicionales, e incluso, a la dificultad técnica
y tecnológica de los mismos.
7Colmer A.R. and Hinkle H.E. 1947. The role of microorganisms in acid mine drainage. Science. 106:253-256.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
80
Convencionalmente, los procesos de biolixiviación tienen el propósito de extraer el metal de interés;
sin embargo, existen estudios en donde la biolixiviación puede aplicarse para la eliminación de
metales no deseados de los concentrados minerales. Un ejemplo exitoso de esta alternativa es la
eliminación de arsénico contenido en la arsenopirita presente en concentrados de plomo y cobre8. La
literatura indica que las funciones metabólicas de las bacterias tienen un efecto de oxidación y
disolución en los minerales huésped. Lo anterior es explicado en función de las propias necesidades
metabólicas de las bacterias, que favorecen su adherencia sobre minerales base hierro (e.g., pirita,
calcopirita, arsenopirita).
Historia de la Biolixiviación
Los procesos de biolixiviación son cada vez más comunes para la recuperación de metales en minerales y
concentrados de baja ley que no pueden ser procesados económicamente por métodos convencionales.
Como es el caso de muchos procesos biotecnológicos, este método puede haber sido usado desde tiempos
prehistóricos y probablemente por griegos y romanos para extraer cobre del agua de las minas desde hace
más de 2000 años. Se ha señalado que la mina de Río Tinto en España, fue tal vez la primera operación a
gran escala en donde los microorganismos jugaron un papel importante9. El papel que juegan los
microorganismos en este proceso fue demostrado en 1947 cuando Colmer y Hinkle aislaron bacterias
pertenecientes al género Thiobacillus a partir de aguas ácidas en las minas.
En el periodo de 1950 a 1980 se consideró a la biolixiviación principalmente como una tecnología
adecuada para la recuperación de cobre y otros metales, a partir de jales y minerales de baja ley.
Posiblemente las operaciones más importantes en ese tiempo se realizaron en Río Tinto, España y en
Cananea, México. En Río Tinto se producían 8000 toneladas de cobre al año, mediante una operación de
lagunas de oxidación, mientras que en Cananea se producían 9000 toneladas al año de cobre, en una
operación in situ combinada con lagunas de oxidación.
A mediados de la década de los ochenta la minera chilena Padahuel estableció la primera mina de cobre
explotada únicamente con el método de biotecnología. Esta minera cambió una operación combinada
ácido-biolixiviación a una extracción mediante biooxidación únicamente por el método de montones
(Heap Leaching) de un mineral con contenido de cobre de 1 a 2 %, para producir 14000 toneladas de cobre
fino por año10.
En la actualidad, la biolixiviación también se aplica con éxito en el beneficio de oro, en minerales en los
cuales este metal se encuentra cubierto por sulfuros refractarios que impiden su extracción mediante las
soluciones de cianuro. En estos casos, los sulfuros deben ser removidos para mejorar la recuperación de
oro y la biolixiviación se cuenta como una buena alternativa para el pretratamiento de este tipo de
minerales11,12.
8Makita M., 2004. Biolixiviación de metales en minerales con arsenopirita mediante cepas de Thiobacillusferrooxidans en cultivo
continuo. Tesis de doctorado. 9 Brierley CL. 1978. Bacterial leaching.CRC Critical Reviews in Microbiology 4:207-262
10 Carlos Román, J.F. (2009). “la biolixiviacion:una tecnologia en avanzada.Caso de los minerales del zinc”.Tesis de Licenciatura.
11Lynn NS. 1997. The bioleaching and processing of refractory gold ore. Journal of Minerals, Metals and Materials 49 (4):24-26
12Shuey S. 1998. SaoBento: Eldorado’s 1M-oz Brazilian crown jewel. Engineering and Mining Journal 199 (10):28-36
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
81
Biolixiviación y Biooxidación
La biolixiviación o lixiviación microbiana, como también se le denomina, se refiere al estudio
y a la evaluación de la interacción entre microbios y minerales13. Este hallazgo ha sido importante
desde el punto de vista industrial y ambiental, dada la especificidad oxidativa de los microorganismos
sobre cierto tipo de minerales14.
De una manera general, la lixiviación se puede definir como un proceso mediante el cual un
compuesto o elemento es extraído de una matriz sólida mediante un solvente. La biolixiviacion
cumple con esta definición, la diferencia estriba en que la disolución del compuesto o elemento se
lleva a cabo por la acción que ejerce uno o varios microorganismos.
El termino biolixiviación se refiere particularmente a la conversión de un sulfuro metálico refractario,
en un sulfato metálico soluble de manera que el metal de interés es extraído en la solución acuosa.
Debido a que este proceso es de naturaleza oxidativa, también recibe el nombre de bioxidación15.
El uso de microbios para extraer metales de los minerales es simplemente la adaptación de un proceso que
ocurre naturalmente en minas y depósitos de minerales sulfurosos16
La biolixiviación presenta una serie de ventajas que son:
No se requiere de grandes modificaciones en la infraestructura disponible en las plantas de beneficio,
pudiendo usar como fermentadores las mismas celdas de flotación, adaptando instrumentos para el control
de la temperatura y de pH
No requiere grandes cantidades de energía
No produce gases ni contaminantes a la atmósfera
Puede usarse en minerales de baja ley
Los residuos resultantes son químicamente menos activos y presentan menos interacción con el medio
ambiente.
El interés creciente por la biolixiviación ha influido tanto el agotamiento paulatino de los minerales
susceptibles de beneficiarse mediante los métodos metalúrgicos tradicionales, como la disminución de los
precios de los metales que se ha venido observando en los últimos años. Ambas situaciones han obligado
a mirar en dirección a procesos que aseguran eficiencia y bajo costo de operación17. Sin embargo, a pesar
de las grandes ventajas potenciales que presenta la biolixiviación, esta tecnología ha recibido poca
atención por parte de la comunidad científica mundial, de manera que en la actualidad son contados los
grupos de investigadores que se dedican a desarrollar este campo, y aquellos que lo hacen, se han enfocado
fundamentalmente al estudio de la bioxidación de minerales que contienen metales valiosos como los que
13Medrano, R.H and L. J. Galán-Wong. 2000. Biotecnología de minerales. 1:11-80.
14Matschullant J, Perobelli BR, Deschamps E, Ribeiro FB, Gabrio T, and Schwenk M. 1999. Human and enviromental contamination
in the iron Quadangle, Brazil.Applied Geochemistry 15:181-190.
15Rawlings DE. 2001. The molecular genetics of Thiobacillusferrooxidans and other mesophilic, acidophilic, chemolithotrophic, iron-
or sulfur-oxidizing bacteria. Hydrometallurgy 59 (2-3):187-201
16Colmer A.R. and Hinkle H.E. 1947. The role of microorganisms in acid mine drainage. Science.106:253-256.
17Acevedo F. 2002. Present and future of bioleaching in developing countries.EJB Electronic Journal of Biotechnology 5 (2):196-199
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
82
se mencionaron anteriormente. Esto ha generado un desarrollo lento, con muy pocas innovaciones en el
estudio de la biolixiviación de otros metales de menor valor, de modo que en la actualidad existen más
interrogantes que respuestas en lo que ha estos metales se refiere.
Por otro lado, en la biooxidación los microorganismos se emplean para disolver a los minerales
sulfurosos, como piritas y arsenopiritas que contienen oro y/o plata. En estos minerales, el metal de
interés no se disuelve en el medio acuoso, sino más bien, el ataque microbiano prepara a los minerales
para ser procesados mediante alguna operación posterior, como la cianuración, para la extracción del
oro18. Dos grupos de investigadores han mostrado evidencia respecto a la preferencia de sitios de
corrosión bacteriana asociados a la presencia de oro dentro de la matriz cristalina de la pirita19,20.
Estos investigadores proponen una teoría sobre la formación de poros de corrosión, debido a que
observaron evidencias de la formación de poros a profundidades importantes dentro de partículas de
pirita, una vez efectuado el proceso de biolixiviación. Por otro lado, Lawrence y Marchant (1988)
ejemplifican el efecto de la oxidación selectiva en la extracción de oro e indican que la selectividad
es frecuentemente más pronunciada durante la biooxidación, siendo aún más importante este efecto
cuando el proceso es llevado a cabo en régimen continuo, comparado con procesos en batch.
En experimentaciones efectuadas con la finalidad de observar el inicio del proceso de biolixiviación,
algunos investigadores21,22 han concluido que la lixiviación bacteriana inicia con la adhesión de la
bacteria sobre la superficie del mineral, la cual posteriormente coloniza toda la superficie disponible.
Esta reacción de biolixiviación puede ser descrita por una cinética controlada por la difusión a través
de los poros. Sin embargo, este comportamiento se observó una vez que aparentemente la superficie
del mineral fue totalmente colonizada y sometida a la reacción.
Por su parte, Crundwell23 encontró que el ataque bacteriano incrementa la velocidad de disolución
bajo dos casos específicos: i).- si la velocidad de disolución es afectada por la formación de una capa
porosa de azufre y, por lo tanto, por la participación del fenómeno conocido como difusión a través
de la capa de productos, y ii).- Si la disolución del mineral se incrementa con el incremento del pH
en la superficie del mineral, entonces la adhesión de la bacteria sobre la superficie puede producir un
aumento en el pH a nivel de la superficie, lo que propicia un aumento en la velocidad de reacción
18Rawlings DE. 2001. The molecular genetics of Thiobacillusferrooxidans and other mesophilic, acidophilic, chemolithotrophic, iron-
or sulfur-oxidizing bacteria. Hydrometallurgy 59 (2-3):187-201
19Southwood, M.J., and Southwood, A.J. 1986. Mineralogical observations on the bacterial leaching of auriferous pyrite, in R.W.
Lawrence, R.M.R. Branion, and H.E. Ebner (eds.), Fundamental and Applied Biohidrometallurgy, Elsevier, New York. 98-113.
20Hansford, G.S., and Drossou.1987. M., A propagating pore model for the batch. Bioleach kinetics of refractory gold-bearing pyrite,
En P.R. Norris and D. P. Kelly (eds.), Biohidrometallurgy, Proc Intern.Symp., Warwick, Science and technology Letters, Kew, U.K., 525-
527.
21Sand W, Gehrke T, Jozsa P-G, Schippers A. 1999. Direct versus indirect bioleaching. In: R Amlis, A Ballester (Ed.) Biohydrometallurgy
and the Environment toward the Mining of the 21st Century. Elsevier, New York, Part A:27-49
22Orrantia E. Arévalo S, Cervantes C, Galán LJ, Medrano H, Pereyra B. 1999. Gold recovery from arsenopyrite ores by using an arsenic-
resistant Thiobacillusferrooxidans strain.RevistaLatinoamericana de Microbiología41:273-278
23Crundwell F.K. 2003. How do bacteria interact with minerals?.Hydrometallurgy 71: 75-81.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
83
Si se comparan con los métodos piro e hidrometalúrgicos, la biooxidación y la biolixiviación son
procesos sencillos, económicos y ambientalmente menos perjudiciales, ventajas que los hacen
atractivos para la recuperación de metales, considerando además, que estos no requieren de grandes
inversiones en equipos, ni en personal altamente especializado24.
Existen reportes en la literatura de casos específicos de aplicación de la biolixiviación y la biooxidación
en el beneficio de cobre y oro 25,26,27, de uranio28, así como en la recuperación de plata y plomo29, por
mencionar algunos.
Microorganismos de la biolixiviación
Existe una variedad amplia de microorganismos que son factibles de ser empleados en los procesos
biooxidativos, sin embargo, de forma comercial los que han destacado en aplicación han sido los
miembros del género Acidithiobacillus (Acidithiobacillus thiooxidans, At y en mayor preferencia
Acidithiobacillus ferrooxidans, Af); Af puede usar al ión ferroso o al azufre como fuente de energía,
mientras que At puede oxidar solamente el azufre, por lo que puede ser usado para remover el azufre
acumulado de algunos minerales durante la biolixiviación indirecta.
Existen otras bacterias que participan en la biolixiviación de minerales, algunas de las cuales se
enlistan a continuación.
BACTERIAS
MESÓFILAS
CONVENCIONALES
10 A 40ºC
BACTERIAS
TERMÓFILAS
MODERADAS
30 A 55ºC
ARCHAEA
HIPERTERMOFILAS
50 A 85 C
Acidithiobacillusferrooxidans Acidithiobacilluscaldus Sulfolobussp.
Leptospirillumferrooxidans Sulfobacillussp. Acidianussp.
Acidithiobacillusthiooxidans Metallosphearasp.
Reproducido de Rawlings (1997)30.
Bacterias mesófilas convencionales: Acidithiobacillusferrooxidans, Af, es una bacteria Gram-
negativa, acidófila, mesófilaquimioautótrofa. Las células son cortas en forma de bastones rectos
(bacilo) de 1.0 μm de longitud y 0.5 μm de diámetro. Algunas cepas pueden poseer flagelos y/o Pili
24Lynn NS. 1997. The bioleaching and processing of refractory gold ore. Journal of Minerals, Metals and Materials 49 (4):24-26
25Acevedo F. 2002. Present and future of bioleaching in developing countries.EJB Electronic Journal of Biotechnology 5 (2):196-
199 26Shuey S. 1998. SaoBento: Eldorado’s 1M-oz Brazilian crown jewel. Engineering and Mining Journal 199 (10):28-36 27Songrong Y, Jiyuan X, Guanzhou Q, Yuehua H.2002. Research and application of bioleaching and biooxidation technologies in
China.Minerals Engineering15 (5):361-363 28Mathur AK, Viswamohan K, Mohanty KB, Murthy VK, Seshadrinath ST. 2000. Technical note: Uranium extraction using biogenic
ferric sulfate. A case study on quartz chlorite ore from Jaduguda, Singhbhum Thrust Belt (STB).Bihar India.Minerals Engineering 13
(5):575-579
29Frías C, Díaz G, Ocaña N, Lozano JI. 2002.Silver, gold and lead recovery from bioleaching residues using the PLINT process.Minerals
Engineering 15 (11):877-878
30 Rawlings DE. 1997. Mesophilic, autotrophic bioleaching bacteria: description, physiology and role. In: DE Rawlings (Ed) Biomining:
Theory, Microbes and Industrial Processes. Springer-Verlag, New York 229
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
84
31. Af fue la primera bacteria descubierta capaz de oxidar a los minerales32. Desde un punto de vista
nutricional, las cepas típicas de Acidithiobacillus ferrooxidans están consideradas como autótrofos
obligados. Este microorganismo es capaz de crecer en ácido fórmico, cuando este compuesto es
agregado en pequeñas cantidades, conforme es consumido por la bacteria33. Debido a que el ácido
fórmico es un compuesto con un solo átomo de carbono, esta propiedad no es inconsistente con la
autotrofía.
Af es capaz de usar tanto ión ferroso como una amplia variedad de compuestos de azufre inorgánico
reducido, como donadores de electrones. Es preferentemente aeróbico, pero también es capaz de
crecer usando ión férrico como aceptor de electrones, siempre que exista en el medio un compuesto
de azufre reducido que pueda actuar como donador34.
Las bacterias oxidantes que pertenecen al género Acidithiobacillus previamente estaban incluidas en
el género Thiobacillus, como resultado de un análisis genético secuencial del 16S RNA, vino a ser
evidente que el género Thiobacillus incluía bacterias oxidantes del azufre que pertenecían a las
divisiones , , y de Proteobacteria. Para resolver esta anormalidad, el género Thiobacillus fue
subdividido35 y se creó un nuevo género, Acidithiobacillus, para acomodar a los altamente acidófilos
miembros del género anterior.
31DiSpirito AA, Silver M, Voss L, Tuovinen OH. 1982. Flagella and pili of iron-oxidizing thiobacilli isolated from a uranium mine in
Northern Ontario, Canada. Applied and Environmental Microbiology 43 (1):196-200
32Colmer A.R. and Hinkle H.E. 1947. The role of microorganisms in acid mine drainage. Science.106:253-256.
33Pronk JT, Liem K, Bos P, Kuenen JG.1991b.Energy transduction by anaerobic ferric iron respiration in Thiobacillusferrooxidans.
Applied and Environmental Microbiology 57:2063-2068
34Pronk JT, Meijer WM, Haseu W, van Dijken JP, Bos P, Kuenen JG.1991a. Growth of Thiobacillusferrooxidans on formic acid.Applied
and Environmental Microbiology 57:2057-2062
35Kelly DP, Wood AP. 2000. Reclassification of some species of Thiobacillusto the newly designated genera Acidithiobacillusgen. nov.,
Halothiobacillus gen. nov.andThermithiobacillus gen. nov.International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 50:511-
516
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
85
Figura 1.- Micrografía obtenida por SEM de un cristal de calcopirita a los 29 días de biolixiviación
con Af.
Acidithiobacillus ferrooxidans (Figura 1) es la única bacteria biooxidativa cuya biología molecular
ha sido estudiada con cierto detalle, de los aproximadamente 50 genes clonados o secuenciados que
han sido publicados, la gran mayoría que pueden ser probados, han sido expresados y producen
proteínas que también son funcionales en Escherichiacoli (un miembro de la subdivisión de
Proteobacteria). Estas observaciones, junto con las comparaciones filogenéticas de la mayoría de las
secuencias de proteínas en Acidithiobacillus ferrooxidans, han confirmado una inesperadamente
estrecha relación entre Af y E. coli36.
Metodología de la Biolixiviación
a).- El Mineral: El mineral utilizado en los procesos de biolixiviación puede ser normalmente de
tres tipos:
Mineral de baja ley.- Este puede ser cabeza de alimentación a cualquier proceso o pueden ser jales
del proceso de concentración por flotación.
Concentrados de sulfuros de baja ley.- Provenientes, generalmente, del proceso de concentración por
flotación.
Concentrados de sulfuros de alta ley.- Estos son principalmente aquellos quienes tienen minerales
indeseables como por ejemplo los de hierro o arsénico, o con inclusiones u oclusiones de oro.
b).- Preparación del Mineral: Las menas polimetálicas normalmente son procesadas para obtener
un concentrado de sulfuro. Este procesamiento puede ir desde la reducción de tamaño del mineral
(trituración y molienda), concentración por flotación en celdas mecánicas sub-aireadas y secadas en
filtros de tambor y disco37.
Cuando el mineral a biolixiviar es un concentrado, es importante retirar el resto de reactivos que
quedaron sobre la superficie del mineral; este proceso se lleva a cabo simplemente efectuando un
lavado con agua corriente en máquinas o tanques agitados; se decanta el líquido y se repite la
operación completa dos o tres veces. Finalmente se realiza un último lavado con agua destilada y se
coloca a secar el mineral.
Para el mineral que no es concentrado, simplemente se realiza la preparación de la zona de riego y
recuperación de licores y sólidos, esto se lleva a cabo dependiendo del método a emplear.
Es importante mencionar que el proceso de extracción de metales por métodos hidrometalúrgicos
requiere de una superficie de exposición del mineral lo suficientemente grande para que se lleve a
cabo el contacto entre el agente lixiviante (cualquiera que sea) y el mineral en estudio.
c).- Caracterización de sólidos y licores: Una vez que los minerales a biolixiviar han sido
preparados para tal proceso, es indispensable realizar una caracterización del mismo. Esta
caracterización puede ir desde la determinación de la química elemental mediante vía húmeda y por
36Rawlings DE. 2001. The molecular genetics of Thiobacillusferrooxidans and other mesophilic, acidophilic, chemolithotrophic, iron-
or sulfur-oxidizing bacteria. Hydrometallurgy 59 (2-3):187-201
37de Lira, G. Patricia. (2008). “Estudio del mecanismo de separación biológico y complejométrico de minerales de
sulfuros complejos”.Tesis doctoral.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
86
espectrofotometría de absorción atómica y ensaye por fuego para el oro y la plata. Asimismo, los
residuos sólidos y los licores del proceso de disolución. La observación megascópica y microscópica
también son importantes. La primera se puede realizar en un microscopio estereoscópico que puede
estar equipado con algún analizador de imágenes, y la segunda, puede emplearse algún microscopio
electrónico de barrido, quien puede estar equipado con un microanalizador de electrones de energía
dispersiva, e inclusive también puede ayudar la técnica de microscopía electrónica de transmisión.
También pueden realizarse estudios para determinar la distribución de tamaños de partícula
del mineral (o concentrado) original y de los residuos de la lixiviación, mismos que se efectúan
mediante la técnica de difracción de rayos láser, empleando un analizador de difracción de rayos
láser.
Para el caso de los licores, y tomando como referencia que el proceso de biolixiviación
requiere de la oxidación del azufre hasta la conversión a sulfatos, es importante realizar la medición
de estos, y puede para ello medirse mediante técnicas turbidimétricas o colorimétricas.
d).- Condiciones de cultivo: Un aspecto muy importante de la inoculación de cepas bacterianas a
nivel laboratorio, es la forma y contenido en que se manejen ciertas relaciones entre el mineral, la
cepa y los medios de cultivo, pero también parámetros importantes como pH, temperatura, velocidad
de agitación (en su caso) y tiempo de muestreo y cinéticas bacterianas, así como también definir el
tiempo total de biolixiviación.
La mayoría de los investigadores emplean como medio de cultivo el determinado por Silverman y
Lundgren en 195938 y al cual le llamaron 9K. Sin embargo, este puede variar dependiendo del tipo
de microorganismo empleado, ya que este es el principal nutriente de estos.
Una manera simple de realizar un cultivo bacteriano a nivel laboratorio es como sigue:
Definir el porcentaje de sólidos que se empleará, y una vez hecho esto, colocar la muestra a tratar
dentro de un matraz
Agregar el inóculo a emplear; este viene contenido en líquido compuesto de agua y la propia cepa a
usar, así como de los nutrientes.
Aforar cada matraz al volumen previamente establecido como parámetro operacional.
Homogeneizar las muestras mediante agitación suave y aquí mismo regular el pH al que se trabajará.
Tapar con algodón cada uno de los matraces previamente identificados, para permitir la entrada del
oxígeno del aire
E introducir ya sea en alguna incubadora con agitación, para lo cual se requiere de fijar la temperatura
de operación y la velocidad de agitación.
Hay que recordar que la biolixiviación se puede llevar a cabo de varias maneras así que, por ejemplo,
para el caso en el que se empleen tanques agitados, el control de la temperatura sería algo complicado,
de tal manera que antes de iniciar dichos experimentos es recomendable tener en cuenta todos estos
requisitos de operación.
38Silverman MP, Lundgren DG.1959. “Studies on the chemoautotrophic iron bacterium Ferrobacillusferrooxidans.I. An improved
medium and a harvesting procedure for securing high cell yields”.Journal of Bacteriology 77:642-647
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
87
Cuantificación de los microorganismos (NMP)
La cantidad de biomasa (o microorganismos) empleada en los experimentos en laboratorio e incluso
en aplicaciones industriales, es primordial. Este hecho afecta principalmente la velocidad de la
reacción, pero también genera la competencia por zonas preferenciales en las superficies minerales.
Es importante estimar la población de microorganismos adicionados por mililitro de inóculo, y la
forma más simple y rápida es mediante turbidimetría, sin embargo, una forma alterna es la que a
continuación se detalla.
La técnica del Número Más Probable se usa principalmente para la estimación de prácticamente
cualquier microorganismo contenido en muestras líquidas, siempre y cuando pueda observarse
fácilmente el crecimiento (ya sea que desarrolle turbidez y/o ocurra la precipitación de algún sólido).
Este método se basa en la consideración de que las bacterias se hallan homogéneamente distribuidas
en un medio líquido, lo cual implica que muestras repetidas del mismo tamaño de un mismo
producto, deben contener el mismo número promedio de microorganismos; sin embargo, algunas de
las muestras pueden contener un número mayor o menor al promedio. La cifra media es el número
más probable NMP (Most Probable Number o MPN)39.
El procedimiento experimental consiste en la inoculación de alícuotas de la muestra de licor en
estudio, en diluciones seriadas correspondientes a 1:9 (bacteria: medio de cultivo), en una serie de
tubos de ensaye. Los tubos pueden ser colocados en rejillas y deben ser identificados en la secuencia
de diluciones desde 100 hasta llegar a 10-15 (por mencionar algún número), siendo esta última la más
diluida. Posteriormente deberán ser introducidos en una incubadora y agitadora una temperatura de
acuerdo con la cepa empleada, así como también la velocidad de agitación de la incubadora. Es
imprescindible ajustar el pH inicial de cada tubo de ensaye al valor óptimo del crecimiento
bacteriano. Una vez que se observa el crecimiento bacteriano la solución se puede tornar de una
tonalidad amarilla hasta llegar al marrón, dependiendo nuevamente del microorganismo que está
siendo contado.
Figura 2.-Tubos de ensaye agitados en una incubadora-agitadora orbital. La cepa empleada en esta
experimentación es Af, y el conteo se realizó después de 18 días de cultivo.
39de Lira, G. Patricia. (2008). “Estudio del mecanismo de separación biológico y complejométrico de minerales de
sulfuros complejos”.Tesis doctoral.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
88
Para este caso en análisis, se presenta por la importancia que actualmente tiene la producción de
minerales de sulfuros de cobre, los cuales se encuentran en asociación o inclusión con los sulfuros
de hierro, hecho que propicia una importante ventaja en la aplicación de la cepa bacteriana aquí
tratada.
Los estudios de caracterización que puedan efectuarse en las correspondientes investigaciones,
contribuyen al mejor conocimiento y entendimiento de los mecanismos de biolixiviación, por
ejemplo, los cuales hasta la fecha siguen siendo un tema de debate y profundas discusiones en el
ámbito científico40.
CONCLUSIONES
La biotecnología en años recientes no sólo ha abierto una amplia gama de aplicaciones, sino que por
ejemplo, en el campo de la Metalurgia Extractiva, la biohidrometalurgia ha venido propiciando una
serie de oportunidades para procesar ya sean cuerpos mineralizados quienes en la actualidad
económicamente no es costeable su explotación y beneficio por los métodos tradicionales, o bien,
aquellos concentrados de baja ley, los cuales tal vez por la contaminación con elementos indeseables
como hierro y arsénico, no son factibles de ser beneficiados por métodos pirometalúrgicos o
hidrometalúrgicos, esto debido a los castigos severos e incluso a los rechazos que pudieran generar
dichas plantas de tratamiento.
La amplia gama de aplicaciones de tipo industrial que ha provisto la biohidrometalurgia, nos permite
dar una mirada a aquéllos procesos quienes por su propia naturaleza, generan un gran y nocivo
impacto ambiental.
Es importante mencionar que el desafío en este campo, se presenta a la hora de llevar a cabo el
escalamiento de los experimentos efectuados a nivel laboratorio. Hasta el momento, La República de
Chile es la pionera en el escalamiento y principalmente en los procesos biohidrometalúrgicos en
continuo a nivel planta piloto e incluso ya se sabe de casos en los que se está experimentando a nivel
industrial.
En México, el lento desarrollo de la tecnología y los pocos investigadores en esta área, no ha
permitido un gran avance, como se desearía. Sin embargo, cabe mencionar que hasta la fecha, se sabe
que en la empresa Minera de Cananea del Grupo México, fue una de las primeras en implementar el
sistema de lixiviación bacteriano para minerales de cobre de baja ley.
Es importante fomentar e incrementar al máximo posible los estudios en esta área, ya que de acuerdo
a la literatura, el futuro ambiental y por ende el económico de las empresas minero-metalúrgicas,
podría verse mejorado substancialmente con la ayuda de esta tecnología en avanzada.
40 de Lira, G. Patricia. (2008). “Estudio del mecanismo de separación biológico y complejométrico de minerales de
sulfuros complejos”. Tesis doctoral.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
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COMPUESTOS ACIDO POLILÁCTICO / GRAFITO EXPANDIDO.
EFECTO DE LAS VELOCIDAD DE PROCESAMIENTO EN SUS
PROPIEDADES TÉRMICAS Y MECÁNICAS.
Iván Alziri Estrada Moreno, Sergio Gabriel Flores Gallardo, Alejandro Vega Ríos, Erika
Ivonne López Martínez, Daniel Lardizábal Gutiérrez,
Mónica Elvira Mendoza Duarte*
Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.
Ave. Miguel de Cervantes #120, Complejo Industrial Chihuahua.
ABSTRACT
Este estudio está enfocado en investigar el efecto de la inclusión de grafito expandido (GE) en una
matriz de polímero de ácido poliláctico (PLA) en las propiedades térmicas, reológicas y mecánicas
del compuesto. Además, se variará la velocidad de procesamiento con el fin de impartir diferentes
grados de esfuerzo a la matriz. Se elaboraron cuatro formulaciones diferentes con concentraciones
de 0%, 3%, 6% y 9% en peso de GE. La temperatura de mezclado fue de 190°C a velocidades de 5
y 40 rpm. Las propiedades térmicas de los compuestos fueron evaluadas mediante análisis
termogravimétrico (TGA), análisis dinámico mecánico (DMA) y calorimetría diferencial de barrido
(DSC). Se observó que la temperatura de degradación así el grado de cristalinidad y el módulo
elástico de los compuestos se incrementan conforme aumenta la cantidad de grafito en la matriz.
Keywords: PLA, grafito expandido, propiedades térmicas.
INTRODUCCIÓN
Los polímeros biodegradables son actualmente materiales de considerable interés debido a sus
ventajas tales como ser amigables con la naturaleza y que su origen proviene de recursos renovables.
Entre los polímeros biodegradables el ácido poliláctico es una de las opciones más populares y se
encuentra disponible a gran escala (Pongtanayut, Chanchai, & Santawitee, 2013). El PLA es un
termoplástico biodegradable el cual tiene aplicaciones muy restringidas debido a su fragilidad y
pobre capacidad de cristalización. El mezclar PLA con partículas de tamaño nanométrico puede
generar una mejoría e incremento en propiedades térmicas y mecánicas (J. Woo, 2000) (Mclauchlin
& Thomas, 2009) (Kumar, Mohanty, Nayak, & Rahail Parvaiz, 2010). Por lo tanto el PLA es un
buen cantidato para reemplazar polímeros que actualmente son ampliamente utilizados, los
denominados “commodity”, tales como el Polietileno, Polipropileno, Poliestireno y el
Polietilentereftalato (Wang , y otros, 2014). Sin embargo, para incorporar los rellenos es necesario
que se lleve a cabo dicha incorporación en estado fundido y el PLA es un polímero muy vulnerable
y susceptible a degradación cuando es procesado a altas temperaturas especialmente por arriba de
180°C. Por lo cual, se ha estudiado los efectos de la incorporación de partículas nanométricas para
tratar de reforzar este material y ampliar sus posibilidades de procesamiento y de nuevas aplicaciones
al lograr mejoras en sus propiedades mecánicas. (Fukusihima, Murariu, Camino, & Dubois, 2010).
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
90
Varios tipos de rellenos han sido considerados como agentes reforzantes de matrices de PLA con el
fin de mejorar sus propiedades termomecánicas (Milani, y otros, 2013), (Ray, 2013) así como
mejorar sus propiedades de resistencia a la flama (Fukusihima, Murariu, Camino, & Dubois, 2010).
Entre los materiales de relleno que ofrecen características de resistencia a la flama se encuentra el
grafito (Milani, y otros, 2013). El grafito policristalino es un material que consiste en una estructura
laminar plana (denominada grafeno), la cual posee excelentes propiedades de conductividad térmica
y eléctrica dentro de este plano basal grafítico. La exfoliación de esas láminas de grafeno y su
adecuada dispersión dentro de una matriz polimérica ofrece el potencial para mejorar sus propiedades
termomecánicas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
Para la elaboración de los compuestos se empleó ácido poliláctico Poly(L,L-lactide) (PLA2002D),
denominado de aquí en delante como PLA semicristalino fabricado por NatureWorks LLC como
matriz polimérica. Como relleno se utilizó grafito expandido (GE) Grafoil TG-679 elaborado por
Graftech International (área superficial = 21.8 m2/g, diámetro ≤ 55 m).
Formulación y preparación de compuestos
Se formularon cuatro compuestos PLA/GE a 0, 3, 6 y 9% en peso de GE en una cámara de mezclado
interno marca Brabender. El tiempo de mezclado fue de 15 minutos a una temperatura de 190°C y
dos diferentes velocidades, 5 y 40 rpm. Para el mezclado se utilizaron álabes tipo Roller (diseñados
principalmente para mezcla de materiales termoplásticos) los cuales imparten altos esfuerzos de
corte sobre la muestra, creando un mezclado intensivo entre los álabes y contra las paredes de la
cámara de mezclado. La identificación de los compuestos se determinó de la siguiente manera: %
carga de grafito – temperatura de procesamiento – velocidad de procesamiento. Por lo que por
ejemplo la formulación identificada como 0-190-5 se refiere al compuesto con 0% de grafito,
procesado a una temperatura de 190°C y a una velocidad de 5 rpm.
Elaboración de probetas por moldeo por compresión
Una vez obtenidas las formulaciones, se procedió a triturarlas en un molino de seis cuchillas marca
FRITCH Pulverissete. Posteriormente el material se colocó en un molde para su moldeo por
compresión en una prensa de platos calientes marca Carver INC. a una temperatura de 200°C durante
5 min.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
91
CARACTERIZACIÓN
Análisis Termogravimétrico (TGA)
La estabilidad térmica las muestras fue analizada bajo el intervalo de temperatura ambiente hasta
600ºC. Se utilizó un TGA modelo Q600 de TA Instruments aplicando una rampa de calentamiento
de 10°C/min.
Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
Las mediciones de calorimetría diferencial de barrido se llevaron a cabo en un equipo DSC modulado
modelo 2920 marca TA Instruments bajo atmósfera estática. Las muestras fueron calentadas a una
rampa de temperatura de 10°C min-1 desde 30 hasta 200°C. Para investigar las principales
transiciones de los compuestos: temperatura de transición vítrea (Tg), Temperatura de fusión (Tm), y
entalpía de cristalización en frío (ΔHc) así como el grado de cristalinidad (Xc) se consideró el
segundo ciclo de calentamiento. El grado de cristalinidad (Xc) se determinó por medio de la Ecuación
1 :
𝑋𝑐(%) =∆𝐻𝑐
∆𝐻100%𝑐× 100
(1)
Donde: ∆𝐻100%𝑐, es la entalpía de fusión del PLA 100% cristalino considerada con un valor
de 93 J/g (Fisher, Sterzel , & Wegner, 1973).
Análisis Dinámico Mecánico (DMA)
El análisis dinámico mecánico de todas las muestras se realizó mediante un DMA modelo RSAIII
de la marca TA Instruments. Para cada muestra se realizó una prueba de barrido de deformación para
determinar su valor de módulo de almacenamiento (E’). La prueba se realizó a 25°C y 1 Hz de
frecuencia empleando la geometría de flexión en tres puntos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis termogravimétrico.
La estabilidad térmica es muy importante en los materiales poliméricos debido a que frecuentemente
es un factor limitante tanto para el procesamiento como para la aplicación de los mismos. En la
Figura 1 y Figura 2 se comparan los termogramas de los compuestos obtenidos a 5 y 40 rpm
respectivamente. La temperatura para un 5% de pérdida en peso, se consideró como el inicio de la
degradación térmica del material (T5%). Se observa que en los compuestos PLA/GE procesados a 5
rpm (Figura 1), conforme se incrementa la cantidad de GE en la matriz, experimentan una mejoría
en lo que a estabilidad térmica se refiere con valores de T5% que van desde 310.96°C para el PLA
puro (0-190-5) hasta el valor de 324.22°C para el compuesto con 9% en peso de GE (9-190-5) lo
cual representa un incremento de 13.26 °C. Los incrementos en la temperatura de descomposición
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
92
de los compuestos son atribuidos a la existencia de una fuerte interacción entre la matriz polimérica
y las partículas de grafito en la interfase (Xiao, Sun, Liu , & Gong, 2002).
Figura 1 Análisis Termogravimétrico comparativo de las muestras procesadas a 5 rpm
Con respecto a los compuestos procesados a una velocidad de 40 rpm (Figura 2) se observa que el
polímero experimenta mayor degradación que cuando es procesado a 5 rpm, debido a la alta
velocidad, esto se refleja directamente en una menor T5% (303.37°C) y a diferencia de los
compuestos procesados a 5rpm aquí no se observa un incremento de manera gradual de la
temperatura de descoposición conforme se incrementa la cantidad de GE en el compuesto,
lográndose una temperatura máxima de descomposición de 323.28 °C, es decir un incremento de
19.91°C. Es importante recalcar que debido a que las cadenas poliméricas se encuentran degradadas
a causa del procesamiento, este incremento en T5% representa una mejora significativa en la
estabilidad térmica del compuesto.
0
20
40
60
80
100
120
We
igh
t (%
)
0 200 400 600 800 1000
Temperature (°C)
0-190-5––––––– 3-190-5– – – – 6-190-5––––– · 9-190-5––– – –
Universal V4.7A TA Instruments
324.22°C
310.96°C
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
93
Figura 2 Análisis Termogravimétrico comparativo de las muestras procesadas a 40 rpm
La Tabla 1 resume las temperaturas de descomposición (T5%), así como el contenido real de grafito
en los compuestos a una temperatura de referencia de 600 °C, temperatura en la cual el PLA es
completamente degradado y el grafito se encuentra estable.
Tabla 1 Temperaturas de decomposición y contenido real de grafito en los compuestos PLA/GE
Muestra T5% (°C) Contenido
real de
grafito (%)
0-190-5 310.3 0.15
3-190-5 317.4 3.07
6-190-5 317.4 6.01
9-190-5 324.5 8.82
0-190-40 303.3 0.32
3-190-40 321.3 2.97
6-190-40 322.1 5.67
9-190-40 323.2 8.12
Calorimetría diferencial de barrido
0
20
40
60
80
100
120
We
igh
t (%
)
0 200 400 600 800 1000
Temperature (°C)
0-190-40––––––– 3-190-40– – – – 6-190-40––––– · 9-190-40––– – –
Universal V4.7A TA Instruments
323.28°C
303.37°C
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94
Las curvas correspondientes al segundo ciclo de calentamiento del PLA y sus compuestos
procesados a 5 y 40 rpm se reportan en la Figura 3 y Figura 4, respectivamente. Adicionalmente se
muestran sus correspondientes parámetros termodinámicos, tales como temperatura de transición y
de fusión (Tg y Tm), entalpía de cristalización en frío (Hc) y grado de cristalinidad (Xc) se listan en
la Tabla 2.
Al observar los termogramas comparativos de los compuestos, Figura 3 y Figura 4, se tiene que
aquellos que contienen GE muestran una marcada señal endotérmica de fusión y adicionalmente una
señal exotérmica de cristalización en frío, a diferencia del PLA por si solo el cual solo registra una
ligera señal de fusión. Además, se observa que conforme se incrementa la cantidad de GE en los
compuestos, la temperatura de cristalización disminuye, mientras que el grado de cristalinidad se
incrementa (Tabla 2). Este hecho, parece indicar que la adicion de partículas de GE a la matriz de
PLA realza tanto la cinética de cristalización así como su capacidad de cristalización (Harris & Lee,
2006). Este efecto es más marcado en las muestras procesadas a 5 rpm, donde la muestra 9-190-5
(9% GE) reporta un grado de cristalinidad de 32.11%, mientras que el compuesto procesado a 40
rpm 9-190-40, reporta un valor de cristalinidad de 25.34%. Lo anterior puede deberse a que el PLA
experimenta una mayor degradación al ser procesado a una alta velocidad (40 rpm) y por lo tanto sus
cadenas poliméricas disminuyen en tamaño propiciando que la formación de cristales se dé a menores
temperaturas y que el tamaño de cristal formado sea menor lo cual se ve reflejado en una menor
entalpía de cristalización.
Figura 3 Termograma de DSC comparativo de muestras procesadas a 5 rpm
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
He
at
Flo
w (
W/g
)
-50 0 50 100 150 200
Temperature (°C)
0-190-5––––––– 3-190-5– – – – 6-190-5––––– · 9-190-5––– – –
Exo Up Universal V4.7A TA Instruments
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95
Figura 4 Termograma de DSC comparativo de muestras procesadas a 40 rpm
Tabla 2 Temperatura de transición (Tg), Temperatura de fusión (Tm), Entalpía de fusión (Hm) y grado de
cristalinidad (Xc) del PLA y sus compuestos.
Muestra Tg (°C) Tm (°C) c (J g-1) Xc (%)
0-190-5 59.8 154.9 - -
3-190-5 60.5 153.1 6.19 6.6
6-190-5 59.7 151.6 21.33 25.31
9-190-5 59.7 151.1 29.87 32.11
0-190-40 61.1 154.2 - -
3-190-40 60.2 154.1 0.43 0.47
6-190-40 60.0 151.9 21.76 23.39
9-190-40 59.2 150.4 23.57 25.34
Análisis Dinámico Mecánico
La Figura 5 muestra una comparación del modulo elástico (E’) de los compuestos PVA/GE
procesados a 5 y 40 rpm. En esta gráfica puede apreciarse como el módulo es afectado por la
velocidad a la que fueron procesados los compuestos, así como la cantidad de GE presente en los
mismos. Al observar el compuesto de PLA sin grafito se observa que el módulo se ve aumentado al
procesarlo a una velocidad de 40 rpm, esto es una consecuencia de la degradación que experimenta
el polímero a esta velocidad, tal y como se observó en los resultados de TGA y DSC. Cuando la
cantidad de grafito se incrementa el módulo tiende a aumentar en ambas series de compuestos. Si
observamos el compuesto con 9% en peso de GE se tiene que al procesarlo a una velocidad de 5 rpm
el módulo se ve incrementado en un 297%, mientras que si se procesa a 40 rpm el incremento es de
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Hea
t F
low
(W
/g)
-50 0 50 100 150 200
Temperature (°C)
0-190-40––––––– 3-190-40– – – – 6-190-40––––– · 9-190-40––– – –
Exo Up Universal V4.7A TA Instruments
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96
tan solo 108%. Lo anterior nos indica que si la matriz polimérica se encuentra degradada en mayor
proporción, la formación de cristales se ve más limitada y por lo tanto también se verá afectada
negativamente la propiedad mecánica. En la se reportan los valores de Módulo Elástico (E’)
obtenidos a 25°C así como el incremento en relación a la matriz de PLA solo.
Figura 5. Módulo Elástico obtenido a 25°C de los compuestos PLA/GE procesados a velocidades de 5 y 40 rpm
Tabla 3 Módulo Elástico (E') a 25°C e incremntos en relación a la matriz polimérica conforme aumenta la
cantidad de GE en el compuesto
Muestra E’25°C
(MPa)
%
incremento
en E’
0-190-5 564 -
3-190-5 1640 190
6-190-5 2240 297
9-190-5 2240 297
0-190-40 1360 -
3-190-40 1643 20
6-190-40 2290 68
9-190-40 2830 108
CONCLUSIONES
La estabilidad térmica, microestructura y propiedades mecánicas de una matriz de ácido
poliláctico (PLA) pueden ser controladas mediante la inclusión de diferentes porcentajes de grafito
0 3 6 9
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
E' 2
5°C
(MP
a)
Contenido de Grafito Expandido (%)
5 rpm
40 rpm
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
97
expandido (GE) y la modificación de la velocidad de procesamiento de los mismos en una cámara
de mezclado.
El procesar los compuestos a altas velocidades (40rpm) genera una mayor degradación que
cuando es procesado a velocidades menores (5rpm), sin embargo esta degradación es susceptible de
contrarrestarse al adicionar partículas de GE a la matriz.
Tanto la cinética de cristalización como el grado de cristalinidad se vieron significativamente
alterados al incrementar la concentración de GE en la matriz de PLA.
Además se encontró que el al procesar los compuestos a una velocidad de 5 rpm el porcentaje de
cristalinidad en los compuestos se incrementa en mayor proporción que en aquellos procesados a 40
rpm lo cual puede ser atribuído sin duda a la disminución de tamaño de las cadenas de PLA debida
la degradación por alta velocidad de proceso, tal y como lo confirman los resultados de TGA.
Se observó una mejora significativa del módulo elástico (E’) en los compuestos de PLA en
relación a la matriz sola, lo cual está asociado a una relación tamaño de cadena/interacción de
partícula de grafito la cual es mayor en los compuestos procesados a 5 rpm.
Agradecimientos
Los autores agradecen profundamente al M.C. José Manuel Mendoza Duarte, por su amable
colaboración en el desarrollo de esta investigación.
BIBLIOGRAFÍA
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Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
99
Effect of SBS copolymer chain architecture on miscibility and mechanical
properties of Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) / High Impact
Polystyrene / Styrene-Butadiene-Styrene Blends.
Erika I. López-Martínez1*,Juan Alberto Arteaga-Bustillos
2, Alejandro Vega-Ríos
1, Mónica E.
Mendoza-Duarte1, Claudia A. Hernández-Escobar
1, de Lira G, Patricia
3, Sergio G. Flores-
Gallardo1*
1Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C., Miguel de Cervantes 120, C.P. 31136, Chihuahua, Chih.
México
2Egresado de la Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Chihuahua
3Unidad Académica de Ciencias de la Tierra, Universidad Autónoma de Zacatecas.
[email protected], [email protected]*
Abstract
Blends of poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) (PPE), high impact polystyrene (HIPS) and
two (one radial and one linear) styrene-butadiene-styrene (SBS) triblock copolymers have been
compounding using a twin screw extruder. The miscibility, thermo-mechanical and mechanical
behavior of PPE/HIPS/SBS blends was investigated by means of dynamic mechanical analysis
(DMA), Izod impact and tensile measurements to determine the effect of the copolymer chain
architecture in the blends.
Keywords: poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) (PPE); high impact polystyrene (HIPS);
styrene-butadiene-styrene (SBS) triblock copolymers; blends; twin screw extruder.
1. Introduction
The field of polymer blends has seen vast growth in both its scientific basis and its technological
and commercial development. The aim of polymer blends, i.e. mixtures of two or more
polymers, is to obtain materials which, as far as possible, combine the advantages, but not their
disadvantages. Blending is a convenient and practical technique for developing materials whose
properties may be novel or selectively enhanced, and possibly superior to those of the components
[1-5]. The following material-related benefits can be cited: (i) Providing materials with full set of
desired properties at the lowest price, (ii) extending the engineering resins’ performance, (iii)
improving specific properties, viz. impact strength or solvent resistance, (iv) providing the means
for industrial and/or municipal plastics waste recycling. Blending also benefits the manufacturer
by offering: (i) Improved processability, product uniformity and scrap reduction. (ii) Quick
formulation changes. (iii) Plant flexibility and high productivity. (iv) Reduction of the number of
grades that need to be manufactured and stored. (v) Inherent recyclability, etc [6-10].
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
100
In order to achieve desired mechanical properties poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), more
commonly referred to as polyphenylene ether (PPE) has been blended with various materials.
PPE is an excellent engineering plastic and a very attractive material because it displays a very high
chemical resistance, high strength, stiffness, fracture toughness and high glass-transition
temperature (Tg) at about 215°C, good heat resistance and a long-term use temperature of 150°C.
But the disadvantage of high price, brittleness, high notch sensitivity and difficulty in processing,
since the processing temperature have to be at least 60°C above Tg, what limits its industrial use in
a wider range of applications [6, 11-14]. Since PPE and polystyrene (PS) are completely miscible at
all molecular weights and concentration ranges, PS or its derivatives, such as high- impact PS (HIPS,
or polybutadiene- grafted polystyrene resin), have been used to improve the processability and
toughness of pure PPE [6, 14-18].
Moreover, the combination of block copolymers with thermoplastic polymers represents an
important group of blends. Block copolymers (BCPs) constitute a special class of heterogeneous
polymers in which two or more homopolymer chains (blocks) exist in a single molecule. Block
copolymers with two different types of incompatible monomers can be organized in a variety of
molecular architectures like diblock, triblock, multi-block, star block or graft block, which result in
different morphologies and mechanical properties [19-21]. In this field, polystyrene-b-
polybutadiene-b-polystyrene (SBS) block copolymers and their hydrogenated and functionalized
derivatives play an important role, since is a microphase-separated polymer that has gained
widespread use as a thermoplastic elastomer. This behavior is a consequence of the thermodynamic
incompatibility of polystyrene and polydiene (polybutadiene or polyisoprene), resulting in a two-
phase structure of glassy polystyrene microdomains dispersed in a rubbery polydiene matrix [40].
SBS has better impact strength and thermal stability than other types of rubbers; it has high
processing temperature and due to its lower cost is most commonly used with thermoplastics
[3]. Recent articles report improvements in mechanical properties by addition of SBS to grafted
polymer (HIPS), to blends of PPE, polyethylene (PE) and polystyrene (PS), and to blends of
polypropylene (PP) and PS, and even to homopolymers PP and PE [1-
3,12-14].
Polymer blends and composites are commonly prepared by mechanical mixing of their components
in the molten state. Large-scale production melt blending requires the use of either an internal
(batch) mixer (e.g. Banbury mixer; Brabender mixer) or a continuous mixer (e.g. twin-screw
extruder) [22-24]. The performance of the materials produced is determined, amongst others, by the
final blend morphology and dispersion. In fact, it is well known that by using different mixers,
and/or by varying the mixing parameters, it becomes possible to control phase morphology and, in
this way, to improve the blend performance. The morphology depends on composition, molecular
architectures, rheological and physical characteristics of the components, relative compatibility, and
the nature and intensity of the method and processing conditions (mixing, time, temperature) [6,8-
12].
Thus, the aim of this work is to investigate the miscibility, thermo-mechanical and mechanical
behavior of PPE/HIPS/SBS blends and relate it to the chain architecture (star and linear) of SBS
block copolymer.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
101
2. Experimental
2.1. Materials The polymers used in this study were all commercial products. Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether)
(PPE), Vestoran 1900, was provide by Evonik Degussa; high-impact polystyrene (HIPS), Resirene 2210, was
supplied by KUO; styrene-butadiene-styrene linear triblock and radial block copolymers were obtained from
Dynasol. Solprene 411(S-411) is a radial block copolymer with 30 wt% of styrene content. Solprene 4301(S-
4301) is a linear triblock copolymer with 33 wt% of styrene content. 2.2. Differential scanning calorimetry (DSC) Aluminum sample pans were filled (10-20mg) with each of pristine materials and sealed for testing by a TA Instruments DSC Autosampler. Heating from -130 to 300°C scans were measured at rate of 10°C/min at static atmosphere. Glass transition temperatures (Tgs) were taken as the mean value between the onset and end
point temperatures.
2.3. Blends preparation
Blends were prepared by using a Rondol Microlab twin screw extruder with a rotation speed of 100 rpm and
the following zone temperatures profile: 230/250/260/270/280 °C. All the materials (PPE, HIPS and SBS)
were introduced at the same time. Samples of these materials were obtained by 3-die extrusion. Filaments
(about 2 mm diameter) were cooled to room temperature and cut to 2 X 2 mm granulate. Different
PPE/HIPS/SBS blend ratios were compounding and a PPE/HIPS blend was elaborated as a reference.
Summary of blends composition is shown in Table 1. Table 1. PPE, HIPS and SBS blends obtained
Sample PPE (wt%) HIPS(wt%) SBS (wt%)
PPE/HIPS 77.77 22.22 -
PPE/HIPS/S411-12% 68.44 19.55 12
PPE/HIPS/S411-6% 73.11 20.88 6
PPE/HIPS/S4301-12% 68.44 19.55 12
PPE/HIPS/S4301-6% 73.11 20.88 6
2.4. Test specimen preparation
The specimens for mechanical (Tension and Izod) and thermo-mechanical (DMA) measurements were
obtained by injection molding on a AB Machinery model AB-100-4, at 130 psi of pressure and with a
melt temperature of 330°C, for the tension specimens, and 310°C, for the Izod and DMA specimens.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
102
2.5.Dynamic mechanical analysis (DMA) DMA experiments were performed on a TA Instruments RSA3 in the temperature sweep mode at a
frequency of 1 Hz, at a heating rate of 5°C/min in the dual-cantiliver bending mode. The glass
transition reported was taken as the point where the viscous modulus (E'') was maximum and
modulus values discussed later are those of the storage modulus (E ') at 25°C.
2.6. Izod impact and Tensile measurements
Tensile properties were measured according to ASTM D638 using a Shimadzu Universal Testing
Machine model AGS-X STD. The load cell was 1000 N and the cross head speed was 10 mm/min.
Notched Izod impact strength was measured according to ASTM D256 using a Physical Test
Solutions machine model XJF Multi Impact. The capacity and velocity of the pendulum was 5.5 J
and 3.5m/s, respectively. For each blend and analysis (Tensile and Izod), five specimens were
tested at 23°C and the average values are reported.
3. Results and Discussion
Table 2 shows the glass transition temperatures of the pristine materials obtained by DSC and
were taken as the mean value between the onset and end point temperatures. The glass transition of
PPE was 216.92°C. HIPS showed two Tg, at -70.72°C due to the soft phase PB, and at
89.93°C due to the hard phase PS. In SBS block copolymers, S-411 and s-4301, three phases
coexists and they can be identified by a Tg; polybutadiene (PB) segments exists both in a pure
PB phase (Tg1) and a mixed PB-PS phase rich in PB (Tg2), whereas polystyrene (PS) segments
are only present in a mixed PB-PS phase rich in PS (Tg3) [25].
Table 2. Glass Transition temperatures of the pristine materials
Material Tg1 (°C) Tg2 (°C) Tg3 (°C)
PPE - - 216.92
HIPS -70.72 - 89.93
S-411 -89.25 -42.66 79.01
S-4301 -89.58 -39.24 73.30
The measurement of the glass transition temperature is the most widely used criterion to determine the phase behavior of polymer blends. A shift in the glass transition temperature of the components of an heterogeneous polymer system with respect to the Tg's of the pure polymers is normally taken
as a degree of miscibility [1]. The Tg's and storage modulus of the blends were obtained by DMA
and are given in Table 3. The glass transition temperature reported was taken as the point where the viscous modulus (E'') output was maximum.
Two transitions are present in the analyzed blends. The first Tg, at sub-ambient
temperatures corresponds to the glass transition of the soft PB phase (TgSP). TgSP changed upon
mixing to higher temperatures respect to the Tg of PB phase of the pure copolymers (Tg1),
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
103
suggesting an interaction between the PS blocks from HIPS and the PB and PS segments from SBS, forming a mixed PB-PS phase rich in PB [3, 25]. The TgSP of blends with S411 (radial chain
architecture) is lower than the TgSP of blends with S4301 (linear chain architecture). Therefore, It
can be deduced that PS blocks from radial SBS interact in lesser extent with the PS and PB domains from HIPS. The second Tg is correlated to the glass transition of the rigid PPE- PS phase (TgRP). A
single rigid-phase glass transition is indicative of essentially complete mixing of the PPE with the PS phase of the HIPS and SBS copolymers. The presence of PS blocks of the HIPS and SBS in the PPE phase leads a strong reduction of the glass transition of the PPE confirming that are partially miscible with the PPE [17, 26].
The storage modulus (E') measured at 25 °C (Table 3) decreases slightly with the content of SBS
in the blend, as it was expected since a reduction in the stiffness upon incorporation of a soft block
to a hard phase has been reported extensively [15-19].
Table 3.Glass Transition temperatures and Elastic Modulus by DMA of blends prepared
Sample TgSP(°C) TgRP(°C) E' a(Pa)
PPE/HIPS -68.32 154.18 1.746x109
PPE/HIPS/S411-12% -65.57 146.10 1.476x109
PPE/HIPS/S411-6% -68.43 147.69 1.726x109
PPE/HIPS/S4301-12% -63.30 146.15 1.534x109
PPE/HIPS/S4301-6% -61.75 146.05 1.567x109 a measured at 25 °C
Izod impact and Young's modulus test results are shown in Table 4. In general independent of the
copolymer chain architecture, when increasing the SBS content the impact resistance is improved
because of the toughening effect of elastomers that acts as in-situ reinforcing agent. The rubber
particles generally initiate a deformation mechanism (crazing, shear failure), allowing high
energy dissipation [27, 28]. Besides, Young's modulus decreased as the amount of SBS block
copolymer increased in the blends, which was anticipated since block copolymers have
substantially lower modulus than the pure PPE and HIPS [17]. Blends compounding with radial
block copolymer S411 exhibit better mechanical properties than their analogues compounding with
linear triblock copolymer S4301. The impact resistance and Young's modulus obtained when S411
(radial chain architecture) copolymer is employed in the blends are higher than that prepared with
S4301 (linear chain architecture) copolymer. The effect can be explained by the presence of larger
number of physical cross-linking sites in the radial copolymer chains than in the linear triblocks
[21].
Table 4. Average Izod impact resistance and Young's modulus of blends prepared
Sample
Impact Resistance
(kJ/m2)
Sample
Young's
modulus
(Kgf/mm2)
PPE/HIPS 28.754 PPE/HIPS 194.02
PPE/HIPS/S411-12% 44.024 PPE/HIPS/S411-12% 162.69
PPE/HIPS/S411-6% 40.296 PPE/HIPS/S411-6% 171.56
PPE/HIPS/S4301-12% 40.112 PPE/HIPS/S4301-12% 160.65
PPE/HIPS/S4301-6% 35.494 PPE/HIPS/S4301-6% 167.38
Memorias Congreso Internacional de Investigación Cientifica Multidisciplinaria
104
4. Conclusions
Blends prepared with radial block copolymer S411 presented higher values on mechanical and
dynamic mechanical properties than those prepared with linear triblock copolymer S4301. Higher
values can be related with a larger number of physical cross-linking sites in the radial copolymer
chains than in the linear triblock copolymer which improves the mechanical behavior of the blends.
Acknowledgement
This research was financially supported by CONACYT. Authors would like to thanks to
M.C. Daniel Lardizábal for technical support on DSC analysis.
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Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
106
Classification and forecasting for Inventory Management of Spare Parts
41Pacheco, I. and 42Barba, R.
Although there is a large number of papers on the inventory management of spare parts, the new
methods or techniques are not well known, taught or applied in school or in the industry. We
studied,, reviewed the literature and applied the proposed technique in a practical industrial case.
The application of a general framework to the inventory management could be very useful in
practice. This include the data cleaning, classification of spare parts, consumption forecasting and
determination of the stock policy. By using more appropriate methods at each stage, we can expect
an improvement in our performance measures.
Introduction
The spare part management is an essential task to many companies, especially to companies
in the aerospace and automotive industries. Spare parts are kept in stock to support
maintenance operations and to protect against equipment failures. The unavailability of the
parts could turn out to be very costly, so these companies tend to stock a lot of these items
for maintenance and replacement in case of a sudden failure.
Since there are thousands of spare parts in stock, it is very difficult to manage and control
each part individually. It is necessary to use proper software and develop procedure to
automatize the control of the inventory. Furthermore, the demand or consumption of these
spare parts is highly erratic and irregular, so it can be hard to forecast the monthly or annual
consumption and establish the optimal levels of the inventory.
Most of the spare parts in the inventory have a slowly and intermittent demand. It is possible
to have more than 70% of the items moving very slowly, sometimes one item per year. Also
many of these spare parts are very specific for a machine and process that they are hard to
find in a storehouse and the lead time can be quite high, maybe months.
An industrial case study
We present some plots and tables that correspond to a company that is related to the automobile
sector. This company is a world leader in its area, has more than 2,000 employees and has
also various plants in different countries. Actually, it is undergoing a process of expansion in
Mexico and its inventory has been growing significantly. This company is very concerned
with high level of slow moving inventory and the excess inventory. Figure 1 shows how the
41 Dr. Iván Pacheco Soto, ITESM Campus Zacatecas, Av. Pedro Coronel #16, CP 98610, [email protected] 42 Ing. Ricardo Gabriel Barba Esqueda, ITESM Campus Zacatecas, Av. Pedro Coronel #16, CP 98610,
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
107
value of the inventory has been growing since July 2014. It is clear that the value has been
growing steadily since November 2014. Not only the size or level of the inventory has been
growing during the last year, but also the number of items or new records. Lately many parts
have completed their life cycle and there weren’t any in stock, so their number has grown
steadily.
Figure 1. Daily inventory value from July 2014 to September 2015.
The main objective is to reduce the total value of the inventory to optimal levels. In this
particular case, it was necessary to analyze in more detail the process and identify the possible
causes that increment the level and value of the inventory. Then it was decided that first we
should improve the accuracy of the inventory. Figure 2 shows a Ishikawa diagram that
identify and classify all these possibilities.
Figure 2. Ishikawa diagram for the accuracy of the inventory.
We identified many areas of opportunity, but it was clear to improve the design of the
database. The company managed all the information in spreadsheets, but the information was
not in a format that allowed a proper visualization and tracking of the information. An
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
108
improvement of this database would impact the accuracy of the inventory, the visualization
of critical information, an improvement in the tracking of the purchasing orders and an
estimation of the consumption and a better management of the inventory.
Methodology
We follow the steps shown in Figure 3 to improve the management of the inventory.
Cavalieri, Garetti, Macchi and Pinto (2008) recommend a similar framework to manage
maintenance of spare parts. Also Bacchetti and Saccani (2012) discuss a similar framework
to close the gap between research and practice on spare parts management.
Figure 3. Flow chart diagram of the optimization study.
Data cleaning
Data cleaning is a fundamental part in any study. Since it is rare that the information provided
by the customer is a technically correct or consistent, we always need to review and correct,
if needy, the information that is provided by the customer.
Originally, the information of the spare parts was spread out in 64 spreadsheets. This make
difficult to localize some parts, but it was a cause for duplicates in the database. It was hard
to calculate basic statistics. For example, the exact number of parts was not known.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
109
Figure 4. Original spreadsheet format.
Figure 4 shows how the information was kept in the spreadsheet (only part of the information
is shown). On the right side of the plot, we can see the input (green) and output (yellow) of
the items during the month of September. We can know that this information is kept in a very
sparse matrix that consume a lot of space and make highly inefficient to track the movement
of the spare parts. To solve this situation, it was necessary to write program or functions in
R language to read all the spreadsheets and construct proper databases.
According to Wickham (2014) a proper data frame should satisfy:
Each variable forms a column.
Each observation form a row.
Each type of observational unit forms a table.
All the information from the 64 spreadsheet was condensed in two data frames.
Classification of spare parts
Spare parts in a manufacturing process are highly varied, with different costs, service
requirements and demand patterns. A classification of spare parts, therefore, is helpful to
determine service requirements for different spare part classes, and for forecasting and stock
control decisions.
We use a multi-criteria classification method to improve the control and management of spare
parts. The following criteria were applied:
ABC/D
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
110
VED
Demand variability
The ABC is a classification method that uses the value of the spare parts. This method were
used to implement the cycle counting of the inventory to measure its accuracy. To classify
the items we follow the steps:
Calculate annual usage for each spare part.
Rank spare parts from highest to lowest based on the annual usage.
Assign "A" to the items that account for the 80% of total usage; "B" to the next 15% ; "C" to
the next 5% and assign "D" to the items that didn’t report any usage.
The VED classification method is qualitative and it might be hard to classify thousands of
items, but it can be accomplish. The parts are classified as follows:
Vital: Unavailability of such part would cause an immediate and unacceptable penalty. This
item is required to keep the process up.
Essential: Unavailability of this part would induce a significant production deferment or
significant financial penalty. The purchase of spare parts for essential equipment is justified
by calculated penalty cost.
Desirable: Unavailability of this part can be allowed temporarily without having a serious
effect on operation.
Consumption forecasting
To manage properly the inventory level, it is critical to forecast properly the demand of the
spare parts. Therefore we also classify spare parts by the behavior of its demand. The selected
classification is:
No moving: There is very low demand of the item, less than five requests per year.
Smooth: which occurs randomly with few time periods with no demand and with modest
variation in the demand size.
Intermittent: which appears randomly with many periods having no demand.
Erratic: which is highly variable in demand size.
Lumpy: which likewise seems random with many periods having no demand and, in addition,
demand, when it occurs, is highly variable.
We classify the demand of the spare parts by using the classification proposed by Syntetos
and Boylan (2005). The intermittent behavior of the demand is captured with the average
inter demand interval (ADI) that corresponds to the average number of days between
consumption. The erratic and irregular behavior of the demand size is captured with the
coefficient of variation (CV) that corresponds to the ratio between the standard deviation of
the consumption size and its mean (only days with positive consumption are included). Then
the demand was classified as follows:
Smooth: ADI ≤28 and CV ≤0.8;
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
111
Intermittent: ADI >28 and CV ≤0.8;
Erratic: ADI ≤28 and CV >0.8;
Lumpy: ADI >28 and CV >0.8;
Figure 5. Demand classification of spare parts.
Figure 6 shows an example of an erratic behavior, where the interval between consumption
are not very wide but there some days where the consumption was much larger than the rest.
Figure 6. Example of an erratic consumption.
Once the type of demand has been identified and classified a proper method could be used to
forecast the demand during the lead time to determine the optimal level in stock. Some of
forecasting methods that we considered were the classical simple exponential smoothing, the
Croston’s method, Syntetos and Boylan’s method and Willemain and Smart’s method.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
112
The Simple Exponential Smoothing (SES) method is a very popular and simple smoothing
method use in time series. The formula is given by
𝑆𝑡 = 𝑋𝑡 + (1 − 𝛼)𝑆𝑡−1,
where 𝛼 is the smoothing parameter, 𝑋𝑡 is the observed value of both zero and nonzero
demand and 𝑆𝑡 is the smoothed average as well as the forecast for next period. SES applies
an unequal set of weights that decrease exponentially with time to past data. This method
should work best with smooth demand. Although it is also used with intermittent demand, it
is not expected to give good forecasts because get higher values after there is a consumption
and lower values before there is a consumption.
The Croston’s method is a commonly used to forecast when the demand is intermittent. It
forecasts separately the non-zero consumption size and the inter-arrival time between
successive consumption. The forecast is computed as follows:
𝑍𝑡 = 𝐷𝑡 + (1 − 𝛼)𝑍𝑡−1
𝑃𝑡 = 𝛼𝑄𝑡 + (1 − 𝛼)𝑃𝑡
𝑌𝑡 = 𝑍𝑡/𝑃𝑡
where 𝐷𝑡 is the observed value of non-zero consumption, 𝑄𝑡 is the inter-arrival time of
transactions and 𝑌𝑡 is the forecast for next period. The smooth estimates are denoted by 𝑍𝑡
and 𝑃𝑡 .
Syntetos and Boylan (2005) showed that the forecast given by Croston’s method is biased
to over forecast, so they proposed a modified version of the forecast estimator. They
suggest
𝑌𝑡 = (1 − 𝛼/2)(𝑍𝑡/𝑃𝑡).
Willemain and Smart’s method is a bootstrapping and non-parametric method that uses the
empirical distribution of the data to estimate the distribution during the lead time, so no
assumptions on the distribution are required. This method works according to the following
steps:
Obtain historical demand data in chosen time buckets (e.g. days, weeks, months);
Estimate transition probabilities for a two-state (zero vs. non-zero) Markov model;
Conditional on last observed demand, use the Markov model to generate a sequence of
zero/non-zero values over the forecast horizon (lead time);
Replace every non-zero state marker with a numerical value sampled at random, with
replacement, from the set of observed non-zero demands;
"Jitter" the non-zero demand values X. When X is selected at random, generate a realization
of a standard normal random deviate Z. The jittered value is 1 + INT(X + Z√𝑋), unless the
result is less than or equal to zero, in which case the jittered value is simply X;
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
113
Sum the forecast values over the horizon to get one predicted value of lead time demand
(LTD).
Conclusions
The management theory of an inventory has focused very much on the stock policy but it hasn’t
developed a more general framework to improve it. In particular the use of more adequate forecasting
techniques should be incorporated in the general operation in the local companies in Mexico. Also
commercial software has been slow to incorporate new and more efficient techniques in the
management of spare parts.
A multi-criteria of the spare parts by itself could be very helpful in improving the control of the
inventory. The analysis and classification of the demand or consumption of spare parts could also
help to optimize the level of the inventory, but most importantly the local companies should be open
to change traditional practice and to incorporate new method or techniques in the management of the
spare parts.
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Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
114
Efectos citotóxicos en microorganismos patógenos expuestos a
nanopartículas de plata
Arzate-Quintana, Carlos1; Sánchez-Ramírez, Blanca2; Montes-Fonseca, Silvia Lorena1,
Infante-Ramírez, Rocío2, Piñón-Castillo Hilda Amelia1, Duarte- Moller, Alberto1; Luna-
Velasco, Antonia1; Solís-Martínez, Francisco Javier3; Orrantia-Borunda, Erasmo1.
1Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV), Miguel de Cervantes 120,
Complejo Industrial Chihuahua, CP 31109, Chihuahua, México.
2 Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Chihuahua. Circuito No. 1 CP
31125 Chihuahua, Chih., México.
3Facultad de Medicina, Universidad Autónoma de Chihuahua. Chihuahua, Chih., México
Correo electrónico:
Carlos Arzate Quintana: [email protected]
Blanca Estela Sánchez-Ramírez: [email protected]
Silvia Lorena Montes Fonseca: [email protected]
Rocío Infante-Ramírez: [email protected]
Hilda Amelia Piñón-Castillo: [email protected]
Alberto Duarte Moller: [email protected]
Antonia Luna Velasco: [email protected]
Francisco Javier Solís Martínez: [email protected]
Erasmo Orrantia Borunda: [email protected]
RECONOCIMIENTOS:
Este trabajo fue parcialmente apoyado por CONACyT bajo el proyecto de comunidad
europea MINANO (Grant Agreement No. 263946). C. Arzate-Quintana fue becario de
doctorado de CONACyT (Reg. 167055).También estamos ampliamente agradecidos con la
compañía minera Peñoles por proveer las nanopartículas de plata y óxido de zinc utilizadas
en este trabajo.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
115
RESUMEN
Las nanopartículas de plata (AgNP) han capturado el interés de la comunidad científica como
un potencial agente antimicrobial. Sin embargo, los mecanismos a través de los cuales las
AgNPs causan daño celular no han sido completamente dilucidados. El objetivo de este
estudio fue evaluar los efectos inhibitorios de las AgNPs en microorganismos patógenos
representativos, incluyendo Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Candida
albicans y Coniophora eremophila. Los resultados mostraron que las AgNPs poseen un
efecto diferencial en ensayos de inhibición de los microorganismos en medio sólido,
obteniendo concentraciones mínimas inhibitorias (CMI) de 1, 2 y 140 g/mL para P.
aeruginosa, S. aureus y C. albicans, respetivamente, y para C. eremophila, se observó una
dosis letal 50 (DL50) de 30 g/mL.
Sin embargo en medio líquido fue necesario usar concentraciones más altas de AgNPs para
que se presentara el efecto inhibitorio; también se observó la secreción de biopelículas de
exopolisacáridos por parte de las bacterias, disminuyendo la toxicidad de las AgNPs.
Por medio de la microscopía electrónica de barrido (SEM) se demostró que existe daño
estructural en C. albicans y P. aeruginosa expuestos a AgNP. Además las AgNP inhibieron
la actividad de las enzimas deshidrogenasa láctica (DHL) y lipasa. Los resultados obtenidos
en este trabajo sugieren que la inhibición enzimática y el daño a la estructura celular explican
la inhibición en el crecimiento de los microorganismos estudiados, por lo que las AgNP son
un prometedor producto para la fabricación de materiales resistentes a la degradación y
colonización por microorganismos y en la prevención de la putrefacción de la madera.
PALABRAS CLAVE
Nanopartículas de plata, antibacterial, inhibición enzimática, daño celular, putrefacción de la madera.
INTRODUCCIÓN
El interés por el diseño de nuevas nanopartículas metálicas (NPs) se ha incrementado debido
al su uso potencial en nanomedicina, ya sea en sensores, catálisis y aparatos electrónicos.
Como lo menciona Borderenko [1], las NPs inorgánicas (ej. Ag, CuO, and ZnO) están siendo
estudiadas como posibles agentes bactericidas y fungicidas para su aplicación en el campo
de la medicina y la industria. El tamaño de particular y su dispersión en medio líquido son
factores importantes que afectan las propiedades antimicrobianas de las NPs. En base a esto,
diferentes formulaciones están siendo evaluadas e incluidas en distintos materiales base para
incrementar su durabilidad (ej. Textiles y telas resistentes a la degradación) y resistencia a
colonización por agentes patógenos (ej. Materiales quirúrgicos con menor riesgo de
transmitir enfermedades nosocomiales) [2, 3]. La plata fue usada antes como agente
desinfectante de heridas antes de la aparición de los antibióticos de la medicina moderna, sin
embargo, la plata cayó en desuso, no solamente por su alta toxicidad, sino también por la
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
116
actual accesibilidad a los antibióticos. Debido a la emergente resistencia antibiótica por parte
de los microorganismos patógenos, ha resurgido el interés por las AgNPs como un potencial
agente antimicrobiano.
A pesar de que muchos estudios han demostrado la capacidad inhibitoria y citotóxica de las
NPs, su mecanismo de daño celular no es comprendido en su totalidad. De acuerdo con otros
autores, los principales mecanismos de toxicidad de AgNP incluyen la generación de especies
reactivas de oxígeno, liberación de iones tóxicos y su capacidad de absorción. [3, 4, 5]. La
mayoría de los reportes de toxicidad son para bacterias; hay una cantidad considerablemente
menor para hongos filamentosos, y por lo general Saccharomyces cerevisiae es usado como
modelo de levaduras.
El propósito de este estudio fue evaluar los efectos inhibitorios de las AgNPs en
microorganismos patógenos representativos, incluyendo P. aeruginosa, S. aureus, C.
albicans y C. eremophila, y proveer evidencia de los principales mecanismos relacionados a
la citotoxicidad de las AgNPs.
MATERIALES Y MÉTODOS
Nanopartículas
Las nanopartículas de plata y óxido de zinc utilizadas en este trabajo de tesis fueron amablemente
proporcionadas por la compañía minera Peñoles (Torreón, Coahuila). Las soluciones de trabajo de
nanopartículas fueron preparadas adicionando una cantidad conocida de polvo de AgNP a 50 mL de
agua desionizada, la mezcla fue sonicada a temperatura ambiente hasta lograr su completa
homogenización (10-30 minutos). Para evitar su oxidación, las mezclas fueron almacenadas a -20oC
hasta su uso posterior.
Caracterización de nanopartículas
El tamaño y forma de las AgNP se determinó por medio de la microscopía electrónica de
barrido (SEM) (JEOL modelo JSM-7401f). La composición química fue identificada por
medio de la espectrometría de energía dispersa acoplada a SEM. El análisis por difracción de
rayos-X (XDR) fue realizada (Panalytical, X´Pert PRO, Lelyweg, Netherlands) para
confirmar la forma cristalina de las NPs, como ha sido reportado por Martínez-Gutiérrez [7].
Cultivos bacterianos
Se realizaron cultivos de S. aureus, P. aeruginosa, C. albicans y C. eremophila. Las cepas
fueron obtenidas mediante el centro global de materiales biológicos ATCC. Las cepas
bacterianas se mantuvieron en agar Mueller Hinton, mientras que C. albicans y C. eremophila
se mantuvieron en agar Sabouraud. Los cultivos bacterianos y de C. albicans se incubaron a
37º C y 5% de CO2 y 100 RPM por 24 horas en caldo nutritivo antes de su uso en los ensayos
de viabilidad. El cultivo de C.eremophila se realizó a temperatura ambiente (24º C) durante
nueve días antes de realizar los experimentos.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
117
Ensayos para la determinación de la concentración mínima inhibitoria (CMI) y
concentración mínima bactericida (CMB) en medio líquido
Las CMI fueron determinadas en medio líquido en ensayos de citotoxicidad en placas de 96
pozos de fondo redondo, de acuerdo a la metodología descrita por el instituto de estándares
clínicos y de laboratorio (Clinical and the Laboratory Standards Institute) para el crecimiento
de bacterias aeróbicas (M07-A8) [10] y para la actividad antifúngica (M27-A3) [11]. El
volumen final en cada pocillo fue de 200 L y las AgNP fueron disueltas en varias
concentraciones y suspendidas en medio mínimo M9 para la realización de los ensayos de
viabilidad, mientras que los ensayos con C. albicans se realizaron en medio mínimo Lee.
Todos los pocillos tuvieron una concentración final de microorganismos de 1x107 unidades
formadoras de colonias (UFC). Se probaron diferentes concentraciones de AgNP hasta
encontrar la menor a la cual se inhibe el crecimiento de los microorganismos, a lo cual se
consideró como la CMI. La concentración mínima utilizada fue de 0.25g/mL y la más alta
de 10g/mL para P. aeruginosa and S. aureus; C.albicans mostró mayor tolerancia, y la
mayor concentración, basada en la máxima cantidad de partículas solubles sin que se
presentara la precipitación durante la incubación, dicha concentración fue de 140g/mL.
Todos los ensayos fueron incubados a 37oC por 24 horas.
La CMB es la concentración a la cual los tratamientos previnieron completamente el
crecimiento microbiano y fue determinada con la técnica del conteo de UFC en gota [12] en
agar soya tripticaseína para las bacterias, y en agar Sabouraud para C. albicans. Los ensayos
de CMB se realizaron por triplicado.
CMI y CMB en ensayos en medio sólido
Debido a que las NPs tienden a precipitar se decidió realizar ensayos en medio sólido,
utilizando los medios mínimos M9 y Lee como base [13]. Antes de su solidificación se
adicionaron glucosa 1M (990 L/50 mL), extracto de levadura (10 mg/50 mL), vitaminas y
minerales (90 μL/50 mL) y concentraciones seriadas de AgNPs (0.25, 0.5, 1, 2, 3, 4 y 5
g/mL para S. aureus and P. aeruginosa, y 10, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 and 160 g/mL
para C. albicans). Finalmente, 100 L de una solución de 2,000 CFU fueron inoculados y
dispersados en la superficie del agar solidificado. Los medios sin AgNP fueron usados como
controles.
En los ensayos con C. eremophila, el medio mínimo Lee fue adicionado con diversas
concentraciones de AgNP, como se describe en el procedimiento en los ensayos de bacterias
y levaduras. El hongo fue inoculado transfiriendo un bocado de 5mm de diámetro obtenidos
de cultivos en agar Sabouraud. El crecimiento radial fue medido cada tres días durante nueve
días. La determinación de la inhibición se determinó comparando el crecimiento de la
muestra expuesta a AgNPs con la de los controles no expuestos; dicha metodología se basa
en la reportada previamente en otros estudios [14, 15].
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
118
Ensayos de fragmentación de ADN
Para evaluar la fragmentación de ADN se expuso a los microorganismos S. aureus, P.
aeruginosa y C. albicans a AgNP. Los microorganismos fueron incubados en matraces
Erlenmeyer estériles de 250 mL conteniendo con una concentración de AgNP menor a la
CMI (4 g/mL) y un volumen final de 50 mL, se usaron también controles sin tratamiento.
En el caso de C. albicans no se pudo determinar la CMI en medio acuoso, por lo que la
concentración utilizada fue de 100 g/mL para asegurar el estrés celular y evitar la
sedimentación de NPs. Los matraces fueron incubados por 24 horas a 37oC y 200 rpm. Las
muestras obtenidas fueron colocadas en tubos Eppendorf de 1.5 mL y la biomasa se obtuvo
por centrifugación a 10,000 rpm por 5 minutos. El sobrenadante fue descartado y los
precipitados de microorganismos fueron almacenados a -20°C hasta su uso.
El ADN genómico fue obtenido de los precipitados celulares por medio del kit de extracción
de ADN Wizard genomics (Promega, WI, USA) de acuerdo a las instrucciones del fabricante
[16]; el ADN obtenido fue analizado en geles de agarosa al 1% con 0,1 mg/mL de bromuro
de etidio y 100 mL de amortiguador TAE (40 mM TRIS-acetato and 1mM EDTA), y un
marcador de peso molecular de 10,000 a 200 kD (Hyper ladder 1, Bioline). La electroforesis
fue realizada por 30 minutos a 100V. Los geles fueron analizados por medio de luz UV. La
presencia de ADN fragmentado fue considerada como evidencia de daño al material genético
como ha sido reportado previamente [17].
Microscopía electrónica de barrido (SEM)
Los cultivos fueron realizados en matraces Erlenmeyer de 250 mL para poder obtener
suficiente biomasa para su análisis en microscopía electrónica, los tratamientos fueron
menores a la CMI (4 g/mL) y el volumen final fue de 50 mL, se usaron también controles
sin tratamientos. Las alícuotas de los diferentes cultivos expuestos a las AgNP y los controles
fueron centrifugados para obtener un precipitado. La pastilla celular fue resuspendida y fijada
en glutaraldehido al 2.5% por dos horas antes de lavar dos veces con amortiguador de
cacodilatos (0.1M). Posteriormente se realizó una deshidratación con alcohol y acetona. Las
células fueron resuspendidas en una solución de alcohol al 70% e incubada por quince
minutos. Después las muestras fueron centrifugadas a 4,000 rpm, y el sobrenadante fue
descartado; esto se repitió con soluciones de concentraciones crecientes de etanol (85%, 95%
y absoluto). Finalmente, las células fueron resuspendidas en acetona absoluta y fueron
transferidas y envueltas en papel filtro (Whatman grado con diámetro de 5 cm). Los filtros
fueron procesados en un secador de punto crítico con CO2 (Samdry modelo 780ª, Tousimis,
Rockville, USA). El polvo de células fue colocado en un portamuestras y se le dio un baño
de oro antes de observar su morfología por medio de SEM.
Microscopía electrónica de transmisión (TEM)
Las células obtenidas para análisis TEM fueron preparadas usando la misma técnica
modificada de CMI ya explicada para las muestras de análisis SEM y fraccionamiento de
ADN. Los microorganismos obtenidos fueron recolectados en tubos Eppendorf de 1.5 mL y
centrifugados a 4,000 rpm por 5 minutos, descartando el sobrenadante hasta obtener una
cantidad aproximada de 100 L de pastilla celular. Las pastillas celulares fueron tratadas y
fijadas en glutaraldehído al 2.5%. Se realizó una deshidratación en concentraciones
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
119
crecientes de etanol y acetona, tal y como se explicó para análisis SEM. Las muestras fueron
entonces embebidas en resina (Poly/Bed 812, Polysciences Inc., Warrington PA) e incubadas
a 60oC hasta su solidificación. Una vez sólida, se realizaron cortes en la resina con un grosor
de 90 nm y colocados en rejillas de cobre. Se realizó tinción de contraste con citrato de plomo
al 0.4% y acetato de uranilo al 2%. Las muestras se almacenaron hasta su análisis en TEM.
Producción de biopelículas por microorganismos patógenos expuestos a AgNP
Se observó que en algunos de los ensayos para obtener muestras para análisis SEM y TEM
se produjo la acumulación de AgNP en material orgánico. Estos ensayos mostraron una
eficiencia menor en la inhibición de los microorganismos. Debido a la observación de este
fenómeno, se prepararon muestras de dicho material orgánico, presumiblemente biopelículas,
para su análisis en SEM. Las posibles biopelículas fueron extraídas de los matraces
Erlenmeyer utilizando un asa microbiológica estéril y colocada en un portamuestras para
análisis SEM. Los especímenes se secaron a temperatura ambiente por 24 horas.
Posteriormente se les dio baño de oro con el propósito de analizarlas en el microscopio
electrónico (jsm 7401f). Para confirmar la presencia de las AgNP en los cúmulos, el análisis
SEM acoplado a EDS fue realizado.
Actividad catalítica de la deshidrogenasa láctica (DHL) expuesta a AgNP y AgNO3
La actividad de DHL en presencia de plata fue medida por medio de un método colorimétrico
basado en la concentración de la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NADH,
Sigma Chemical Co., USA). Después, 2.8 mL de un amortiguador Tris-HCl 0.2 M y pH 7.3
fue adicionado a una serie de tubos de ensayo de 10 mL, y 100 L de piruvato de sodio 10
mM (Sigma Chemical Co., USA) y 100 L de 6.6 mM de NADH fueron adicionados a la
mezcla e incubados a temperatura ambiente por 10 minutos. Controles con 100 L de la
enzima DHL de músculo de conejo (Sigma Chemical Co., USA) fue incluida en los
experimentos. Las mediciones de densidad óptica (D.O.) se hicieron a ΔA340/min de la
porción linear inicial. Para comprobar los efectos de AgNP en la actividad enzimática, la
DHL fue incubada por 20 minutos a 37oC en presencia de 5g/mL de AgNPs o 0.16 g/mL
of AgNO3 (Equivalente a 0.107 g/mL de Ag+) antes de adicionarla a la mezcla con el
cofactor y el sustrato. La actividad de DHL es inversamente proporcional a la cantidad de
NADH utilizada en la reacción, por lo tanto, la menor concentración de NADH indica una
mayor actividad enzimática.
Actividad catalítica de lipasa expuesta a AgNPs y AgNO3
La actividad catalítica de la lipasa expuesta a AgNPs en un medio libre de células se
determinó por medio de la hidrólisis de triglicéridos por medio de un método colorimétrico
comercial (Randox, West Virginia, USA). Este método está basado en la hidrólisis de
triglicéridos por las lipasas microbianas (EC 3.1.1.3) y por la quinoneimina producida por
oxidasas de rábano EC 1.11.1.7) como indicador. Se expuso a AgNP (5g/mL) o a AgNO3
(0.16 g/mL) a 1 mL de la solución reactiva con enzimas por 20 minutos a 37oC. Se
adicionaron 10 L del estándar de triglicéridos. Una solución de enzimas no expuestas a la
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
120
plata fue usada como control de referencia. La producción de quinoneimina es proporcional
a la actividad de la lipasa y su D.O. fue medida a 500 nm.
Medición de la actividad enzimática de la lipasa de P. aeruginosa por medio de un método
de titulación
Se prepararon soluciones con lisados celulares de P. aeruginosa al extraer una alícuota de 1
mL de células lavadas con 25 mL de cloroformo. La solución se mezcló vigorosamente
durante 15 minutos.
La solución de sustrato se preparó al colocar 5 mL del sustrato de lipasa (Sigma Chemical
Co., USA) y 10 mL de amortiguador Tris HCl de pH 7.2 en un matraz Erlenmeyer de 50 mL.
Las AgNP fueron adicionadas a los frascos con tratamientos (concentración final de5
g/mL), y se prepararon además frascos sin AgNP, las pruebas se realizaron por triplicado y
se mantuvieron en agitación con un agitador magnético antes de realizar el experimento. Para
probar la actividad de la lipasa, se adicionó 1 mL de la solución de lisados de P. aeruginosa
en cada matraz. Se usó una alícuota de cada matraz para medir la actividad enzimática de la
lipasa después de 10, 20 y 30 minutos de reacción. Para detener la reacción se adicionaron
10 mL de acetona y se midió el pH utilizando un medidor de pH automático (Thermo
scientific Orion 2-star plus). Esta prueba es una variación de la titulación clásica reportada
por Tembhurcar [18].
Interacción de los enlaces disulfuro con la plata
Para probar la capacidad de la plata de romper enlaces disulfuro, se expuso una muestra
comercial de insulina a 5 g/mL of AgNP y 0.16 g/mL of AgNO3. Se seleccionó a la
insulina debido a que se trata de un pequeño péptido unido por dos enlaces disulfuro. La
aparición de más de una banda en el gel PAGE-nativo en poliacrilamida fue considerado
como evidencia del rompimiento de dichos enlaces. Insulina no expuesta a AgNP o AgNO3
fue usada como control.
Análisis estadístico
Todos los ensayos de CMI y actividad enzimática se realizaron por triplicado y se analizaron
por medio del método ANOVA de una vía con un intervalo de confianza de 95 y 99%, según
se especifica en cada figura.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización de nanopartículas
Los resultados del análisis microscópico de las AgNP se muestran en la figura 1. Las AgNP
resultaron ser uniformes con forma cúbica y esférica y su dispersión fue buena. El rango de
tamaño de las nanopartículas fue de 19 a 42 nm (Figura 1B). Es estudio estructural del polvo
de AgNP confirmó que las partículas están compuestas de plata metálica con un patrón
cristalino cúbico.
Inhibición del crecimiento microbiano por exposición a AgNP
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
121
La presencia de AgNPs inhibió completamente el crecimiento de S. aureus y P. aeruginosa.
C. eremophila y C. albicans continuaron creciendo en presencia de AgNPs (Tabla 1). La alta
toxicidad de se observó en estudios previos, incluyendo análisis similares en contra de
bacterias Gram-positivas y Gram-negativas [7, 16, 19] y hongos filamentosos [20]. Sin
embargo, el tamaño, el dispersante empleado y la síntesis química de las nanopartículas
influenciaron la actividad inhibitoria y como resultado se reportaron diferentes CMIs para
los mismos materiales [7, 21, 22, 23]. Los resultados obtenidos en este estudio sugieren que
el grado de inhibición cambiará si se realiza en medio líquido o sólido. La mayor toxicidad
en medio sólido podría explicarse por la sedimentación más baja de las AgNPs y por ende,
su mayor interacción con los microorganismos.
Figura 1. Micrografía SEM de AgNPs. La micrografía muestra A, las AgNPs usadas en el
estudio, con una magnificación de 150 KX, y B, el rango de tamaños de las AgNPs con una
magnificación de 100 KX.
Tabla 1. Actividad antimicrobiana de AgNPs contra diferentes microorganismos.
Microorganismo
Medio líquido
(g/mL)
Medio sólido
(g/mL)
DL50 CMI CMB DL50 CMI CMB
C. albicans 140 -- -- 60 140 --
P. aeruginosa -- 7.0 7.5 -- 1.0 --
S. aureus -- 5.5 6.5 -- 2.0 --
C. eremophila ND ND ND 30 -- --
DL50, dosis letal media; CMI, Concentración mínima inhibitoria; CMB, Concentración
mínima bactericida; ND, no determinado.
Mecanismos inhibitorios relacionados a la exposición a las NPs
Las bacterias expuestas a las NPs en medio líquido produjeron una biopelícula que
conglomeró a las AgNPs. Subsecuentemente, la inhibición disminuyó en los ensayos. Para
confirmar la presencia de los agregados de AgNP en el posible exopolisacárido se realizó un
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
122
análisis SEM acoplado a EDS. Las micrografías SEM claramente muestran a las AgNP
atrapadas en la biopelícula (Figura 2A). El análisis elemental por EDS confirmó la presencia
de plata en los agregados (Figura 2B), lo cual proveyó evidencia de la captura de las AgNP
en el material orgánico.
Figura 2. Análisis SEM de los exopolisacáridos obtenidos tras la exposición de S. aureus
a las AgNPs. A, la micrografía muestra una biopelícula producida por las bacterias posterior
a la exposición a AgNPs. B, la gráfica muestra la composición elemental obtenida por el
análisis SEM.
La presencia de la biopelícula disminuyó el contacto de las NPs con los microorganismos, lo
cual se correlaciona con una más baja actividad inhibitoria de las AgNP en medio líquido.
La excreción de exopolisacáridos por las bacterias es un mecanismo ya conocido para
disminuir la concentración de metales pesados en medios ambientes acuosos y permitir la
supervivencia bajo dichas condiciones. [24, 25].
La liberación de iones de plata (Ag+) es un posible mecanismos citotóxico de las AgNP,
como se ha reportado previamente [26, 27]. Para comprender la contribución de Ag+ en la
CMI de AgNP, los microorganismos fueron expuestos a varias concentraciones de AgNO3 y
se compararon con la inhibición de las AgNPs. En este caso las CMI obtenidas fueron
significantemente menores (0.107 g/mL) que las obtenidas por las NPs (1 g/L para P.
aeruginosa, 2 g/mL para S. aureus and 140 g/mL para C. albicans) (Tabla 1). Como se ha
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
123
reportado en la literatura, la cantidad total de AgNP ionizado liberado en forma de Ag+
depende de la ionización del medio [28, 29], por lo tanto, un medio con alta concentración
de sales, como el M9 y el Lee, pueden disolver altos porcentajes de las AgNPs (17.9%
reportado por Guo [28]; y 30% reportado por Radniecky [29]), y basados en las CMI de
AgNO3, podemos asumir que al menos 10% de la masa de las AgNP está siendo disuelta en
un período de 24 horas.
Basado en los resultados, podemos sugerir que la inhibición de las bacterias y la levadura son
el resultado de la liberación de iones y no por acción directa de las AgNPs. Aun así, algunos
autores han reportado que en líneas celulares de tejidos de mamíferos la fagocitosis de
partículas está vinculada al daño celular [21, 30-32]. La mayor resistencia hacia las AgNPs
por parte de las bacterias podría explicarse a que son células con estructuras y metabolismos
menos complejos.
Evaluación del daño al ADN
Otro posible mecanismo de inhibición es la fragmentación del ADN. Este tipo de
fragmentación no fue detectada en los microorganismos tratados con AgNPs. A pesar de su
genotoxicidad en células humanas [30, 31] y de gusanos [5] expuestas a AgNP ha sido
previamente demostrada, no se observó fragmentación bajo las condiciones del experimento
(Datos no mostrados). Los resultados de este trabajo son apoyados por estudios realizados en
Salmonella typhimurium [26, 33], donde tampoco se observó este tipo de daño al material
genético. Respecto a los iones metálicos (como Ag+), se ha reportado que interactúan con el
ADN y ARN en condiciones in vitro sin causar daño significante a la conformación
estructural de dichos ácidos nucleicos [34].
Análisis SEM
El daño a la pared y membrana celular es otro mecanismo de inhibición conocido para las
drogas y productos químicos. La exposición de C. albicans a las AgNPs resultó en daño
severo a la pared celular (Figura 3). El proceso de gemación en levaduras que no fueron
expuestas muestran las cicatrices de gemación características en las células madre (Figura
3A). En contraste, las células expuestas a AgNP mostraron interrupciones en el proceso de
gemación con rompimiento en la pared celular (Figura 3B). El rompimiento de las paredes
celulares puede resultar en la extrusión del contenido celular, inhibición del crecimiento y la
muerte. A nuestro saber, este es el primer reporte de daño estructural en C. albicans por
exposición a las AgNPs. Estudios similares ha evaluado la susceptibilidad de la integridad
de la membrana en Saccharomyces cerevisiae expuesta a Mn2O3 inorgánico y a NPs de Fe
usando citometría de flujo y reportaron un daño significativo a la membrana de las células
levaduriformes, [35], pero no menciona daños a la pared celular.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
124
Figura 3. Daño a la pared celular de C. albicans expuesta a AgNPs. Las micrografías
SEM muestran en A, la morfología normal de C. albicans (las flechas indican cicatrices de
gemación en las células madre), y en B, el daño de la pared celular en levaduras expuestas a
AgNPs (las flechas indican una aparente extrusión del área de gemación).
Los experimentos con bacterias indicaron que la exposición de P. aeruginosa a las AgNPs
resultó en profundas invaginaciones de la membrana celular (Figura 4). A pesar de que
algunas bacterias no expuestas muestran invaginaciones (Figura 4A), el arrugamiento central
profundo es común entre las bacterias expuestas a AgNPs (Figura 4B). Estos resultados
concuerdan con lo reportado previamente en estudios en que se muestran las alteraciones
estructurales, invaginaciones de membrana y otros daños estructurales (deformaciones) en E.
coli, S. typhimurium y S. aureus expuestas a NPs (incluyendo AgNPs) [26, 36].
Figura 4. Cambios morfológicos detectados en P. aeruginosa expuestas a AgNPs. Las
micrografías SEM muestran en A, la morfología normal de P. aeruginosa y en B, la depresión
central observada en P. aeruginosa expuesta a AgNPs (las flechas muestran el daño).
En contraste, S. aureus no mostró daño estructural evidente, a pesar de ser muy sensible a la
presencia de plata. Estudios previos han reportado daño estructural en células de S. aureus
expuestas a AgNPs [36], sin embargo, el tamaño de las nanopartículas es mucho menor que
A
A
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
125
las utilizadas en este estudio (8-10 nm), lo que se refleja con un impacto en la estructura
celular. Se ha publicado que las interacciones de AgNP con las células pueden ocurrir
mediante la adhesión de NPs a la superficie de las membranas o por la liberación de Ag+
[37]. En este caso, la adsorción de NPs en las superficies celulares no fue observada.
A pesar de que C. eremophila fue inhibida en presencia de AgNPs, no fue visible el daño a
la estructura celular al observar muestras por medio de SEM (Datos no mostrados). No
existen estudios previos de toxicidad de NPs contra este hongo en específico, por lo que no
hay punto de referencia para comparar con estos resultados.
Se ha propuesto que la interacción de los iones Ag+ con las proteínas de membrana podría
resultar en la inactivación de enzimas respiratorias, causando daño estructural en células
expuestas a AgNP [38], esto se confirma con los resultados del presente trabajo, ya que la
integridad celular de P. aeruginosa y C. albicans fue comprometida. Y aunque S. aureus y
C. eremophilla no mostraron evidente daño estructural, ambos microorganismos son
inhibidos en presencia de la plata, lo cual sugiere que el daño estructural en sí no es el
mecanismo de inhibición sino el resultado de la toxicidad de las AgNPs. Debido a que las
enzimas son las responsables de la integridad celular, es posible que su inhibición sea la
responsable del daño estructural observado en los experimentos.
En contraste con otras células eucarióticas que son más sensibles a la exposición a AgNPs
que a la exposición a su forma iónica, C. albicans es más resistente a la exposición a AgNO3
[40, 41], C.albicans fue capaz de crecer en medio líquido con una concentración de 120
g/mL de AgNP, y fue inhibido por una concentración muy baja de AgNO3 (0.107 g/mL).
Análisis TEM
El análisis TEM mostró internalización de AgNPs por parte de C.albicans (Figuras 5 y 6), lo
cual ha sido reportado también en células eucariotas de peces [42], y humanos [30, 42], pero
a diferencia de C. albicans, las células animales son inhibidas por la acumulación de AgNPs
en los fagosomas. Los resultados muestran que la internalización de AgNPs en el citoplasma
de C. albicans no es un factor importante de inhibición. Esto podría explicarse si la
vacuolización fuera un mecanismo que protege a C. albicans contra AgNPs pero no es
efectivo contra Ag+, por lo que este microorganismo solamente se inhibe en altas dosis de
AgNPs, y en bajas dosis de AgNO3.
Se ha reportado que S.aureus es capaz de internalizar las AgNPs [36], pero como ya se
mencionó antes, las nanopartículas usadas en este estudio son muy grandes para que puedan
entrar al citoplasma de las bacterias Gram-positivas [43]. La cantidad de plata detectada en
las muestras de análisis elemental detectaron solamente una cantidad del 0.75% en las células
de S.aureus, y la internalización de las AgNPs no fue observada (Datos no mostrados).
Actividad catalítica de enzimas expuestas a AgNPs
La variedad del daño celular observado en el presente estudio, y lo mencionado en la
literatura podría ser explicado por la inhibición enzimática por parte de los iones Ag+
liberados por las AgNPs. Ya que todos los microorganismos mostraron una sensibilidad alta
a Ag+, podemos asumir que las NPs per se no es la forma activa de la plata que previene el
desarrollo microbiano y que afecta al metabolismo celular, sino que dicha forma activa son
los iones Ag+ [37].
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
126
Para determinar los potenciales de inhibición enzimática de AgNP y Ag+, se midieron las
cinéticas enzimáticas de las enzimas DHL y la lipasa después de ser expuestas a los diferentes
tratamientos. Dichas enzimas fueron elegidas debido a su presencia constitutiva en la mayoría
de los microorganismos. Como se muestra en la figura 5A, la DHL disminuyó su actividad
tras la exposición a AgNP, sin embargo este resultado no es estadísticamente significativo al
compararse con el control libre de tratamiento. La exposición a AgNO3 mostró una
inhibición mucho mayor, siendo ésta altamente significativa.
Con respecto a la actividad de la lipasa, ambos tratamientos con AgNP y AgNO3 inhibieron
de manera significativa la actividad enzimática (17 y 50%, respectivamente, figura 5B). Estos
resultados sugieren que un posible mecanismo por el cual se observa daño celular sería que
la lipasa, que participa en la homeostasis, transporte de esteroles y el crecimiento de los
microorganismos se inhibe en presencia de AgNP [45, 46].
Figura 5. Actividad enzimática de DHL y lipasa tras ser expuestas a AgNP y AgNO3.
La actividad enzimática de A, DHL y B, lipasa fueron determinados tal y como se describe
en la metodología, tras ser expuestas a tratamientos a base de plata. Los controles sin
tratamientos fueron considerados controles negativos. * p < 0.05.
Para complementar estos resultados, se midió la actividad de la lipasa presente el lisados
celulares de P. aeruginosa por medio de una técnica modificada de titulación. Los valores
de pH indican la liberación de ácidos grasos a partir de triglicéridos, los cuales acidifican
ligeramente el medio. En general, los resultados mostraron que el pH de los controles sin
tratamientos disminuyó gradualmente en relación con el tiempo de reacción (medido cada
10 minutos), mientras que los lisados en presencia de tratamientos no cambió su valor de
pH en un intervalo de 30 minutos (Figura 6). Este resultado corresponde con los obtenidos
con el método comercial Randox, lo que indica la inhibición enzimática en presencia de
AgNPs, lo cual explica que la plata sea tóxica para una variedad tan grande de organismos.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
127
Figura 6. Titulación y medición de pH en lisados de P. aeruginosa expuestos a AgNPs.
Las variaciones de los valores de pH indican que la exposición de la lipasa presente en el
lisado expuesto a AgNPs por 30 minutos significativamente afectó la actividad enzimática.
*p<0.05.
Estos resultados confirman que la inhibición enzimática es uno de los principales
mecanismos de citotoxicidad por medio del cual las AgNPs impiden el crecimiento
microbiano. Sin embargo, los mecanismos de inhibición en las células eucariotas es más
complejo y las células y tejidos animales reaccionan de manera distinta. Los estudios que
involucran este tipo de células discuten la importancia del estrés oxidativo en el deterioro
de la mitocondria y otras estructuras celulares. [47, 48]. Aún es necesario realizar más
estudios en los que se evalúe las consecuencias del estrés oxidativo por presencia de
especies reactivas del oxígeno en especies procariotas y fúngicas expuestos a NPs.
Ensayo de rompimiento de puentes disulfuro
Las interacciones del ión Ag+ con los puentes disulfuro de las enzimas es un mecanismo
propuesto por otros autores [38, 39], al romper dichos puentes la estructura terciaria y
cuaternaria de las enzimas se perdería, provocando la inhibición enzimática. Sin embargo,
los resultados de este experimento sugieren que este no es el mecanismo de inhibición, ya
que los ensayos por el método PAGE nativo no mostraron separación de las dos cadenas de
péptidos de la insulina (Datos no mostrados). Sin embargo se ha demostrado que la
inhibición enzimática sí se presenta [30], y que los iones Ag+ interactúan con las proteínas,
pero hace falta la realización de más estudios para explicar de manera definitiva el
mecanismo de inhibición enzimática de la plata.
CONCLUSIONES
Los resultados presentados en este estudio demostraron que las AgNPs son tóxicas al ser
probadas contra bacterias y hongos patógenos. La evidencia nos indica que los mecanismos
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
128
de inhibición celular varían de acuerdo al tipo de microorganismo evaluado, ya que la
estructura celular fue dañada en C. albicans y P. aeruginosa, pero no en los demás
microorganismos, que sin embargo sus metabolismos fueron inhibidos de manera
significativa. Un mecanismo de resistencia microbiana en contra de las AgNPs resultó ser
la secreción de exopolisacáridos para formar biopelículas, ya que las atrapa disminuyendo
de manera significativa su toxicidad.
La actividad catalítica de las enzimas fue inhibida de manera importante en presencia de la
plata, sin embargo la forma iónica Ag+ parece ser mucho más relevante para este
mecanismo que la presencia de AgNPs. Este resultado nos revela que la citotoxicidad de las
nanopartículas está más relacionada a la capacidad de AgNP de liberar Ag+ que de la
interacción directa de las NPs con las células procariotas y fúngicas.
Este es el primer reporte de citotoxicidad de las AgNPs contra el hongo patógeno de la
madera C. eremophila, y los resultados sugieren que los tratamientos con plata son
prometedores en contra del deterioro de productos de madera.
LISTA DE ABREVIACIONES
AgNPs: Nanopartículas de plata
CLSI: Clinical and Laboratory Standards Institute
DL50: Dosis Letal para el 50% de los microorganismos
DHL: Deshidrogenasa láctica
CMB: Concentración mínima bactericida
CMI: Concentración mínima inhibitoria
NADH: Nicotinamida adenina dinucleótido
NPs: Nanopartículas
DO: Densidad óptica
SEM: Scanning electron microscopy
TEM: Transmision electron microscopy
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
129
REFERENCIAS
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132
ESTADO DEL ARTE EN LA ADQUISICION Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES ELECTRICAS OBTENIDAS POR ELECTROMIOGRAFIA
Sergio González Duarte, Jorge Antonio Cardona Soto y Alicia Bustillos Trujillo
Departamento de Mecatrónica y Energías Renovables Universidad Tecnológica de Chihuahua
Av. Montes Americanos 9501 Chihuahua, Chih., C.P. 31216
{sgonzalez, jcardona, abustillos}@utch.edu.mx
Resumen: La electromiografía (EMG) es el procedimiento utilizado para la obtención de señales eléctricas producidas por un músculo al realizar una función o contracción. Dentro de este campo existen diversos instrumentos para la obtención de esta información, principalmente electrodos (superficiales, de aguja o implantados). La información extraída mediante una electromiografía brinda información relevante acerca de la fisiología y patrones de activación muscular. Este trabajo presenta el estado del arte en los campos de obtención y procesamiento de señales obtenidas por electromiografía, y presenta resultados parciales de experimentos realizados con un sensor comercial para electromiografía y electrodos superficiales. La intención de este trabajo es documentar las tendencias de investigación en este campo y que sirva como base para una investigación profunda que culmine en la presentación de un prototipo funcional para la adquisición, procesamiento y clasificación de señales EMG. Palabras clave: Electromiografía, Señales, Biomédica, Adquisición, Procesamiento.
1. INTRODUCCIÓN
A pesar de que trabajos de este tipo se han documentado desde hace décadas (Kwatny, 1970), el estudio de señales eléctricas biológicas provenientes de EMG sigue siendo una línea de investigación vigente debido a la multi disciplinariedad que engloba. Ingenierías como la biomédica, eléctrica, mecatrónica y electrónica, por mencionar algunas están constantemente involucradas en este tipo de investigaciones. Por otra parte, los retos que conllevan su estudio, permite que grupos de investigación médica, de procesamiento digital de señales, de reconocimiento de patrones y algunos más, mantengan vigente esta línea de investigación.
Durante el desarrollo de este artículo se describirá de manera breve las etapas de un sistema de adquisición de señales biológicas por electromiografía, una vista general del procesamiento de estas señales, la orientación que se ha tenido en cuanto a Hardware y algunos resultados preliminares obtenidos con un sistema
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133
basado en micro controlador y un sensor para electromiografía comercial denominado “Muscle Sensor v3.0” de Advancer Technologies.
Nuestra hipótesis inicial indica que el desarrollo de un prototipo capaz de obtener y procesar señales EMG en tiempo real presentará la posibilidad de interpretar e identificar movimientos musculares que en un futuro pueda servir de base o plataforma para aplicaciones más compleas. Así mismo, se pretende involucrar a alumnos de la carrera de Ingeniería en Mecatrónica de la Universidad Tecnológica de Chihuahua en esta línea de investigación de Procesamiento Digital de señales y reconocimiento de patrones.
2. ESTADO DEL ARTE
De acuerdo a (Raez, 2006), las señales EMG adquiridas desde músculos en función requieren métodos avanzados de análisis para la detección, descomposición, procesamiento y clasificación. Las señales EMG son de naturaleza débil, y rondan en un ancho de banda de 5Hz – 500Hz con amplitudes desde los 500μV ̴ 5mV (Zhao, 2011). Esta naturaleza convierte al proceso de adquisición propenso al ruido, por lo cual hay que identificar las posibles fuentes de ruido en el proceso para así poder detectar la señal de interés.
Las fuentes de ruido que influyen en este proceso son ruidos inherentes
presentes en los electrodos, movimiento de elementos presentes en el proceso de medición (electrodos, cables, sensor, etc.), ruido electromagnético, ruidos generados por músculos que no son de interés (comúnmente llamado cross talk), ruido interno, inestabilidad inherente de la señal y ruidos electro cardiográficos producidos por la actividad del corazón (Chowdhury, 2013). En la figura 1 se muestra el esquema de un sistema para la adquisición y procesamiento de señales EMG.
Figura 1. Sistema de adquisición y procesamiento de señales EMG.
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2.1 Procesamiento de Señales EMG
En el campo del análisis clínico y la biomédica, el análisis de señales EMG con metodologías complejas o avanzadas se ha convertido en una herramienta fundamental para los diagnosticadores y proveedores de servicios de salud. A continuación se hace un repaso de técnicas para el procesamiento de señales EMG.
2.1.1 Análisis en el dominio de la frecuencia A pesar que las transformaciones entre los espacios tiempo y frecuencia son generalmente manejados por la transformada de Fourier (FT) o la transformada rápida de Fourier (FFT) como en (Gora, 2009) , técnicas como la transformada de onduletas (Wavelet transform) han tomado auge en años recientes, debido a que transforman eficientemente señales tanto en los dominios del tiempo y la frecuencia. De manera general, la transformada de onduletas puede dividirse en transformada discreta de onduletas (DWT) y en transformada continua de onduletas (CWT). En el trabajo de (Chu et al., 2007) presenta un modelo basado en la técnica de DWT para caracterizar señales no estacionarias, entre ellas señales EMG, con el único contra de arrojar vectores característicos de grandes dimensiones. Por su parte (Pattichis, 1999) documentan un trabajo donde procesan señales mediante diferentes niveles de resolución usando la CDT. 2.1.2 Redes neuronales artificiales El término de Red neuronal artificial (ANN) se refiere a modelos de aprendizaje y procesamiento automático inspirado en la forma en que funciona el sistema nervioso del ser humano. Se compone de unidades llamadas neuronas que colaboran entré sí para producir un estímulo de salida. Como una generalidad, los diversos modelos de ANN constan de una etapa de aprendizaje que determinan la forma de interactuar entre ellas y ponderan el estímulo de salida, similar a las conexiones sinápticas en una red neuronal biológica. En la investigación presentada en (Kale, 2009) su muestra cómo la aplicación de una red neuronal tipo FTLRNN (siglás en inglés de Focused Time-Lagged Recurrent Neural Network) es posible la aplicación de un filtro para la remoción del ruido en una señal de EMG. Por su parte, (Mankar, 2008) implementan una red neuronal tipo RBF (Radial Basis Function) para remover señales de ruido de una señal EMG. En este último trabajo se realiza una comparación de diferentes modelos de redes neurales para este fin, es mostrada en la tabla I.
Tabla I. Comparación de modelos de redes neuronales artificiales para remoción de ruido.
𝑇𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑁𝑁 𝐶𝑜𝑛𝑓𝑖𝑔𝑟𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑠 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛
MLP 05,05,07 0.627751035
Gen FF 05,05,07 0.636240018
Mod NN 05,05,07 0.01153987
Jor/elman NN 05,05,07 0.00994905
Recurrent NN 05,05,07 0.00997408
RBF 05,05,07 0.00996188
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Donde los modelos comparados son los siguientes: MLP (Multi-Layer Perceptron), Gen FF (Generalized Feed Forward), Mod NN (Modular neural network), Jordan/Elman NN y Recurrent Neural Network. 2.1.3 Análisis de componentes independientes ICA
Esta herramienta es un método estadístico, con el cual se puede estimar la señal original desde una mezcla de señales. Fue propuesta en (Comon, 1994) y en un inicio fue utilizada para transformar un vector aleatorio multi variable en componentes estadística independientes. Este modelo ha tenido varias adecuaciones de acuerdo al tipo de señales que se desean descomponer. (Cardoso, 1993) propone un método más efectivo para descomponer señales de EMG. Este algoritmo fue llamado JADE y demostró mejores resultados que el modelo de Análisis rápido de componentes independientes (Fast ICA).
2.2 Implementaciones en Hardware El proceso de adquisición de señales EMG consta principalmente de las etapas de filtrado, amplificación y conversión análoga a digital (ADC) de las señales originales. La implementación de la amplificación y procesamiento de señales EMG se han llevado a cabo mediante varias plataformas. 2.2.1 FPGA (Chewae, 2010) presentan una cancelación de ruido se señales mediante un modelo de redes neurales artificiales tipo ADALINE (Adaptive Linear Neural Network) implementado en una tarjeta FPGA (Field Programmable Gate Array). De manera similar, (Mou et al., 2009) presentan un par de trabajos de un sistema para la adquisición de señales biológicas e implementados en una combinación de FPGA y FPAA (Field Programmable Analog Array). En este modelo la FPGA maneja la representación digital de la señal, mientras que la FPAA maneja la adquisición analógica de la señal biológica. Ambas plataformas se comunican e intercambian información. 2.2.2 Componentes discretos y circuitos integrados especiales Unos de los ruidos más recurrentes en la adquisición de señales es el ruido de 60Hz debido a la red eléctrica. Una técnica frecuente para eliminar este ruido es la aplicación de un filtro rechaza banda elaborado con el circuito integrado UAF42 (Hao et al, 2010), (Pinwei, 2010).
En el trabajo presentado por (Fuchs, 2002) se implementa una combinación de circuitos integrados de aplicación específica (ASIC por sus siglas en inglés) para la
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amplificación y filtrado de múltiples señales bioeléctricas. El diseño consiste principalmente de pre amplificadores de muy bajo ruido, post amplificadores, filtros y convertidor digital de 10 bits.
2.2.3 Plataformas pSOC La implementación en tarjetas digitales diferentes al FPGA ha llegado en plataformas embebidas pSOC (siglás de Programmable System on Chip). pSOC es la denominación de una familia de microcontroladores programables desarrollada por Cypress Semiconductors en el año 2002. Al ser un sistema embebido, combina capacidades de entradas analógicas, entradas/salidas digitales y otros recursos útiles para la adquisición y procesamiento de señales de cualquier tipo. (Mahaphonchaikul et al., 2010) presenta una implementación en una plataforma pSOC de una técnica de extracción de características basado en análisis de Onduletas. De manera similar, un sistema para adquisición de señales EMG superficiales es presentado por (Chanwimalueang, 2008) haciendo una clasificación de contracciones musculares. Esto es posible mediante análisis de componentes independientes. De manera adicional a las plataformas descritas, se han documentado trabajos en otras plataformas como procesadores digitales de señales DSP y microprocesadores, pero debido a que estos trabajos son la minoría, no se comentarán en más profundidad.
De manera general, gran cantidad de trabajos se han presentado en los últimos años, predominando plataformas de sistemas embebidos, principalmente dispositivos como FPGA y de la familia de microcontroladores pSOC. En la recopilación (Salim, 2011) es posible visualizar de manera general las tendencias en cuanto a implementación en Hardware. Se muestra un resumen en la tabla II.
Tabla II. Comparación de modelos de redes neuronales artificiales para remoción de ruido.
𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑔𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐼𝑚𝑝𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐸𝑡𝑎𝑝𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑇é𝑐𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑖𝑚𝑝𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎
(Chewae,2010 ) FPGA Cancelación de ruido Filtro ADALINE
(Mou,2009) FPGA + FPAA Adquisición Adaptivo
(Acharrya, 2008) FPGA Extracción de características
DWT, IDWT
(Gora, 2009) FPGA Extracción de características
Filtro FIR, FFT
(Diaz, 2010) FPGA Extracción de características
HOS
(Szecowka, 2010) FPGA Extracción de características
FFT
(Gora, 2009) FPGA Clasificación FFT punto flotante
(Glette, 2008) FPGA Clasificación ECGP
(Sueaseenak, 2009) pSOC Adquisición ICA
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(Mahaphonchaikul, 2010)
pSOC Extracción de características
WT
(Chanwimalueang, 2008 )
pSOC Clasificación ICA
(Fuchs, 2002) ASIC Adquisición Señales mixtas
(Yazicioglu, 2009) ASIC Adquisición Estabilización
(Pinwei, 2010) CI discretos Adquisición CI UAF42
(Hao, 2010) CI discretos Filtrado y amplificación CI UAF, INA
3. OBTENCION PRELIMINAR DE MEDICIONES DE SEÑALES EMG
Como primer acercamiento, se adquirió el sensor comercial “Muscle Sensor v3.0” de Advancer Technologies. Este equipo es un sensor de señales EMG con electrodos superficiales. Cuenta con tres electrodos que son colocados para capturar la actividad muscular del músculo bíceps. Uno de ellos es la referencia y es colocado en la muñeca, mientras que los otros dos electrodos son colocados en el músculo bíceps con una distancia inter electrodo de 20mm. Ambos electrodos captarán la actividad eléctrica del músculo al hacer flexión y el sensor brinda una señal de voltaje diferencial proporcional a la diferencia de voltajes captados por ambos electrodos.
El sensor comercial cuenta con una ajuste de ganancia para la modificación del
voltaje diferencial entre electrodos. Las gráficas mostradas en las figuras 2 y 3 muestran conjuntos de 1000 muestras tomadas a una frecuencia de muestreo de 100 muestras por segundo, con ganancias de 4760 y 20700.
Figura 2. Señal EMG cruda, Ts=10ms, Ganancia=4760.
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Figura 3. Señal EMG cruda, Ts=10ms, Ganancia=20700.
Estos resultados preliminares de adquisición de señales EMG nos brindarán la posibilidad inmediata de explorar técnicas de filtrado de ruido tanto por Hardware como por software, así como trabajo a mediano plazo para la exploración de técnicas de clasificación o extracción de características.
4. CONCLUSIONES
Este trabajo describe de manera general las etapas para la obtención y procesamiento de señales biológicas tipo EMG. Se una revisión de bibliografía para observar las tendencias tanto en técnicas de procesamiento y su implementación en Hardware. Es importante observar cómo ha evolucionado la manera de procesar datos, desde métodos simples de filtrado o discriminación de información no útil hasta técnicas basadas en inteligencia artificial, como lo son las redes neuronales artificiales. En cuanto a la implementación, observamos la marcada tendencia a dispositivos digitales programables FPGA y sistemas embebidos de la familia pSOC. La selección del hardware donde se implementará un sistema de adquisición y procesamiento de señales EMG dependerá en gran medida del procesamiento a realizar, ya que procesos complejos o extensos exigirán mayores recursos de procesamiento, necesidad de exactitud de las mediciones y portabilidad entre otros. Como trabajo a futuro se espera continuar con la adquisición de datos crudos para la elección correcta de las etapas de filtrado, amplificación y procesamiento necesarios para la elaboración de un prototipo funcional para la obtención y procesamiento de señales EMG. Es también necesaria la incursión de técnicas novedosas como las descritas en este artículo y que se han venido desarrollando en los últimos años en universidades alrededor del mundo, como lo son análisis de onduletas, redes neuronales artificiales y análisis de componentes principales o
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independientes. Se espera involucrar a alumnos de la carrera de Ingeniería en Mecatrónica de la Universidad de Chihuahua para brindar una formación sólida y gusto por la investigación aplicada.
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Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
141
ANTROPOLOGÍA Y SOCIOLOGÍA AERONÁUTICAS, NUEVAS
INTERDISCIPLINAS PARA LOS DESARROLLOS TÉCNICO-TECNOLÓGICO Y
SOCIO-CULTURAL DEL TRANSPORTE AÉREO
PONENCIA PROPUESTA PARA EL “7o CONGRESO INTERNACIONAL DE
INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA MULTIDISCIPLINARIA ICM 2015”, QUE SE
REALIZARÁ EN EL INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES
DE MONTERREY CAMPUS CHIHUAHUA EL 13 DE NOVIEMBRE DE 2015
LUIS JAVIER RAMÍREZ SANTOYO
ÁREA TEMÁTICA: AERONÁUTICA Y/O AEROESPACIAL
FACULTAD DE FILOSOFÍA Y LETRAS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA
CHIHUAHUA, CHIH.
CHIHUAHUA, CHIH. MÉXICO 13 DE NOVIEMBRE DE 2015
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
142
Autor de la Ponencia:
Luis Javier Ramírez Santoyo
Afiliación institucional:
Director de la Facultad de Filosofía y Letras de la Universidad Autónoma de Chihuahua
desde noviembre de 2006 a octubre de 2010.
Subdirector de Docencia de la Escuela de Antropología e Historia del Norte de México del
INAH en Chihuahua, desde febrero de 2012 a febrero de 2013
Subdirector de Investigación de la Escuela de Antropología e Historia del Norte de México
del INAH en Chihuahua, desde diciembre de 2010 a enero de 2012
Director de la Facultad de Filosofía y Letras de la Universidad Autónoma de Chihuahua
desde noviembre de 2006 a octubre de 2010.
Secretario de Extensión y Difusión de la Facultad de Filosofía y Letras de la Universidad
Autónoma de Chihuahua desde noviembre de 2002 a octubre de 2006.
Catedrático e Investigador de la Escuela de Antropología e Historia del Norte de México en
Chihuahua del 2002 al 2005 y de diciembre de 2010 a la fecha.
Catedrático e Investigador en la Facultad de Filosofía y Letras de la Universidad Autónoma
de Chihuahua en Licenciaturas y Posgrados en las asignaturas de Análisis del Discurso,
Semiótica, Lingüística Teórica, Lingüística Descriptiva, Lingüística Aplicada, Fonética y
Fonología, Teoría Literaria, Literatura Española, Teoría Social, Sociología Educativa y
Planeación Educativa desde septiembre de 1993 a la fecha.
Correo electrónico:
Título de la Ponencia:
Antropología y sociología aeronáuticas, nuevas interdisciplinas para los desarrollos
técnico-tecnológico y socio-cultural del transporte aéreo
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
143
ABSTRACT
La ponencia consiste en el propósito de inic iar un proceso investigativo para
la consti tución, a nivel mundial, de dos interdisciplinas, basadas en enfoques
de participación dialéctica desde la Antropología Social y Cultural aplicados
a los hechos humanos que constituyen objetos empíricos en el mund o
aeronáutico, más conocido como la “aviación”.
Propongo el inicio de estas interdisciplinas ya que la importancia de la
actividad aeronáutica en el mundo moderna paulatinamente ha aumentado a
lo largo del siglo XX y lo que ha transcurrido el siglo XXI. L a trascendencis
de este medio lo podemos detectar en toda actividad humana: la economía, el
turismo, la educación, las actividades sociales, políticas, deportivas, entre
otras muchas más. La propuesta incluye el esbozo de un protocolo de
investigación para la conformación de las interdisciplinas.
Palabras clave: Antropología Aeronáutica, Sociología Aeronáutica, Interdisciplina,
Desarrollo técnico-tecnológico aeronáutico, Desarrollo sociocultural aeronáutico.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
144
PONENCIA
Presentación de la nueva interdisciplina
El mundo aeronáutico, o comúnmente denominado: la Aviación, fascina tanto
a quienes se dedican a su operación, en el ámbito profesional, como al público
usuario de los servicios aeronáuticos; asimismo, a aquéllos que practican el
vuelo como medio de entretenimiento o de transporte personal.
Esta subyugación surge y se mantiene por sus inusuales características poco
relacionadas con la mayoría de las diversas actividades humanas de la
cotidianeidad.
La Teoría Social como dimensión epistemológ ica que posee campos
cognitivos como la Antropología Social y Cultural, la Sociología y la
Psicología Social, entre otros; a lo largo del siglo XX, y lo que va del XXI,
ha convertido objetos empíricos en objetos de estudios de toda actividad
humana, principalmente aquéllas que tienen gran alcance masivo y que
trascienden a prácticas culturales que dan consistencia a los hechos humanos
y que, muchas ocasiones, sus viciamientos o deterioros provocados conducen
al mundo a situaciones de conflicto o de afectac ión a la vulnerabilidad
humana afectanto, principalmente, a los derechos humanos.
Sin embargo ni la Antropología Social y Cultural , ni la Sociología ha
dedicado gran atención a los hechos humanos que se suscitan en la actividad
aeronáutica. Siendo ésta de gran alcance mundial por su trascendencia como
transporte en un mundo moderno que debe su desarrollo en gran parte a su
colaboración dentro del concierto inter o multidicsiplinario.
De esta manera, mi propuesta fundamental consiste en el establecimiento de
una nueva disciplina de estudios sociales y culturales que tenga como objeto
empírico problematizado a la gran diversidad de hechos humanos que se
suscitan día con día, y las proyectadas a un futuro a mediano y largo plazo,
en el mundo aeronáutico.
La propuesta consiste en el establecimiento de dos interdisciplinas que
considerarían los estudios sociales y humanos requeridos en el transporte
aéreo que forma parte de la vida moderna y que permite el desarrollo humano
y social para las diversas actividades, tanto familiares como académicas,
comerciales y turísticas, entre otras.
Hasta este momento en del desarrollo de las ciencias sociales, la multi y
transdisciplinariedad no han sido totalmente aceptadas tanto por la sociología
como por la antropología cuyos respectivos enfoques se han mantenido
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
145
recelosamente separados; aunque la postura del suscrito propondría
preferentemente una sola disciplina transdiciplinaria, es decir una “teoría
social aeronáutica” con enfoques sociológico y anropológicos subsumidos e n
una interacción complementaria y conciliada desde una hermenéutica
analógica (jr: citar aquí la propuesta de mauricio beuchot). Sin embargo, el
suscrito está conciente que en este momento histórico resulta utópico lograr
tal vinculación disciplinar, y, por tanto, habría que iniciar con las dos
interdisciplinas propuestas; y en lo sucesivo, de manera paulatina, transitar
preferentemente al enfoque transdisciplinario
Se especifican, algunas potenciales aplicaciones de esta interdisciplina
propuesta, pero en realidad; de suscitarse el interés investigativo de
dependencias gubernamentales, empresariales, ONG’s y organimos
internacionales, pueden externderse o muchas aplicaciones. En esta ponencia,
presentaré dos casos particulares de algunas posibles aplicacio nes: 1) Manejo
de transporte aéreo regular y no regular por parte de los gobiernos federales, y 2) Prevención
de colisiones aéreas.
Objetos empíricos problematizados desde el paradigma de la nueva
interdisciplina e inicio de la construcción de objetos de estudio
Para fines de investigación en la conformación de esta nueva disciplina,
divido al mundo aeronáutico, como universo de investigación, en cuatro
grandes sectores humanos:
1. Personal técnico aeronáutico de vuelo
2. Personal técnico aeronáutico de tierra
3. Personal de apoyo en los diversos servicios directos e indirectos de la
actividad aeronáutica
4. Pasajeros del transporte aéreo regular y no regular, así como los
beneficiarios indirectos de esta actividad
Este recorte de universo social considerado en los re cortes espaciales y
temporales nos pueden dar los elementos fundamentales para conformar
diversos objetos empíricos que, al vincularlos que diversas condiciones de
operación y de servicio nos traslandan a la consitución de objetos empíricos
problematizados
Determinación de un objeto empírico general para que de él surjan objetos
empíricos específicos problematizados producto de acc iones investigativas
sociológicas y antropológicas; y, de esta manera, los investigadores
interesados formulen propuestas teórico -metodológicas que den explicación
y/o comprensión a los hechos humanos estudiados en el mundo aeronáutico.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
146
Una vez determinados los objetos empíricos problematizados, se podrán
construir los objetos de estudio con la participación de diversas teorías
sociales de esta nueva interdisciplina que nos ayudarán a la explicación y/o
comprensión de dichos objetos empíricos.
1. Hipótesis – Categorías de Análisis - Preguntas/Respuestas de
investigación
Como todo proyecto o protocolo de investigación, se requiere establecer
preguntas y respuestas de investigación, categorizadas por bloques de
categorías de análisis; de algunas de las posib les aplicaciones sugeridas de
la nueva disciplina teórico -social de la aeronáutica ó aviación.
Asimismo, para efectuar dichos bloques de preguntas de investigación, con
sus correspondientes respuestas (o hipótesis parciales) es preciso plantear 1
ó 2 hipótesis de investigación en base a preguntas y respuestas de
investigación organizadas en bloques de acuerdo a categorías a las siguientes
categorías de análsis:
1) Habilidades y destrezas en la operación de la aeronave
2) Capacitación
3) Responsabilidad Profesional
4) Comunicación y coordinación con otro personal aeronáutico de tierra o
vuelo
5) Seguridad nnnn
6) Vocación profesional
7) Sensibilidad social
8) Identidad sociocultural
2. Hipótesis generales. -
En el proceso de elaboración del protocolo o proyecto de investigación, se
establecerán hipótesis parciales por categoría de análisis; para que, en
conjunto, podamos determinar una o dos hipótesis generales, con las cuales
podamos guiar el proceso investigativo.
3. Relación de algunos casos (entre otros muchos que surgirían como
propuestas investigativos de Sociólogos, Antropólogos u otros cientistas
sociales) como objetos de estudio y como posibles aplicaciones de la nueva
interdisciplina
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
147
3.1 Manejo de transporte aéreo regular y no regular por parte de los gobiernos federales
3.2 Prevención de colisiones o acercamientos peligrosos entre aeronaves
3.3 Discriminación mundial para ocupación laboral como tripulantes de
aeronaves comerciales a miembros de diversas etnias y a las mujeres
en varias partes del mundo
3.4 Drogadicción y alcoholismo en tripulantes de líneas aéreas y otros
niveles de la aviación
3.5 Aterrizaje/despegue vertical por las siguientes razones:1) Evitar
excesivas demoras provocadas por las secuencias de aproximación y de
despegue con la modalidad longitudinal actual. 2) Ayudaría a la elusión
de condiciones meteorológicas adversas y de la localización de mejores
condiciones de tiempo, tanto para el aterrizaje como para el despegue
3.6 Maletas extraviadas de pasajeros de líneas aéreas en los aeropuertos
3.7 Conflictos en las relaciones de coordinación y comunicación del
personal de cabina en vuelo en situaciones de emergencia o condiciones
de mal tiempo
4. Presentación de dos de los siete posibles objetos de estudio del punto
anterior, a manera de ejemplo
Dos casos de aplicación de dos nuevas interdisciplinas: Antropología y Sociología
Aeronáuticas en el Desarrollo Técnico-tecnológico y en el Desarrollo Socio-cultural:
1) Propuesta para implementar la explotación de empresas de transporte aéreo regular
por parte de los gobiernos federales.
2) Prevención de colisiones aéreas. Caso del accidente del Lear Jet 45 en la Cd. de
México el 4 de noviembre de 2008 en el que viajaba el Secretario de Gobernación, Juan
Camilo Muriño.
[ESTOS 2 ITEM’S ESTÁN REPETIDOS, CON VARIANTES DE
REDACCIÓN, EN EL APARTADO 7]
Caso 1: Explotación del transporte aéreo regular y no regular por los
gobiernos federales o centrales de los países contratantes de la OACI 43
Descripción a la audiencia de la ponencia, a través de presentación en Power
Point, de la incoveniencia de que particulares manejen el transporte aéreo
regular y no regular por el al to costo de la operación aeronáutica que
invariablemente, a nivel mundial, l legan a la quiebra económica
43 OACI: Organización de Aviación Civil Internacional.- Sede mundial en Montreal, Canadá.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
148
Caso 2: Caso del accidente del Lear Jet 45 en la Cd. de México el 4 de noviembre de 2008
en el que viajaba el Secretario de Gobernación, Juan Camilo Muriño.
Descripción a la audiencia de la ponencia, a través de presentación en Power
Point, de la serie de errores humanos y de sistemas aeronáuticos que
pudieron prevenirse con una mejor planeación y operación de dichos
sistemas en este accidente aeronáutico en este caso en el que estuvieron
involucradas las siguientes dos aeronaves:
Lear Jet 45 Peso máximo al despegue: 9 750 kg (21 489 lb
Boeing 767-300 Peso máximo al despegue: 158.760 kg
Antes de iniciar el procedimiento de aproximación a la pista 05 derecha del Aeropuerto
Internacional de la Ciudad de México, el piloto del Learjet 45, no redujo la velocidad de su
aeronave a 180 nudos, como se lo instruyó el controlador de tránsito aéreo.
Pese a que el piloto confirmó la instrucción de reducir su velocidad, nunca la cumplió.
La tripulación fue instruida a reducir la velocidad a 180 nudos antes de cruzar la radio-
facilidad conocida como VOR San Mateo, pero el avión se mantuvo arriba de los 250 nudos,
muy alta para el corredor aéreo.
La alta velocidad que registró el Lear jet, ocasionó que se acercara peligrosamente a un
Boeing 767-300 de Mexicana, procedente de Buenos Aires, que iba por delante de la
aeronave oficial y se alistaba también a aterrizar en la pista 05 derecha antes que el avión
de la Secretaría de Gobernación.
La gran diferencia de pesos y la cercanía entre las aeronaves provoco que el Lear Jet 45,
aeronave ligera, quedara en la zona de afectación de turbulencia severa provocada por
turborreactor pesado, en este caso el Boeing 767-300 de Mexicana de Aviación.
Todo esto provocado por errores humanos, tanto del piloto de la aeronave Lear Jet 45 como
por la falta, principalmente, de prevención de colisión o acercamiento de aeronaves que
debe mantener el controlador de tránsito aéreo que, a través de radiocomunicación y control
radar, debió haber evitado este acercamiento peligroso entre tales turborreactores, que
finalmente derivó en el accidente del Lear Jet que provocó un gran desastre, tanto de la
misma aeronaves como con vehículos terrestres y seres humanos que estaban en tierra en
las inmediaciones del Periférico, a la altura de la Fuente de Petróleos en la Ciudad de Méxic
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
149
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Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
151
Compuestos de PET reciclado/nanopartículas
Iván Alziri Estrada-Moreno*, Mónica Elvira Mendoza-Duarte, Erika Ivonne López-
Martínez, Evis Karina Penott-Chang, Alejandro Vega-Ríos, Sergio Gabriel Flores-
Gallardo
Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. Chihuahua, Chihuahua 31109, México.
Miguel de Cervantes 120 Chihuahua, Chih., México
*Autor de correspondencia.
Correo electrónico: [email protected]
Resumen
En este trabajo se obtuvieron compuestos de poli(etilen tereftalato) reciclado (rPET) con
diferentes partículas de cargas inorgánicas. Mediante reometría en fundido y análisis
dinámico mecánico se registró el efecto de reforzamiento sobre el rPET. Se considera que las
cargas de SiO2 y CaCO3 como viables de emplear en este compuesto por los resultados
obtenidos, disponibilidad y costo.
Palabras clave: PET, nanopartículas
1. Introducción
El principal uso del PET ha sido la fabricación de botellas de refrescos debido a sus
inigualables propiedades funcionales en la botella como son sus propiedades de barrera a
gases y su buena resistencia específica, pesando menos de la décima parte que una botella de
vidrio y resultando más difícil de romperse. Su crecimiento a nivel mundial para el periodo
2010-2015 ha sido de 5.7% anual. En el 2013 la demanda en México de PET fue de más de
710 mil toneladas (Ecoce, 2013). En ese mismo año se reciclaron 428 mil toneladas, es decir
el 60.3%, siendo el país que más recicla en el continente americano. El PET es uno de los
plásticos más reciclado y se emplea para fabricar principalmente fibras textiles, fibras para
alfombras, láminas y botellas de grado alimenticio (Petecore, 2015). A pesar de la gran
cantidad de PET que se recicla, aún queda una cantidad importante que se dispone en rellenos
sanitarios o que terminan contaminando el medio ambiente urbano y rural.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
152
Una de las opciones empleadas actualmente para conseguir una buena relación entre
rentabilidad y funcionalidad en la fabricación de productos de PET, es la formulación entre
PET virgen (vPET) y rPET a concentraciones según el resultado buscado. Una mayor
cantidad de PET mejora las propiedades pero también lo hace más caro. Otra opción es la
formulación con nanopartículas y el polímero reciclado. Donde en lugar de comprar un
polímero virgen, se puede agregar una pequeña cantidad de nanopartículas para intentar
mantener o mejorar las propiedades del material virgen.
Uno de los métodos más empleado para la obtención de nanocompuestos es el mezclado en
fundido. Mediante este proceso al polímero fundido se le agregan las nanopartículas, para
que interactúen físicamente (Duquesne y col., 2003). Los materiales nanocompuestos aún a
bajas concentraciones de carga, son interesantes en términos del mejoramiento de
propiedades mecánicas, reológicas, de barrera a gases y estabilidad dimensional (Lei y col.,
2005). Por ejemplo, en el sistema PET/nanoarcillas Kracalík y col. (2007) encontraron que
la formación de una red física que conduce a un significante mejoramiento en el
procesamiento y propiedades de utilidad. El estado de dispersión de las nanopartículas en el
polímero por mezclado en fundido depende sobre las fuerzas del esfuerzo cortante,
viscosidad, y el tratamiento superficial de la partícula.
De manera que es importante continuar con el estudio de materiales a partir del rPET que
permita su reutilización en nuevos materiales con propiedades físicas (reológicas, mecánicas
y de barrera a gases) similares a la resina virgen.
2. Experimental
2.1. Materiales
El polímero empleado en este trabajo fue PET reciclado de botellas recolectadas de refresco
transparente (rPET) con una densidad de 1.3 g/cm3, así como PET virgen (vPET) Cleartuf®
Max de la marca M&G Polímeros México, S.A. de C.V. a emplearse como referencia. Como
partículas de refuerzo se utilizaron carbonato de calcio (CaCO3), la nanoarcilla (C10A), de
Southern Clay, dióxido de silicio (SiO2) Pirosil PS 200 de Glassven y óxido de aluminio
(AL2O3) Alu C, de Evonik.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
153
El rPET se puso a secar a 120 °C por 12 h antes de realizar la mezcla. Se empleó una cámara
de mezclado interno, Brabender Plasticorder. Primero, a una temperatura de 270 °C, se llevó
el rPET al estado fundido. Una vez logrado esto se adicionaron las partículas y se continuó
el mezclado por 3.5 min. a una velocidad de 100 r.p.m. Después del mezclado se utilizó una
prensa hidráulica, marca Carver (4122), a 280 °C para realizar películas de los diferentes
compuestos obtenidos.
2.2. Caracterización
La viscosidad de las muestra se caracterizó mediante un reómetro Anton Paar modelo MCR
501, utilizando una geometría de cilindros concéntricos a una temperatura de 265 °C. El
análisis dinámico mecánico se realizó en el DMA modelo RSAIII de TA Instruments en el
modo tensión. Para el barrido de deformación se utilizó una frecuencia de 1 hz a 25 °C.
3. Resultados y discusión
Los resultados obtenidos se han dividido en: efecto que tiene el procesamiento sobre el rPET
y la manera en la que inciden las nanopartículas en el rPET tanto en su viscosidad como en
su rigidez mecánica.
3.1 Efecto del procesamiento
El empleo del mezclado por fundido en el proceso de reciclado de polímeros presenta como
ventajas ser un método simple y que requiere poca inversión, pero con la desventaja de la
reducción del peso molecular del polímero. Una forma indirecta y sencilla de medir el peso
molecular es por medio de su viscosidad a baja velocidad de corte, siendo una medida
indirecta del peso molecular que presenta. En la Figura 1 se presenta las mediciones de
viscosidad al vPET, al rPET y el resultado de procesar al rPET en tres ocasiones. La muestra
que mayor viscosidad presenta es la del vPET, esto debido a que no ha sido sometido a
ninguna degradación y preserva sus cadenas moleculares intactas. De esta manera, una mayor
viscosidad se relaciona con un mayor peso molecular. También se observa que la muestra de
rPET, llamada 1er procesamiento, que ha sido procesada para obtener la botella, presenta una
menor viscosidad, entre otros factores debido a la degradación hidrolítica y térmica (Seo,
1991) que se puede presentar durante su procesamiento.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
154
Figura 1. Viscosidad contra velocidad de corte en función del efecto del procesamiento en
muestras de PET (265 °C).
El rPET se reprocesó en la cámara de mezclado con el procedimiento de mezclado
anteriormente descrito, para obtener la muestra: 2º procesamiento. Así se continuó hasta
obtener la muestra del 3er y 4º procesamiento. En la Figura 1 se observa una diminución en
la viscosidad a medida que el material se reprocesa. A medida que el material se reutilice se
contará con una menor peso molecular, lo que impacta en las propiedades mecánicas del
producto fabricado. En la Figura 2 se muestran los resultados del módulo elástico de para
vPET, rPET y el segundo procesamiento. Mostrando mayor rigidez el vPET que los PET
reprocesados en un pequeño margen. Una propiedad que se ve deteriorada considerablemente
conforme se reprocesa el material es la óptica, siendo el material más opaco y amarillo.
1E-3 0.01 0.1 1 10 100 100010
0
101
102
103
PET.virgen
1.procesamiento
2.procesamiento
3.procesamiento
4.procesamiento
(P
a.s
)
(s-1
)
.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
155
Figure 2. Módulo elástico en muestras de PET.
3.2 Efecto de las nanopartículas
Como se observó, el reprocesamiento causa una reducción en la viscosidad lo que ha sido el
objetivo de diversos trabajos de investigación para recuperar o mantener el peso molecular
del PET o sus propiedades. Si bien la adición de nanopartículas no puede aumentar el peso
molecular del PET sí puede, por las interacciones que se pueden dar, mejorar las propiedades
físicas del compuesto final, que pueden ser similares al del PET virgen.
En la Figura 3 se muestra el comportamiento de la viscosidad en función de la velocidad de
corte para los nanocompuestos. Todos presentan un comportamiento pseudoplástico, al
adelgazarse por acción de la velocidad de corte alrededor a partir de los 80 s-1. Se puede
observar que a baja velocidad de corte las muestras aumentan la viscosidad de la muestra
“referencia”, que es la muestra de PET más reprocesado: 4to procesamiento. La
concentración para cada una de las cargas es del 3% p/p. Dependiendo de cada tipo de
partícula puede haber una contribución a este aumento, la más sencilla es la interacción
hidrodinámica que se da al agregar partículas en la matriz. Vemos que las partículas de
carbonato de calcio y arcilla tienen una menor contribución en la viscosidad. Por otra parte,
al presentar una gran área superficial llegan a interactuar con las cadenas poliméricas de
manera que pueden ocluirse en las mismas partículas (Kim, 2009). Esto puede suceder con
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
1x109
2x109
3x109
4x109
E´,
Pa
, %
PET.virgen
rPET
2.procesamiento
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
156
las cargas de óxido de silicio y óxido de aluminio ya que las presentaciones son nanométricas.
La contribución de las partículas en el comportamiento mecánico se observa en la Figura 4,
en función del módulo elástico. Se presenta una mejora en la rigidez del rPET al incorporar
las partículas para cada compuesto. Aunque en el caso de la arcilla C10A no existe ningún
efecto. Esta arcilla presenta una temperatura de inicio de degradación de 224 °C (Kracalik,
2007), de manera que, a la temperatura de procesamiento una parte se ha descompuesto y no
llega a reforzar mecánicamente a la matriz. Nuevamente, además, de estas dos propiedades
se tiene que considerar la apariencia final del producto. La adición de estas partículas influye
en la transparencia del nanocompuesto que dependiendo del tipo de producto eso puede ser
o no una restricción para su empleo.
Por otra parte, considerando que el empleo de rPET, además de contribuir a cuidado del
medio ambiente, es para tener un beneficio económico, el uso de partículas con menor precio
es deseable. De entre estas cargas el orden de costos es, de mayor a menor: C10A > Al2O3
> SiO2 > CaCO3. Casi de forma similar, en orden contrario, del CaCO3 hacia la C10A, la
disponibilidad de compra en el mercado es más fácil.
Figura 3. Viscosidad contra velocidad de corte en función del tipo de carga inorgánica (3%
p/p) en nanocompuestos de rPET (265 °C).
0.01 0.1 1 10 100 100010
1
102
Referencia
Alumina
C10A
Carbonato de Calcio
Silica
(P
a.s
)
(s-1
)
.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
157
Figura 4. Módulo elástico de nanocompuestos de rPET/cargas inorgánicas al 3%.
4. Conclusiones
El empleo de PET reciclado es necesario no sólo para evitar la contaminación del medio
ambiente, disminuir la dependencia de insumos del petróleo sino para emplear un material
que presenta aún buenas propiedades físicas. Aunque su reúso continuo puede ser un
problema para la tecnología de procesamiento por fundido ya que su peso molecular se
disminuye, la adición de nanopartículas como el óxido de silicio (SiO2) y el carbonato de
calcio (CaCO3) aumentan su propiedades aún en concentraciones tan bajas como el 3 % en
peso.
Bibliografía
-ECOCE. Informe de la asociación civil ECOCE. Disponible en:
http://www.ecoce.mx/files/Informe-Ecoce-DoceAniversario.pdf; 2014
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.121.0x10
9
1.5x109
2.0x109
2.5x109
3.0x109
E´,
Pa
, %
Referencia
Alumina
C10A
Carbonato de Calcio
Silica
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
158
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Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
159
ANALISIS DE FALLA DE CARCAZA DE TRANSMISION AUTOMOTRIZ CON
FUGA DE ACEITE.
M.A. Neri Flores (1), A. Martínez-Villafañe (1) y C. Carreño Gallardo (1)
(1) Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.,
Miguel de Cervantes # 120, Complejo Industrial Chihuahua, C.P. 31109, Chihuahua, México.
E-mail: [email protected]
RESUMEN Una carcaza de transmision automotriz presento una fuga de aceite cuando se encontraba
en funcionamiento. Esta parte fue fabricada con una aleación de aluminio A 380 mediante
fundición a presión, y un posterior proceso de maquinado y tratamiento térmico. La fuga se
localizó por medio de la técnica de líquidos penetrantes, en una sección de pared delgada
formando un ángulo agudo con otras secciones de pared delgada. Una vez localizada la
fuga se secciono la pieza en la zona de la fuga, para observar defectos internos que
contribuyeran a la fuga de aceite, utilizando las técnicas de microscopia óptica, y
microscopia electrónica de barrido, para observar la microestructura de la aleación A380.
Se observó la presencia de poros en el interior de la pieza al realizar cortes transversales
cercanos a la fuga. Se determinó que la fuga de aceite fue causada por la presencia de
micro porosidades localizadas entre los brazos de las dendritas, y por la presencia de
macro porosidades en el interior de la pieza, conectadas entre sí, permitiendo que el aceite
atravesara por todo el espesor de la pieza, hasta llegar a la superficie externa de la misma.
Introducción
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
160
Las aleaciones eutécticas y cercanas al eutéctico de Al-Si son utilizadas extensivamente
en la industria de la fundición debido a su alta relación de peso-resistencia, excelente
resistencia a la abrasión y corrosión, y bajo coeficiente de expansión térmica (1-4). Estas
propiedades contribuyen a la aplicación de las aleaciones Al-Si en la industria automotriz,
especialmente para bloques de cilindros, cabezas de cilindros, pistones y válvulas (5).
Las aleaciones en base Al-Si son usualmente utilizadas en diferentes procesos de
fundición. Entre todas las tecnologías de fusión, la fundición a alta presión, HPDC por sus
siglas en Ingles, es la más ampliamente utilizada en los procesos de producción de
componentes automotrices. Es la aleación con el proceso más efectivo en cuanto a costos
que produce partes con geometría compleja y dimensiones exactas, así como un buen
acabado superficial (6-7). Sin embargo las piezas fabricadas por el proceso HPDC,
generalmente sufren de porosidades que resultan del atrapamiento de gases, y del
encogimiento por solidificación, el cual junto con los defectos causados por el contenido de
inclusiones en la aleación fundida (8-10), han limitado tradicionalmente el scope para la
reducción de pesos en estas aleaciones fundidas. Por lo anterior se están haciendo
considerables esfuerzos para minimizar estos problemas, introduciendo rutas más
avanzadas de formado como el reo-formado y el tixo-formado (11-13).
En el presente trabajo se realizó el análisis de falla de una pieza automotriz fabricada con
la aleación de aluminio A380, para determinar las causas de la fuga de aceite en la pieza.
Desarrollo experimental
Se identificó la zona de la pieza automotriz, en donde se detectó la fuga de aceite por medio
de líquidos penetrantes. En la Fotografía # 1 se muestra la zona donde se localizó la fuga
de aceite por medio de la técnica de líquidos penetrantes de color rojo.
Posteriormente se secciono la pieza para obtener las probetas, (Fotografía # 2) y se
prepararon metalográficamente para analizarlas por medio de estereoscopia, y microscopia
óptica.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
161
Figura # 1.- Pieza automotriz mostrando la zona de la fuga de aceite, detectada por medio de la técnica de líquidos penetrantes.
Figura # 2.- Pieza automotriz seccionada mostrando la zona de la fuga de aceite, detectada por medio de la técnica de líquidos penetrantes.
Fuga
Fuga
k
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
162
Análisis por estereoscopia
En estereoscopia se observaron los poros de mayor tamaño, y se midieron sus dimensiones
a diferentes aumentos, a bajos aumentos se determinó la ubicación de los poros en las
muestras registrando evidencia fotográfica de los mismos.
A mayores aumentos se observaron los poros individuales, para medir su tamaño con
mayor exactitud.
Análisis por microscopía óptica
Las muestras se prepararon metalograficamente realizando el corte en la zona de la fuga,
se desbasto con lijas de grados 100, 220, 320, 400, 600 y 1000, posteriormente se pulió
con una solución de alúmina de1 micra para el pulido grueso, y para el pulido final se utilizó
una suspensión de silica-coloidal de 0.04 micras.
Se atacó químicamente con el reactivo de Keller para revelar la microestructura, y poder
observar el tamaño de las dendritas secundarias (DAS por sus siglas en Ingles) en la zona
de la fuga. También se analizaron los micro-poros de la microestructura por medio de
microscopía óptica, localizándolos en las zonas interdendriticas.
Se analizaron las fases presentes en la microestructura y la distribución de ellas, así como
la ubicación de los poros dentro de la misma.
Resultados y discusión
La zona de la fuga de aceite se determinó que estaba localizada en la sección de pared
delgada, observada en la Fotografía # 1, justo en la intersección con otras dos secciones
de pared delgada dentro de la pieza.
Análisis por estereoscopia
En la Figura # 3 se muestra la seccion transversal de la pieza de aleacion de Aluminio A380,
mostrando un poro interno dentro del recuadro rojo, despues del primer desbaste grueso.
La segunda Fotografia muestra el mismo poro visto a mayores aumentos.
En la Figura # 4 se muestra la misma sección transversal de la Figura # 3, pero ahora
desbastada a una mayor profundidad en la pieza, observándose otros poros de menor
tamaño, comparados con el poro de la Figura # 3, los cuales van desde 0.49 mm hasta 0.92
mm de longitud.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
163
Figura # 3.- Seccion de la pieza de aleacion de Aluminio A380, mostrando un poro interno dentro del recuadro rojo, despues del primer desbaste grueso. La segunda Fotografia muestra el mismo poro, visto a mayores aumentos, (50X).
Figura # 4.- Seccion de la pieza de aleacion de Aluminio A380, mostrando varios
poros de menor tamaño, despues del segundo desbaste grueso. La segunda
Fotografia muestra los mismos poros, vistos a mayores aumentos, (20X).
Análisis por microscopía óptica, medición del (DAS)
Poro
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
164
Figura # 5.- Espaciado de las dendritas secundarias (DAS) en la microestructura de
la pieza automotriz fundida a presion, el valor promedio del DAS medido fue de 12.96
(µm) (200X).
Análisis por microscopía óptica, porosidad y microestructura
Figura # 6.- Microestructura de la aleacion de aluminio A380 mostrando una matriz
de fase α, con poros interdendriticos, (500X).
Características Mediciones DAS (µm)
1 L1 Longitud 13.16615
2 L2 Longitud 16.36455
3 L3 Longitud 15.02732
4 L4 Longitud 9.966116
5 L5 Longitud 10.28993
Valor
promedio 12.96281
Poros
Interdendriticos
13.16615
16.36455
15.02732
9.966116 10.28993
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
165
Figura # 7.- Microestructura de la aleacion de aluminio A380 mostrando una matriz
de fase α, con microporos alrededor de un poro central de mayor tamaño, (500X
Fgura # 8.- Microestructura de la pieza automotriz mostrando poros de diferentes
formas y tamaños, conectados entre si.
Micropoross
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
166
En el interior de la pieza fundida se encontraron poros de diferentes formas y tamaños, los
cuales estaban interconectados entre sí, en la Figura # 6 se muestra que hay poros
pequeños localizados en la zona interdendritica de la microestructura, los cuales se forman
entre los brazos de las dendritas que van solidificando. En la Figura # 7 se muestran micro-
poros agrupados alrededor de un poro central de mayor tamaño, localizado entre la fase
frágil de aluminio-silicio. En la Figura # 8 se muestran poros de mayor tamaño comparados
con los poros de las Figuras # 6 y 7, ocasionados por los gases atrapados en el interior de
la matriz, los cuales están rodeados por poros de menor tamaño.
Conclusiones
La fuga de aceite en la pieza fue causada por la porosidad localzada en el interior
de la aleacion, como se muestra en la Figuras # 3 a 8. Los poros de dferentes
tamaños y formas estaban interconectados entre si, en el interior del material, como
lo muestra la Figura # 8.
El tamaño de los poros esta dentro del rango de 10 hasta 923 micras de longitud,
asi como de microporos cuyo tamaño es menor a las 10 micras, como se muestra
en la Figura # 7.
Las mediciones del espaciado de los brazos secundarios de las dendritas (DAS)
estan en el rango de 12 a 15 micras, como se muestra en la Figura # 5, estos valores
estan de acuerdo con los medidos por H. Murat Lus en piezas fundidas y coladas
por gravedad, para una aleacion de aluminio A380.
Agradecimientos Se agradece al CIMAV por el apoyo recibido para la presentación de este trabajo. Referencias
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Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
168
INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE LDPE EN LAS PROPIEDADES
REOLÓGICAS Y DE TENSIÓN SUPERFICAL EN MEZCLAS
LDPE/PIB
Erika Ivonne López Martínez, Karen Susana Arias Reyes, Iván Alziri Estrada
Moreno, Alejandro Vega Ríos, Sergio Gabriel Flores Gallardo,
Mónica Elvira Mendoza Duarte *
Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.
Ave. Miguel de Cervantes #120, Complejo Industrial Chihuahua.
ABSTRACT
Mezclas de Polietileno de Baja Densidad/Polisobutileno (LDPE/PIB) fueron preparadas en
una cámara de mezclado interno variando la concentración de cada uno de los componentes
en intervalos de composición de 10% en peso (10/90, 20/80,...90/10). El comportamiento
viscoelástico (viscosidad en fundido y la "fluencia-recuperación" (creep-recovery)) además
de la tensión superficial de las mezclas elaboradas se caracterizaron mediante Reometría
Rotacional, Análisis Mecánico Dinámico y mediciones de ángulo de contacto
respectivamente, para determinar el efecto que tiene la variación en peso de los componentes
LDPE y PIB en las propiedades de la mezcla.
Keywords: PIB, Creep, mezclas poliméricas, ángulo de contacto
INTRODUCCIÓN
La producción de materiales plásticos ha sufrido un aumento continuo y espectacular en los
últimos treinta años. Además del incremento cuantitativo en la demanda de lo que podríamos
denominar termoplásticos tradicionales (polietileno, poliestireno, poli(cloruro de vinilo),
polipropileno, etc.), las nuevas tecnologías en electrónica, telecomunicaciones, etc., y la
creciente preocupación por el reciclado de los materiales ha disparado la búsqueda de
polímeros con propiedades cada vez más específicas en condiciones de trabajo más extremas.
Debido a esto ha surgido la idea del desarrollo de nuevos materiales poliméricos a partir de
otros ya conocidos y comercializados [1].
El desarrollo de mezclas poliméricas posee gran relevancia en el mundo actual. Una mezcla
es la combinación de dos o más sustancias. El mezclado es una operación que tiene por objeto
aumentar la homogeneidad espacial [2], en el caso de los polímeros es una vía conveniente
para el desarrollo de nuevos materiales que combinan las excelentes propiedades de más de
un polímero existente. Esta estrategia es por lo general una ruta alternativa que otorga grandes
beneficios en costo y optimización de tiempo en comparación a la síntesis de nuevos
polímeros [3-9]. Una ventaja adicional de las mezclas de polímeros es que una amplia gama
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
169
de propiedades de los materiales está al alcance simplemente cambiando la composición de
mezcla, además abre la posibilidad de implementación del reciclado de plásticos de desecho
que implica realizar mezclas de dos o más polímeros con la adición de aditivos o tratamientos
alternos con el fin de formar materiales con propiedades razonables que puedan destinarse a
aplicaciones típicas, o bien extender su uso a nuevas aplicaciones [1].
Las mezclas se pueden clasificar en función de su procedimiento depreparación y su
miscibilidad. Las mezclas poliméricas comerciales son principalmente mecánicas y se realiza
con dos o más polímeros en estado fundido. Por lo general se lleva a cabo en máquinas de
procesamiento, tales como extrusoras de doble husillo o cámara de mezclado interno, que se
consideran equipos industriales [10-13].
Dentro de los materiales más utilizados industrialmente para la obtención de mezclas se
encuentran las poliolefinas que a menudo se combinan entre sí y con otros polímeros para
lograr una composición óptima de propiedades [14]. Un ejemplo es el polietileno (PE) que
se puede combinar con el polipropileno atáctico (PP), poliestireno (PS), copolímero estireno-
butadieno-estireno (SBS) y poli(isobutileno) (PIB) entre otros.[13]
Las mezclas denominadas “poliolefinas- basadas en elastómeros termoplásticos”, mejor
conocidas como “TPO” resultan de la combinación de una poliolefina semi-cristalina con
componentes elastoméricos amorfos y representan una importante familia de los materiales
de ingeniería. Productos elaborados con las TPOs cubren un amplio rango de propiedades
que esencialmente unen la brecha entre los elastomeros y los plásticos de ingeniería. La fase
termoplástica (poliolefina) permite que el material funda y sea moldeado, mientras que la
fase elastomérica contribuye dando tenacidad y elasticidad al material [15].
Diversos elastómeros tales como etileno - propileno (EPM), terpolímeros de etileno-
propileno dieno (EPDM), caucho de butilo (BR), poliisobutileno (PIB), de estireno-
butadieno (o copolímeros de bloque isopreno-estireno (SBS o SIS elastómeros) han sido
utilizados a lo largo de los años para mejorar la resistencia al impacto y la resistencia al
estrés de craqueo del medio ambiente a temperaturas normales y bajas del polietileno (PE) y
polipropileno isotáctico (iPP)[16].
Es esencial conocer el comportamiento viscoelástico de las mezclas poliméricas, no solo para
alcanzar las condiciones de procesamiento óptimas, sino también para obtener información
valiosa del mecanismo de flujo y su efecto las propiedades mecánicas de las mismas [3].
Es por esto que el presente trabajo pretende estudiar el comportamiento viscoelástico de la
mezcla de dos polímeros inmiscibles: LDPE y PIB y evaluar el efecto que tiene la variación
en peso de sus componentes en las propiedades de la mezcla.
EXPERIMENTACIÓN
Preparación de mezclas
Las mezclas estudiadas contienen Polietileno de Baja Densidad (LDPE) y Poli(isobutileno)
(PIB) y fueron elaboradas en fundido mediante una cámara de mezclado interno Brabender
a una temperatura de 180°C, 25 rpm, alabes tipo Roller y tiempo de mezclado de 7 minutos.
En la Tabla 1 se enlistan las mezclas elaboradas, indicándose los porcentajes en peso (%wt)
de cada uno de los polímeros empleados. El material obtenido fue moldeado por compresión
en una prensa Carver a 190°C, aplicando 1 tonelada fuerza. Se obtuvieron placas de 15 cm
X 15 cm X 6mm. Todas las mediciones se llevaron a cabo de muestras tomadas de las placas
moldeadas.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
170
Tabla 1. Mezclas elaboradas de LDPE/PIB
Mezcla % en peso de
LDPE (wt% LDPE)
% en peso de PIB
(wt% PIB)
1 0 100
2 10 90
3 20 80
4 30 70
5 40 60
6 50 50
7 60 40
8 70 30
9 80 20
10 90 10
11 100 0
Ángulo de contacto
Las mediciones de ángulo de contacto de las mezclas (LDPE/PIB) se realizaron en un equipo
FTA200 (First Ten Angstroms, Portsmouth, Virginia 23704, USA). El líquido empleado para
las mediciones fue agua destilada. Las mediciones se realizaron sobre películas de 5 x 5 x
0.2 cm a temperatura ambiente y se realizaron 5 repeticiones en cada muestra.
Viscosidad
La determinación de la viscosidad de las mezclas elaboradas se llevó a cabo mediante un
barrido de velocidad de corte de 0.001 a100 s-1. El equipo utilizado fue un Reómetro
Rotacional marca Anton Paar modelo Physica MCR501 TrueGapTM, empleando una
geometría de platos paralelos y una temperatura de 210°C.
Análisis Dinámico Mecánico (Creep)
Se realizaron pruebas de cedencia en los compuestos en donde se aplica una carga constante
a la muestra y la deformación del material es monitoreada durante un tiempo determinado.
Estas pruebas se llevaron a cabo en un Analizador Mecánico Dinámico modelo RSA III de
la marca TA, Intruments en la modalidad de compresión en platos paralelos. Las pruebas se
realizaron a una temperatura de 60°C y se aplicó una fuerza constante de 300 g durante 30
minutos.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
171
Resultados y Discusión
Tensión superficial
Cuando una gota de líquido es depositada en la superficie de un sólido, el angulo de contacto
líquido/sólido alcanza una condición de equilibrio y decimos que la gota de líquido se
encuentra en estado estático. Ya sea que moje o no la superficie esto dependerá de las
magnitudes relativas de las fuerzas moleculares que existen dentro del líquido (cohesivas) y
entre el líquido y el sólido (adhesivas) [17]. El ángulo formado por el líquido en el sólido se
denomina ángulo de contacto (θ) tal y como se muestra en la Figura 1.
El ángulo de contacto es empleado para caracterizar la mojabilidad de un líquido en una
superficie sólida. El intevalo posible de ángulo de contacto va de 0 a 180°. Cuando el ángulo
de contacto es igual a 0°, i.e., una película de líquido se forma sobre la superficie del sólido,
lo cual indica que ocurre un perfecto mojado. En el otro caso, cuando el ángulo de contacto
es igual a 180° se forma una esfera de líquido perfecta sobre la superficie lo cual está
relacionado con las energías superficiales de diferentes interfaces entre el líquido empleado
y las superfice sólida. [17]
Figura 1 Ángulo de contacto líquido-sólido
La variación del ángulo de contacto contra la composición de las mezclas se muestra en la
Figura 2. Se puede observar que al incrementar la cantidad de LDPE en las mezclas, el ángulo
de contacto se ve disminuido, tendiendo a registrar un comportamiento similar al LDPE. En
la Figura 3 y Figura 4 se muestran las fotografías de ángulo de contacto para las muestras
0/100 y 100/0.
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
172
Figura 2 Ángulo de contacto contra concentración de LDPE en los compuestos LDPE/PIB
0 10 20 30 40 50 60 70 90 100
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
LDPE (%)
Figura 3 Ángulo de contacto de la muestra 0/100
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
173
Viscosidad
Las mezclas inmiscibles combinan características de los polímeros constituyentes de manera
que dependen fuertemente de la microestructura que es formada durante el procesamiento.
Es por esto que el conocimiento de la morfología de la mezcla y su comportamiento reológico
es esencial [18].
En la Figura 5 se muestra la relación entre la viscosidad en fundido y la velocidad de corte
para las mezclas de LDPE/PIB a 210°C. En general, como puede observarse las mezclas en
el rango de 0 a 40% en peso del contenido de LDPE (0/100, 10/90, 20/80, 30/70 y 40/60)
exhiben un plateau newtoniano (región donde la viscosidad permanece constante aun y
cuando la velocidad de corte aumenta) para luego tener un comportamiento adelgazante
("shear thinning"). El plateau newtoniano se ve acortado al incrementar el contenido de PE.
En las mezclas con concentración de LDPE del 50% al 90% en peso (50/50, 60/40, 70/30,
80/20 y 90/10) solamente se presenta el comportamiento adelgazante o pseudoplástico. Para
el caso de la formulación 100/0 se presenta un comportamiento al flujo que se puede
considerar como newtoniano ya que los valores de viscosidad disminuyen muy poco
conforme aumenta la velocidad de corte. Además del cambio en el comportamiento al flujo
conforme se incrementa en el sistema LDPE/PIB el contenido del LDPE, la viscosidad tiende
a disminuir, indicando que la procesabilidad del PIB es extremadamente mejorada al
mezclarse con el LDPE. Esto gracias a que el LDPE cuenta con una muy baja viscosidad con
respecto al PIB. La diferencia de viscosidad que existe entre el LDPE y el PIB es de 3 órdenes
de magnitud. En la Tabla 2 se enlistan los valores de la viscosidad en fundido a 0.001 s-1 y
10 s-1.
Figura 4 Ángulo de contacto de la muestra 0/100
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
174
Tabla 2. Viscosidad en fundido de las mezclas elaboradas de PE/PIB
Mezclas de
LDPE/PIB
(wt%/wt%)
Viscosidad [Pa s]
a 0.001 s-1 Viscosidad [Pa s]
a 10 s-1
0/100 259,000 6,180
10/90 241,000 1,870
20/80 150,000 1,040
30/70 58,600 927
40/60 21,100 795
50/50 10,400 353
60/40 6,570 255
70/30 5,800 249
80/20 4,380 148
90/10 1,910 142
100/0 200 126
Figura 5. Curvas de viscosidad de las mezclas PE/PIB
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
175
Análisis Dinámico Mecánico
En la mayoría de los sistemas de mezclas como en este caso, las propiedades mecánicas
dependerán de la respuesta de la combinación de una fase hulosa (PIB) y una rígida (LDPE).
Los resultados de cedencia (creep) para mezclas LDPE/PIB se muestran en la Tabla 3. Se
observa que el valor máximo y el valor mínimo los experimentan formulaciones compuestas
por un solo material, es decir una sola fase, siendo estos valores de 40.78 % para la
formulación 0/100 (100% PIB) y de 2.83% para la formulación 100/0 (100% LDPE). Esto
nos indica que la naturaleza elastomérica del PIB permite que fluya con mayor facilidad
aunado a que la prueba se realizó a una temperatura (60°C) mayor a su temperatura de
transición vítrea (-70 °C), permitiendo que el material sea deformado en mayor proporción.
Por otro lado, la muestra 100/0 al estar compuesta únicamente por LDPE, posee una mayor
rigidez y por lo tanto ofrece una mayor resistencia a ser deformada. Con forme se incrementa
la cantidad de LDPE en las mezclas, su deformación máxima disminuye gradualmente, sin
embargo a partir de la formulación 30/70 se observa que la forma de las curvas de cedencia
son muy similares a la curva reportada por el LDPE, 100/0, lo cual indica que el carácter
rígido de este material supera a la capacidad de deformación del PIB por arriba de esta
concentración.
.
Figura 6 Curvas de cedencia de los compuestos LDPE/PIB
0 5 10 15 20 25 30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tiempo (s)
0/100
10/90
20/80
30/70
40/60
50/50
60/40
70/30
80/20
90/10
100/0
Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria
176
Tabla 3 Deformaciones máximas registradas en los compuestos LDPE/PIB
Muestra máx
0/100 40.78
10/90 34.38
20/80 25.52
30/70 9.39
40/60 8.13
50/50 7.86
60/40 5.89
70/30 7.87
80/20 3.28
90/10 2.81
100/0 2.83
Conclusiones
De acuerdo a los resultados obtenidos por las técnicas de caracterización antes mostradas se
encontró la procesabilidad del sistema LDPE/PIB es extremadamente mejorada al
incrementarse el contenido de LDPE debido a la disminución en viscosidad experimentada.
Con respecto a la capacidad de deformación de este sistema, el incrementar el contenido de
LDPE contribuye a mejorar su fluidez y por lo tanto su procesabilidad, sin embargo la rigidez
del mismo se verá incrementada.
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