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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SUBSISTEMA DE GENERACIÓN DE
MICROONDAS PARA EL EQUIPO SEMI-AUTOMÁTICO DE SÍNTESIS DE
PÉPTIDOS
JEFERSSON SNEIDER PULIDO CONDIA
AUTOR
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
BUCARAMANGA
2019
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SUBSISTEMA DE GENERACIÓN DE
MICROONDAS PARA EL EQUIPO SEMI-AUTOMÁTICO DE SÍNTESIS DE
PÉPTIDOS
JEFERSSON SNEIDER PULIDO CONDIA
Trabajo de Grado para optar al título de
Ingeniero Mecatrónico
DIRECTOR
CARLOS ARIZMENDI PhD
CODIRECTOR
SERGIO ANDRÉS ARDILA GÓMEZ MsC
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
BUCARAMANGA
2019
AGRADECIMIENTOS
Mediante este escrito quiero dedicar este trabajo primero que todo a Dios, mi
guía y fortaleza en tiempos difíciles, también por darme sabiduría e inteligencia
para culminar este proyecto.
A Carlos Arizmendi, Director y a Sergio Ardila, Codirector del proyecto de
grado, por brindarme la orientación y colaboración, además de las instalaciones
del laboratorio de oleo neumática para la realización del proyecto.
A mi familia quien ha creído en mí y me han apoyado siempre, a los Docentes
por brindarnos el conocimiento.
Y en general aquellas personas que de una u otra manera me ayudaron a
lograr la culminación de este sueño, ser Ingeniero Mecatrónico de la
Universidad Autónoma de Bucaramanga (UNAB).
Jefersson Sneider Pulido Condia.
CONTENIDO
1 Objetivos ..................................................................................................... 1
1.1 Objetivo general .................................................................................... 1
1.2 Objetivos especificos ............................................................................. 1
2 Planteamiento del problema y justificación ................................................. 2
3 Antecedentes .............................................................................................. 3
4 Estado del arte ............................................................................................ 5
5 Marco teórico .............................................................................................. 9
5.1 Aminoácidos .......................................................................................... 9
5.2 Elace peptidico .................................................................................... 10
5.3 peptidos ............................................................................................... 11
5.3.1 Longitud del péptido ..................................................................... 12
5.3.2 Síntesis de péptidos ..................................................................... 13
5.3.2.1 Proceso de síntesis de péptidos ............................................ 13
5.3.2.2 Estrategias de síntesis de péptidos ........................................ 14
5.3.2.3 Purificación de péptidos ......................................................... 14
5.4 Calor .................................................................................................... 15
5.5 Mecanismos de transferencia de calor ................................................ 16
5.5.1 Conducción ................................................................................... 16
5.5.2 Convección ................................................................................... 18
5.5.3 Radiación ...................................................................................... 19
5.5.3.1 Radiación térmica .................................................................. 20
5.5.3.2 Radiación ionizante ................................................................ 22
5.5.3.3 Radiación no ionizante ........................................................... 23
5.6 Formas de calentamiento convencionales .......................................... 24
5.6.1 Manta calefactora. ........................................................................ 24
5.6.2 Baño calefactor. ............................................................................ 25
5.6.3 Bloque de aluminio. ...................................................................... 25
5.7 Calentamiento por microondas ........................................................... 26
5.7.1 Interacción dipolar ........................................................................ 26
5.7.2 Conducción iónica ........................................................................ 27
5.7.3 Incremento de la velocidad de reacción ....................................... 28
5.8 Intercambiadres de calor ..................................................................... 29
5.8.1 Recuperación y Regeneración...................................................... 30
5.8.2 Procesos de transferencia. ........................................................... 30
5.8.3 Geometría de construcción. .......................................................... 31
5.8.3.1 Intercambiadores de calor tubulares. ..................................... 31
5.8.3.2 Intercambiadores de calor de placas. .................................... 32
5.8.3.3 Intercambiadores de superficie extendida. ............................. 32
5.8.4 Disposiciones de flujo. .................................................................. 32
5.8.5 Ecuaciones básicas. ..................................................................... 33
5.9 Estrategias de control .......................................................................... 34
5.9.1 Control on-off. ............................................................................... 35
5.9.2 Control proporcional. .................................................................... 35
5.9.3 Control integral. ............................................................................ 35
5.9.4 Control PID. .................................................................................. 36
5.9.5 Control predictivo. ......................................................................... 36
6 Análisis QFD ............................................................................................. 38
7 Diseño metodológico ................................................................................. 40
8 Cronograma de actividades ...................................................................... 44
9 resultados esperados ................................................................................ 45
10 Construcción .......................................................................................... 46
10.1 Adecuacion DEL horno microondas ................................................. 46
10.2 Esquema mecánico y electrónico .................................................... 48
10.3 Sistema de recirculación de agua .................................................... 50
10.4 Toma de datos ................................................................................. 53
10.5 activacion ......................................................................................... 56
10.6 control .............................................................................................. 57
10.6.1 Calibración del sensor ............................................................... 57
10.6.2 Programa de Arduino ................................................................ 60
10.7 Validación ........................................................................................ 62
Conclusiones y recomendaciones .................................................................... 68
11 Bibliografía ............................................................................................. 69
12 Anexos ................................................................................................... 73
TABLA DE FIGURAS
Figura 1. Posición del grupo amino .................................................................... 9
Figura 2. – Aminoácido ................................................................................... 9
Figura 3. Enlace peptídico. ............................................................................... 11
Figura 4. Rendimiento vs Longitud ................................................................... 12
Figura 5. Transferencia de calor. ...................................................................... 16
Figura 6. Transferencia de calor por conducción. ............................................ 17
Figura 7. Transferencia de calor por convección. ............................................. 18
Figura 8. Transferencia de calor por radiación. ................................................ 19
Figura 9. Espectro de las ondas electromagnéticas. ........................................ 20
Figura 10. Onda electromagnética ................................................................... 21
Figura 11. Comida cocinada en horno microondas. ......................................... 22
Figura 12. Manta calefactora ............................................................................ 24
Figura 13. Bloque de aluminio .......................................................................... 26
Figura 14. Interacción dipolar con el campo ..................................................... 27
Figura 15. Proceso de calentamiento ............................................................... 28
Figura 16. Recuperación y regeneración ......................................................... 30
Figura 17. Procesos de transferencia. .............................................................. 31
Figura 18. Disposiciones de flujo ...................................................................... 33
figura 19. Análisis QFD .................................................................................... 38
figura 20. Reactor ............................................................................................. 41
figura 21.intercambiador de calor. .................................................................... 41
figura 22. Adecuación del horno microondas ................................................... 47
figura 23. Adecuación del horno microondas ................................................... 47
figura 24. Esquema mecánico .......................................................................... 48
figura 25. Esquema electrónico PCB ................................................................ 48
figura 26. Esquema eléctrico horno microondas .............................................. 49
figura 27. Esquema electrónico ........................................................................ 49
figura 28. PCB componentes ............................................................................ 50
figura 29. PCB pistas ........................................................................................ 50
figura 30. Materiales ......................................................................................... 51
figura 31. Esquema de conexión ...................................................................... 52
figura 32. Montaje ............................................................................................. 52
figura 33. Sensor de temperatura ..................................................................... 53
figura 34. Respuesta del sensor ....................................................................... 53
figura 35. Programa ZTP-115M ........................................................................ 54
figura 36. Lectura ZTP-115M ............................................................................ 55
figura 37. Soporte ZTP-115M ........................................................................... 55
figura 38. Rele. ................................................................................................. 56
figura 39. Activación relé .................................................................................. 56
figura 40. Circuito de control............................................................................. 57
figura 41. Sensor DS18B20 .............................................................................. 58
figura 42. Comparación temperatura ................................................................ 58
figura 43. Temperatura sensores ..................................................................... 59
figura 44. Comparación temperatura ................................................................ 59
figura 45. Tiempo de encendido ....................................................................... 61
TABLA DE ANEXOS
ANEXO A. Código de Arduino ....................................................................... 73
ANEXO B. Validación ..................................................................................... 81
ANEXO C. Segunda validación ..................................................................... 91
INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas se han estudiado las aplicaciones de la energía de
microondas, dando como resultado la mejora de experimentos con respecto a
métodos convencionales. Muchos de los estudios se basan en el calentamiento
debido a la transferencia de energía en forma directa ya se a un material o a
una reacción química, permitiendo un calentamiento rápido de la muestra
evitando elevados gradientes de temperatura entre la superficie y la muestra,
tal como se observa en los métodos de calentamiento convencional.
La síntesis de péptidos utiliza comúnmente métodos de calentamiento
convencionales que retrasan el tiempo de calentamiento, a la vez que costos
por el consumo de energía. De manera que las microondas brindan alternativas
que mejoran las características de calentamiento y aumentan la velocidad de
reacción, por ejemplo, una transformación que requiere 68 días para alcanzar
una conversión de 90% a 27 °C, mostrara el mismo grado de conversión dentro
de 1,61 segundos cuando se realiza a 227 °C. En el presente trabajo se
aprovecharán las características de un horno microondas convencional que
tiene una frecuencia de 2450 MHz y una potencia de 700 W.
Para el proceso que se estudia en este proyecto fue necesario realizar una
automatización, debido a que el sistema de control original del horno no se
adecua a las necesidades del proceso implementado. Ya que el proceso
requiere de varios ciclos en los cuales la reacción estará sometida a periodos
de radiación de microondas y periodos sin radiación en donde se llevará un
control de la temperatura en la muestra. Por lo anteriormente descrito es
necesario realizar un sistema de control que mantuviera el magnetrón activo
durante el periodo establecido por el usuario, de la misma forma leer la
temperatura de la muestra con el fin de observar las variaciones de la misma
en la medida que es expuesta a las microondas.
1
1 OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un subsistema de generación de microondas para ser
acoplado a un equipo semiautomático de síntesis de péptidos.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Diseñar el esquema mecánico y electrónico del sistema de generación
de microondas del sintetizador de péptidos semiautomático, compuesto
por el microondas, el intercambiador de calor y su sistema de
distribución de agua.
Seleccionar los materiales del subsistema de generación de microondas.
Construir el montaje mecánico y electrónico de los dispositivos que
conforman el sistema de generación de microondas.
Realizar el diseño electrónico del subsistema de lavados del sintetizador
de péptidos semiautomático asistido por microondas.
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN
La invención de la síntesis de péptidos estimuló el desarrollo de importantes
áreas de estudio como, inmunología, bioquímica y farmacología [2]. Los
péptidos sintéticos son usados en algunos protocolos como, el desarrollo de
epitopos específicos de anticuerpos contra proteínas patogénicas, también el
estudio de la función, identificación y caracterización de proteínas [1, 2, 4].
Además, péptidos sintéticos son usados en el estudio de las interacciones
enzima-sustrato en importantes clases de enzimas como lo son las quinasas y
las proteasas, las cuales juegan un papel muy importante en los procesos de
señalización celular [3, 4]. En biología celular, la ligación de moléculas en algún
receptor, o el reconocimiento de sustratos específicos por enzimas son
estudiados usando series de péptidos análogos a los péptidos endógenos. Los
péptidos sintéticos pueden mimetizar comportamientos de péptidos naturales y
actuar como posibles drogas contra el cáncer u otras enfermedades [1, 2], este
tipo de moléculas, también juegan un papel importante en el descubrimiento,
caracterización y cuantificación de proteína, específicamente aquellas que
sirven como biomarcadores tempranos de enfermedades [1, 2]. Finalmente, los
péptidos sintéticos han sido ampliamente usados como sustancias estándar en
ensayos basados en espectrometría de masas [3, 4].
Dada la importancia que tiene en investigación básica el estudio de péptidos, la
innovación de metodologías para la producción de péptidos sintetizados
químicamente, hace de esta síntesis un procedimiento más accesible y de bajo
costo para aplicaciones generales en la investigación en el área de la salud. El
presente proyecto propone la creación e implementación de un subsistema de
generación de microondas con su respectivo intercambiador de calor para
mantener la temperatura del reactor uniforme en el equipo de operación
manual para la síntesis de péptidos. Por otra parte, este proyecto le permitirá a
la UNAB, fortalecer líneas de investigación en el área de la salud, fomentando
la creación e innovación de técnicas y/o equipos, y de la manera de atraer
investigadores de entidades externas para posibles colaboraciones y/o
prestaciones de servicio.
3
3 ANTECEDENTES
Dentro de la historia de la síntesis de péptidos cabe resaltar eventos de gran
importancia en la historia como son los aportes hechos por Emil Fisher, quien
durante el estudio de la síntesis de las proteínas pudo establecer el enlace
peptídico que une aminoácidos y por medio de esto obtuvo los dipéptidos,
tripéptidos y polipéptidos. En 1901 descubrió la síntesis del dipéptido glicil-
glicina, su síntesis de oligopéptidos culmino en un octadecapéptido, que tenía
muchas características de proteínas naturales [5]. En 1953 el bioquímico
Vincent du Vigneaud logro la síntesis de la oxitócica, la primera hormona
pituitaria y el primer polipéptido funcional [6]. Para el año de 1963 Bruce
Merrifield pensó en un método mejor, e ideo un método de síntesis en el que
uno de los extremos de la secuencia se inmovilizaba sobre micro esferas de
poliestireno. Sobre ese extremo se iban añadiendo los restantes aminoácidos
hasta completar la secuencia deseada. Este método es conocido como síntesis
de péptidos en fase sólida, que lo llevo a descubrir la síntesis de una enzima, la
ribonucleasa pancreática bovina A [7].
El estudio de péptidos ha avanzado en gran medida, se ha determinado por
ejemplo que la leche y derivados tienen numerosas secuencias peptídicas que
determinan funciones fisiológicas y modulan diferentes procesos regulatorios,
estas propiedades son parcialmente atribuidas a los péptidos bioactivos. Dentro
de las aplicaciones para estos péptidos bioactivos se encuentra moduladores
de funciones gastrointestinales, hormonas y factores de crecimiento, además
de funciones de inmunoregulación como la defensa contra enfermedades y
modulación de la población de microorganismos intestinales [8]. Los avances y
el desarrollo de metodologías de síntesis química de péptidos han acelerado el
descubrimiento de nuevos compuestos peptídicos que se han convertido en
agentes terapéuticos, estos se clasifican en antibióticos, antivirales,
anticancerígenos, imunomoduladores, para indicaciones cardiovasculares, para
el tratamiento de desórdenes neurológicos y para el tratamiento del cáncer. Los
péptidos sintéticos tienen mejor capacidad para penetrar tumores y órganos,
son poco inmunigénicos y sus costos de producción son menores [9]. Los
péptidos sintéticos también se han aplicado al campo de las vacunas. La
obtención de vacunas profilácticas o terapéuticas efectivas contra muchas
enfermedades [9, 10], las vacunas sintéticas basadas en péptidos se
caracterizan por su seguridad ya que no tienen riesgo de reversión o
patogenicidad en individuos inmunocomprometidos. Las vacunas peptídicas
también son seguras para los productores ya que no se emplean
microorganismos patógenos para su fabricación [9].
En la síntesis química a menudo hay que activar las reacciones para que se
inicien o para acelerar el proceso. Para activar una reacción hay que
proporcionar energía del exterior, una reacción química que absorbe energía
calorífica es una reacción endotérmica. En 1855 Robert Bunsen invento el
quemador que lleva su nombre, la energía de esta fuente de calor pudo ser
4
aplicada a un recipiente de reacción de forma focalizada, el quemador bunsen
fue posteriormente reemplazado por otras fuentes de calefacción como son las
matas calefactoras, baño calefactor, bloque de aluminio y los hornillos
calefactores para aplicar calor a las reacciones químicas [11]. En las últimas
décadas, el calentamiento asistido por microondas ha tenido una gran acogida
en la comunidad científica. No fue hasta 1940 durante la segunda guerra
mundial que se descubrió el calentamiento por medio de microondas, los
científicos británicos John Randall y H. A. Boot inventaron una válvula
magnetrón para generar microondas, componente fundamental de los sistemas
de radar. En 1946, Percy Spencer, un ingeniero que realizaba pruebas sobre el
magnetrón noto que la chocolatina que tenía en el bolsillo estaba derretida, tras
realizar varios ensayos con distintos alimentos observo que las microondas
cocinaban de una forma mucho más rápida [12]. La síntesis asistida por
microondas presenta una velocidad mayor en las reacciones, en comparación
con el calentamiento convencional, se han observado con frecuencia mejoras
drásticas las tasas entre las reacciones realizadas a temperatura ambiente o en
condiciones estándar de baño en aceite y procesos de calentamiento a altas
temperaturas con microondas. Una transformación que requiere 68 días para
alcanzar una conversión del 90% a 27°C, mostrara el mismo grado de
conversión dentro de 1,61 segundos cuando se realizó a 227°C [13].
5
4 ESTADO DEL ARTE
La síntesis de péptidos en fase solida asistida por microondas reduce el tiempo
que se necesita para sintetizar una reacción. En “Enhanced Coupling
Efficiency in Solid-Phase Peptide Synthesis by Microwave Irradiation”
[14], al reemplazar protocolos convencionales de calentamiento de llama y
placa caliente por calentamiento por microondas se reduce considerablemente
el tiempo de disolución. Utilizando un horno microondas convencional se colocó
un recipiente de reacción de fase sólida en el medio del horno microondas, y un
tubo de teflón del brazo lateral del recipiente de reacción se conectó a una
fuente de nitrógeno para introducir una corriente de nitrógeno. Dos derivados
anhídridos simétricos de Fmoc-Ile y Fmoc-Val se acoplaron con Gly-HMP-
resina, respectivamente. La reacción se realizó mediante irradiación de
microondas durante 2-6 minutos y se detuvo separando la solución de reacción
a través del brazo lateral. La reacción fue lenta cuando el acoplamiento se
realizó sin irradiación de microondas. En el caso de irradiación de microondas
utilizando la potencia más baja (10% de potencia máxima), la velocidad de
reacción aumentó al menos 2-3 veces en condiciones comparables, y la
reacción de acoplamiento de ambos dipéptidos podría completarse en 6
minutos, mientras que sin irradiación ambos las reacciones solo alcanzaron un
nivel del 60% y del 79%, respectivamente. En estas condiciones de reacción, la
temperatura de la solución de reacción era cercana a 55 ° C. En el estudio se
obtuvo una mejora significativa de la eficacia del acoplamiento (un aumento de
la frecuencia de al menos 2-4 veces), especialmente en los aminoácidos
impedidos de la cadena lateral.
El anterior procedimiento no es fácilmente reproducible, debido al uso de un
horno microondas comercial para la irradiación y la falta de control de
temperatura, en general, la química de los péptidos está limitada a condiciones
de temperatura ambiente. En “Rapid Microwave-Assisted Solid Phase
Peptide Synthesis” [15], se describe un procedimiento rápido, mejorado de
microondas (1.5 – 20 min) para el acoplamiento de aminoácidos estrictamente
impedidos en fase sólida. Las condiciones optimizadas para una variedad de
reactivos de acoplamiento comunes produjeron un aumento de velocidad
significativo. La irradiación monomodo con monitorización de la temperatura, la
presión y la potencia de irradiación frente al tiempo se utilizó en todas partes,
por lo que el procedimiento es altamente reproducible.
En “Rapid solid-phase peptide synthesis using thermal and controlled
microwave irradiation” [16], se comparan los productos obtenidos por
calentamiento convencional y calentamiento por microondas, para realizar la
comparación se llevaron a cabo cinco condiciones de reacción diferentes:
Método A: protocolo SPPS estándar a temperatura ambiente; Método B:
irradiación pulsada con enfriamiento intermitente de la mezcla de reacción a
temperatura ambiente (aproximadamente 20 °C); Método C: irradiación pulsada
con enfriamiento intermitente de la mezcla de reacción a temperatura
6
subambiente (aproximadamente 0 °C); Método D: irradiación MW pulsada en
reactores MicroKan con enfriamiento intermitente de la mezcla de reacción a
temperatura subambiente (aproximadamente 0 °C); y Método E: protocolo
SPPS en baño de aceite a 65 ° C. Para el monitoreo de temperatura se utilizó
una sonda FO interna en lugar del sensor IR externo más común. Para el
control de la potencia de microondas que entran en el recipiente no se utilizó un
control de temperatura convencional, se implementó un control de potencia que
consiste en periodos alternativos de irradiación y enfriamiento de microondas
con una temperatura inferior a los 65 °C. Con el método A se logró un
rendimiento peptídico global de 82% y una pureza de 81%. El método B, la
mezcla se irradio con potencia constante durante un tiempo corto, seguido de
enfriamiento intenso con agua del grifo hasta aproximadamente 20 °C. para la
desprotección, tres ciclos de 30s de irradiación a 40w y 2 minutos de
enfriamiento, para el acoplamiento cuatro ciclos de 30s de irradiación a 30w y
enfriamiento de 2 minutos, el tiempo de síntesis asistida por microondas fue de
2,5 horas, que es 5 veces menor en comparación del método A que tomo 11
horas. El rendimiento sin embargo fue menor con un rendimiento de 64% y una
pureza de 63%, lo que se atribuye a un aumento de temperatura de
aproximadamente 100 °C en 30s cuando se parte de la temperatura ambiente.
Para el método C, se introdujo un enfriamiento más intensivo. La mezcla se pre
enfrió a 0°C en un baño de hielo, además, se aplicó el mismo enfriamiento
intensivo después de todas las etapas de irradiación, la monitorización de la
temperatura demostró que la temperatura máxima de reacción permaneció por
debajo de los 65°C. la potencia de irradiación aplicada fue exactamente igual al
método B. El rendimiento fue de 71% con una pureza del 86%, con lo que se
demuestra que la pureza de la reacción está ligada al valor de la temperatura.
Para el método D, a diferencia del método anterior se manipularon las perlas
de resina con el método MicroKan con lo que se obtuvo un rendimiento del
95% y una pureza de 83%. Lo que demuestra que se pueden obtener
rendimientos y purezas similares en un menor tiempo con el calentamiento por
microondas.
El control automático ha desempeñado un papel importante en el avance de la
ingeniería y la ciencia. el control automático es fundamental para el control de
presión, temperatura, humedad, viscosidad, nivel y caudal en las industrias de
control de procesos, para mejorar la productividad y simplificar el trabajo de
muchas operaciones manuales repetitivas y rutinarias, consiguiendo con esto
un comportamiento óptimo de los sistemas [29]. En “Estudio del
comportamiento de un Control MPC [Control Predictivo Basado en el
Modelo] comparado con un Control PID en una Planta de Temperatura”
[29], se presenta un estudio comparativo entre el control predictivo basado en
el modelo [MPC] y el control PID. como primer paso, se diseña e implementa la
señal del control por modulación de pulso (PWM) el cual regula los tiempos de
encendido de la planta de temperatura, por medio de un relé de estado sólido,
además se diseñan e implementan los circuitos acondicionadores de señal
para adquirir la señal del sensor de temperatura del módulo mediante de una
tarjeta de adquisición de datos (DAQ), luego se diseñan los reguladores: PID y
7
MPC. Se encontró que el control MPC presenta mejor comportamiento, con un
tiempo estabilización de 1000 segundos y un sobrepaso de 5°C, y que el PID
presenta un tiempo de estabilización de 2000 segundos y un sobrepaso de
40°C.
En “Diseño de Ecuaciones de Sintonía para Controladores PID
(Proporcional-Integral-Derivativo) Implementados en Foto biorreactores”
[30], la iluminación solar genera fluctuaciones en la energía incidente en el
sistema que pueden conducir a oscilaciones en su temperatura, y afectar el
comportamiento del sistema. Por lo tanto, se requiere emplear control
automático para compensar estas perturbaciones y mantener las condiciones
de operación. A partir de un modelo paramétrico de un foto biorreactor, se
desarrollaron las ecuaciones de sintonía para un controlador PID. Éste
mantiene la temperatura del reactor mediante la manipulación del flujo de
líquido de enfriamiento que pasa por el intercambiador de calor.
Para tener un control sobre la potencia de radiación es necesario implementar
un control de temperatura, en muchas aplicaciones como los sistemas de
calefacción eléctrica el elemento calefactor está controlado por un contactor
que tiene dos posiciones (encendido/apagado). En “Modeling, Simulation and
Control of Bioreactors Process Parameters – Remote Experimentation
Approach” [28], el sistema de control de temperatura está diseñado utilizando
algoritmos de control PID. la temperatura del líquido en un biorreactor de
detecta y se compara con la temperatura deseada para formar la señal de
error. La señal de control se procesa usando algoritmos de control para
producir la señal deseada al controlador del calentador. El sistema de control
de retroalimentación opera en el sistema de calefacción para mantener la
temperatura en el valor establecido requerido reduciendo el error a cero, a
medida que el valor medido se aproxima a su valor deseado, la potencia
alimentada al calentador se reduce progresivamente. Los parámetros de ajuste
se calculan utilizando el algoritmo Ziegler-Nichols basado en pruebas de lazo
abierto y de circuito cerrado en las funciones de transferencia del sistema. La
simulación del control PID se hace por medio de la herramienta LabVIEW y la
recolección de datos de hace por medio de la una tarjeta de adquisición de
datos (por sus siglas en ingles DAQ).
En el momento que se modifica la estructura del horno microondas se tienen
que tener en cuenta los parámetros y normas que establecen si es seguro
operar el electrodoméstico. La Comisión Internacional de Protección Contra la
Radiación No Ionizante (ICNIRP, por sus siglas en ingles) es una organización
no gubernamental, reconocida por la Organización Mundial de la Salud (OMS),
evalúa los resultados de estudios científicos realizados en todo el mundo. A su
vez en Colombia existen decretos con los cuales se establecen los límites de
exposición de las personas a campos electromagnéticos, como el decreto 195
de 2005 [37], que establece que en la gama de frecuencias de 2 – 300 GHz la
densidad de potencia máxima según el tipo de exposición es: ocupacional
(vatios por metro cuadrado) y público general . Lo que
concuerda con los límites de exposición propuestos por la ICNIRP.
8
Por otra parte, el decreto supremo N° 594 [38], establece que el tiempo de
exposición permitido a las microondas dependerá de la potencia recibida y
expresada en mili watt por centímetro cuadrado (mW/cm2). Para una jornada
de ocho horas y una exposición continua el limite posible máximo será de
. En este decreto también se indica el tiempo máximo permitido
de exposición a potencias superiores a .
Existen actualmente dos fabricantes de sintetizadoras de péptidos asistidos por
microondas, CEM y Biotage, ambos proporcionan sintetizadores totalmente
automáticos.
CEM es una empresa privada fundada en 1978, diseña y desarrolla
instrumentos de laboratorio y métodos científicos (tanto basados en
microondas como en otras tecnologías). La compañía vende una línea
exclusiva de sintetizadores de péptidos basados en microondas basados en
síntesis de péptidos en fas solida de alta eficiencia (HE-SPPS) que
proporcionan alta pureza y tiempos de ciclo ultrarrápidos. Alguno de los
equipos para síntesis de péptidos por microondas son Discover Bio, Liberty
Lite, Liberty Blue, Liberty Blue HT12 y Liberty PRIME [17].
Uno de los sintetizadores de péptidos por microondas más avanzados es el
Liberty Blue de la empresa CEM, tiene un control de microondas el cual
permite controlar la energía de microondas en cada etapa y la temperatura
puede ser seleccionada dependiendo del péptido especifico y/o reactivos
utilizados. Los tiempos de ciclos son más rápidos (4 minutos) que, con la
síntesis convencional, del mismo modo la pureza y el rendimiento del péptido
son mejores, reduce significativamente el tiempo de purificación y los residuos
y con este sintetizador se puede tener acceso a péptidos que son muy difíciles
de sintetizar [18]. El sintetizador de péptidos de microondas más avanzado es
el Liberty PRIME, que se basa en el uso de una nueva metodología de
acoplamiento y desprotección de un solo recipiente para la síntesis de péptidos
en fase sólida que reduce drásticamente el tiempo de ciclo y el uso de
desechos, el sistema proporciona un ciclo completo de 2 minutos y 10
segundos (para los 20 aminoácidos Fmoc estándar) con solo 8ml de residuos
químicos producidos, la mitad del sintetizador de péptidos Liberty Blue [19].
9
5 MARCO TEÓRICO
5.1 AMINOÁCIDOS
Son las unidades estructurales básicas de las proteínas, compuestos orgánicos
portadores de grupos carboxilo y amino conjuntamente. Los aminoácidos se
pueden nombrar utilizando las letras griegas , , …, para indicar la posición
del grupo amino sobre la cadena del ácido carboxílico [20].
Figura 1. Posición del grupo amino
(a) – Aminoácido, (b) – Aminoácido, (c) – Aminoácido. Fuente: Química orgánica. UNED - Universidad Nacional de Educación a Distancia. 749 p.
En los -Aminoácidos cada aminoácido tiene un átomo de carbono central
denominado carbono , enlazado a dos grupos funcionales: un grupo amino (-
NH2) y un grupo ácido carboxílico (-COOH). El carbono también esta
enlazado a un átomo de hidrogeno (-H) y una cadena lateral llamada grupo R
(Figura 2). el grupo R que difiere en cada uno de los 20 aminoácidos más
comunes, es el que proporciona características únicas a cada tipo de
aminoácido. Las células vivientes necesitan un suministro constante de
aminoácidos para la síntesis de sus proteínas, lo que justifica la importancia
bioquímica de estos compuestos.
Figura 2. – Aminoácido
Fuente: Química general, orgánica y biológica. 4ª ed. 676 p.
El grupo R determina sus propiedades en disolución acuosa. Los aminoácidos
no polares tienen grupos R hidrógeno, alquilo o aromáticos, lo que los hace
hidrofóbicos. Cuando un aminoácido tiene un grupo R polar, interacciona con el
agua porque es hidrofílico. Los aminoácidos polares neutros tienen grupos
10
hidroxilo (-OH), tiol (-SH) o amida (-CONH2). Los aminoácidos polares ácidos
contienen un grupo car oxilato -COO ). Los aminoácidos polares básicos
tienen grupo R amina [21].
Los aminoácidos cumplen diversas funciones:
- Son precursores de las proteínas.
- Forman parte de vitaminas.
- Constituyen, por descarboxilación, las aminas biógenas; compuestos
que cumplen funciones importantes y que a su vez pueden formar parte
de otras biomoléculas; ejemplo la etalnolamina que se forma por
descarboxilacibn de la serie y forma parte de algunos Iípidos, la
serotonina producto de descarboxilación de un derivado del triptúfano
que es un poderoso vasoconstrictor.
- Son precursores de la síntesis de algunas hormonas.
- Constituyen neurotransmisores, muchos de ellos, como la glicina, la
histidina y el glutámico.
- Son aminoácidos, algunos antibióticos.
A pesar de las numerosas y diversas funciones que desempeñan los
aminoácidos, la más importante de todas, sin duda alguna, construir los
precursores de los péptidos y las proteínas [20].
5.2 ELACE PEPTIDICO
Un enlace pept dico es un enlace amida que se forma cuando un grupo –COO
de un aminoácido reacciona con el grupo –NH3+ del siguiente aminoácido, las
uniones de dos o más aminoácidos mediante enlaces peptídicos forman un
péptido. Por ejemplo: un átomo de O se elimina del extremo carboxilato del
primer aminoácido, y dos átomos de H se eliminan del extremo amonio del
segundo aminoácido, lo que produce agua. dos aminoácidos forman un
dipéptido, tres aminoácidos forman un tripéptidos, cuatro aminoácidos forman
un tetrapéptido. una cadena de cinco aminoácidos es un pentapéptido, y
cadenas más largas de aminoácidos forman polipéptidos [21].
11
Figura 3. Enlace peptídico.
Fuente: Bioquímica. 4ª ed. Pearson Educación. 145 p.
Como se puede observar en la Figura 2, se representa el dipéptido glicil-
alanina que se forma cuando la glicina se une a la alanina con la eliminación de
una molécula de agua.
5.3 PEPTIDOS
Los péptidos son biomoléculas complejas que tienen propiedades físicas y
químicas únicas que son un resultado directo de su composición de
aminoácidos, surgen por la formación de un enlace amida entre en grupo α-
car oxilo de un aminoácido y el grupo α-amino de otro. A este enlace se le
denomina enlace peptídico.
Según sea el número de aminoácidos presentes en una molécula se les
denomina dipéptidos, tripéptidos, etc., hasta llegar a los polipéptidos.
Convencionalmente se consideran como polipéptidos los que tienen pesos
moleculares de hasta 10.000; por encima de este valor son denominados
proteínas [20, 23].
Los péptidos pueden diseñarse nuevos o basados en secuencias peptídicas de
proteínas nativas, dependiendo de la aplicación deseada. Los péptidos
12
sintéticos pueden modificarse para cambiar sus propiedades o conformación,
conFigurarse para purificación o detección, conjugarse con inmunógenos para
producción de anticuerpos o marcar isotópicamente para la cuantificación de
proteínas [23].
5.3.1 Longitud del péptido
La longitud del péptido es variable y depende de la aplicación para la que se
utilizan. Por ejemplo: los péptidos de 10-20 aminoácidos de longitud son
ideales para la preparación de anticuerpos, mientras que los péptidos utilizados
para el estudio de estructura / función pueden ser más variables. Aunque los
avances tecnológicos han permitido que las actuales estrategias de síntesis de
péptidos sean considerablemente más eficaces que nunca, la pureza de los
péptidos sintetizados está limitada por la longitud del péptido propuesto. A
medida que aumenta la longitud del péptido, también aumenta la cantidad de
impurezas que deben eliminarse de los péptidos en crecimiento después de
cada ciclo de desprotección y acoplamiento. Adicionalmente, las secuencias
peptídicas más largas requieren más reacciones de acoplamiento entre el
péptido en crecimiento y el siguiente aminoácido en la secuencia. Con cada
ciclo de acoplamiento, fallan un pequeño número de reacciones de
acoplamiento en péptidos individuales en la mezcla de reacción, dando como
resultado una concentración creciente de péptidos truncados (deleciones) en la
reacción a medida que aumenta la longitud del péptido que se está
sintetizando. mientras que los péptidos de 75 aminoácidos de longitud pueden
sintetizarse, el rendimiento en la reacción de síntesis será pobre en
comparación con el rendimiento al sintetizar péptidos más cortos [23].
Figura 4. Rendimiento vs Longitud
Fuente: Peptide Design. [en línea]. https://www.thermofisher.com
13
La relación entre la longitud del péptido y el rendimiento es inversamente
proporcional, a medida que aumenta la longitud del péptido, el rendimiento se
reduce debido a la dificultad creciente de purificar el producto (Figura 4).
5.3.2 Síntesis de péptidos
Los péptidos sintéticos se usan en estudios de estructura / función de
polipéptidos, producción de anticuerpos y como hormonas peptídicas o
análogos de hormonas. También se usan para diseñar nuevas enzimas,
medicamentos y vacunas. Aunque existe una flexibilidad considerable en la
síntesis de péptidos para una gran variedad de aplicaciones, la secuencia y la
longitud de aminoácidos pueden influir en la síntesis, pureza y solubilidad del
péptido, y por lo tanto el péptido debe diseñarse cuidadosamente para su
aplicación específica.
Los péptidos sintéticos pueden parecerse a los péptidos naturales y actuar
como fármacos contra el cáncer y otras enfermedades importantes.
Finalmente, los péptidos sintéticos se usan como estándares y reactivos en
aplicaciones basadas en espectrometría de masas (por sus siglas en ingles
MS). Los péptidos sintéticos desempeñan un papel central en el
descubrimiento, la caracterización y la cuantificación de proteínas basadas en
MS, especialmente aquellas que sirven como biomarcadores tempranos para
enfermedades [24].
5.3.2.1 Proceso de síntesis de péptidos
Desprotección de péptidos
Debido a que los aminoácidos tienen múltiples grupos reactivos, la síntesis de
péptidos debe realizarse con cuidado para evitar reacciones secundarias que
pueden reducir la longitud y provocar la ramificación de la cadena peptídica.
Para facilitar la formación de péptidos con reacciones secundarias mínimas, se
han desarrollado grupos químicos que se unen a los grupos reactivos de
aminoácidos y bloquean, o protegen, el grupo funcional de la reacción
inespecífica.
Los aminoácidos individuales purificados utilizados para sintetizar péptidos se
hacen reaccionar con estos grupos protectores antes de la síntesis, y luego se
eliminan grupos protectores específicos del aminoácido recién agregado (un
paso llamado desprotección) justo después del acoplamiento para permitir que
el siguiente aminoácido entrante se una a la creciente cadena de péptidos en la
orientación adecuada.
Acoplamiento de aminoácidos
14
El acoplamiento peptídico sintético requiere la activación del ácido carboxílico
C-terminal en el aminoácido entrante usando carbodiimidas tales como
diciclohexilcarbodiimida (DCC) o diisopropilcarbodiimida (DIC). Estos reactivos
de acoplamiento reaccionan con el grupo carboxilo para formar un intermedio
de O-acilisourea altamente reactivo que se desplaza rápidamente por ataque
nucleofílico del grupo amino primario desprotegido en el extremo N–terminal de
la cadena peptídica en crecimiento para formar el enlace peptídico naciente.
Escisión de péptidos
Después de sucesivos ciclos de desprotección y acoplamiento de aminoácidos,
todos los grupos protectores restantes deben eliminarse del péptido naciente.
Estos grupos se escinden por acidólisis, y el producto químico utilizado para la
escisión depende del esquema de protección utilizado. Cuando se ejecuta
apropiadamente, la escisión da como resultado la eliminación del grupo
protector N-terminal del último aminoácido añadido, el grupo protector C-
terminal (bien sea químico o resina) del primer aminoácido y cualquier grupo
protector de la cadena lateral. Debido a la importancia de la escisión en la
síntesis de péptidos adecuada, esta etapa debe optimizarse para evitar
reacciones secundarias catalizadas por ácido.
5.3.2.2 Estrategias de síntesis de péptidos
Síntesis de péptidos en fase liquida
Es el método clásico de síntesis de péptidos que los científicos utilizaron
cuando descubrieron los péptidos y todavía se usa comúnmente para la
síntesis a gran escala. Es un método lento y laborioso, ya que el producto debe
eliminarse manualmente de la solución de reacción después de cada paso.
Además, este enfoque requiere otro grupo químico para proteger el C-terminal
del primer aminoácido. Sin embargo, un beneficio de la síntesis en fase líquida
es que debido a que el producto se purifica después de cada paso, las
reacciones secundarias se detectan fácilmente.
Síntesis de péptidos en fase solida
es el método más común de síntesis de péptidos en la actualidad. En lugar de
la protección C-terminal con un grupo químico, el C-terminal del primer
aminoácido se acopla a un soporte sólido activado, como poliestireno o
poliacrilamida. Este tipo de enfoque tiene una doble función: la resina actúa
como el grupo protector C-terminal y proporciona un método rápido para
separar el producto peptídico en crecimiento de las diferentes mezclas de
reacción durante la síntesis [24].
5.3.2.3 Purificación de péptidos
15
Aunque las estrategias de síntesis de péptidos se han optimizado y se pueden
producir en masa, el proceso para generar péptidos no es perfecto. Los
eventos tales como la desprotección incompleta o la reacción con grupos
protectores libres pueden provocar secuencias truncadas o de deleción,
isómeros u otros productos secundarios. Estos eventos pueden ocurrir en
cualquier etapa durante la síntesis de péptidos y, por lo tanto, cuanto más larga
es la secuencia del péptido, mayor es la probabilidad de que algo afecte
negativamente a la síntesis del péptido. Por lo tanto, el rendimiento de péptido
se correlaciona inversamente con la longitud del péptido.
Las estrategias de purificación generalmente se basan en una combinación de
métodos de separación que explotan las características fisicoquímicas de los
péptidos, incluido el tamaño, la carga y la hidrofobicidad. Las técnicas de
purificación incluyen:
- Cromatografía de exclusión por tamaño
- Cromatografía de intercambio iónico (IEC)
- Cromatografía de partición
- Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)
- cromatografía de fase inversa (RPC)
La pureza peptídica se mide como un porcentaje del péptido dada a las
impurezas que absorben en la longitud de onda de absorción del enlace
peptídico (210-220 nm), y los niveles variables de pureza están disponibles
comercialmente en base a la aplicación en la que se usarán los péptidos [24]:
- 95% Estudios cuantitativos como NMR, estudios de unión receptor-
ligando, ELISA y RIA, producción de anticuerpos monoclonales, estudios
in vivo
- 80% Cribado de alto rendimiento, bloqueo no cuantitativo en
inmunohistoquímica (IHC) y análisis de Western blot, estudios no
cuantitativos de enzima-sustrato, purificación de afinidad de anticuerpos
y recubrimiento de placa para la unión celular
- 70% Estándares ELISA, ensayos ELISPOT y producción de anticuerpos
policlonales.
5.4 CALOR
Es la forma de energía que es transferida entre dos sistemas (o un sistema y
su entorno) en virtud de una diferencia de temperatura, es decir, una
interacción de energía es calor solo si tiene lugar debido a una diferencia de
temperatura. Esto quiere decir que no existe transferencia de energía entre dos
sistemas que tengan la misma temperatura.
16
Figura 5. Transferencia de calor.
Fuente: recuperado de internet https://www.google.com.co
La dirección de la transferencia de calor siempre es de la zona de mayor
temperatura a la zona de menor temperatura (Figura 5). El calor saldrá de un
sistema si el sistema está más caliente que sus alrededores; si es más frio, el
calor entrara al sistema. Esta transición de energía continuara en la misma
dirección hasta que el sistema y sus alrededores estén aislados térmicamente
uno del otro, o bien hasta que se alcance el equilibrio térmico [25].
Como una forma de energía, el calor tiene unidades de energía, kJ, la cantidad
de calor transferido durante el proceso entre dos estados (estado 1 y 2) se
denota por o . La transferencia de calor por unidad de masa de un
sistema se denota por q y es determinada por.
⁄
Donde
Es la transferencia de calor por unidad de masa.
Es el calor transferido durante el proceso.
Es la masa.
5.5 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
El calor puede ser transferido en tres diferentes formas: conducción,
convección y radiación. Todas las formas de transferencia de calor requieren la
existencia de una diferencia de temperatura y van desde el medio de alta
temperatura a uno de baja temperatura.
5.5.1 Conducción
Es la transferencia de las partículas más energéticas de una substancia a las
adyacentes menos energéticas como resultado de la interacción entre las
partículas. La conducción toma parte en sólidos, líquidos y gases. En líquidos y
17
gases se debe a la colisión de las moléculas durante su movimiento aleatorio,
en solidos se debe a la combinación de vibraciones de las moléculas en una
red y al transporte de energía por electrones libres.
Figura 6. Transferencia de calor por conducción.
Fuente: Transferencia de calor y masa. 3ª ed. McGraw-Hill Interamericana. 18 p.
La velocidad de conducción de calor a través de una capa de espesor
constante es proporcional a la diferencia de temperatura entre la capa y
el área normal a la dirección de la transferencia de calor, e inversamente
proporcional al grosor de la capa.
Donde
Es la conductividad térmica, que es una medida de la capacidad del material
para conducir calor.
En caso de que
La cual se llama ley de Fourier de la conducción de calor, donde ⁄ es el
gradiente de temperatura [25, 26].
18
5.5.2 Convección
Es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o
gas adyacente que se encuentra en movimiento. Cuanto mayor sea el
movimiento del fluido, mayor será la transferencia de calor por convección.
Figura 7. Transferencia de calor por convección.
(a) Convección forzada, (b) convección natural. Fuente: Transferencia de calor y masa. 3ª
ed. McGraw-Hill Interamericana. 26 p.
La convección es convección forzada si el fluido es forzado a fluir en un tubo o
sobre una superficie por medios externos, como un ventilador, una bomba o el
viento (Figura 7a). La convección es convección natural si el movimiento del
fluido es causado por las fuerzas de flotación que son inducidas por diferencias
de densidad debido a la variación de la temperatura en el fluido. En ausencia
de un ventilador, la transferencia de calor se deberá al aumento del aire más
caliente cerca de la superficie y la caída de aire más frio para llenar su lugar,
(Figura 7b).
La tasa de transferencia de calor por convección está determinada por la
ley de newton del enfriamiento [25, 26].
( ) ( )
Donde
es el coeficiente de transferencia de calor por convección.
es el área de la superficie a través de la cual tiene lugar la transferencia de
calor.
es la temperatura de la superficie.
es la cantidad de temperatura de fluido lejos de la superficie.
19
5.5.3 Radiación
Es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas
(fotones) como resultado de los cambios en las conFiguraciones electrónicas
de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la
transferencia de energía por radiación no necesita la presencia de un medio
intermedio. De hecho, la trasferencia de energía por radiación es más rápida y
no sufre atenuación en el vacío.
Figura 8. Transferencia de calor por radiación.
Fuente: Transferencia de calor y masa. 3ª ed. McGraw-Hill Interamericana. 664 p.
La transferencia de calor por radiación a diferencia de los otros mecanismos de
transferencia de calor puede ocurrir entre dos cuerpos separados por un medio
más frio que ambos cuerpos (Figura 8).
La razón máxima de la radiación que se puede emitir desde una superficie a
una temperatura termodinámica es expresada por la ley de Stefan-
Boltzmann como
Donde [ ⁄ ] es la constante de Stefan-Boltzmann. La
superficie idealizada que emite radiación a esta razón máxima se llama cuerpo
negro. La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la
emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura, se expresa como
En donde es la emisividad de la superficie, cuyo valor está en el intervalo
.
Otra propiedad importante es la absortividad , la cual es la fracción de
energía de radiación incidente sobre una superficie que es absorbida por ésta,
su valor está en el intervalo .
En general tanto como de una superficie dependen de la temperatura y
longitud de onda de la radiación. La ley de Kirchhoff de la radiación afirma
20
que la emisividad y la absortividad de una superficie a una temperatura y
longitud de onda dada son iguales. La razón a la cual la superficie absorbe la
radiación se determina por
donde es la razón a la cual la radiación incide sobre la superficie y
es la absortividad de la superficie [26].
5.5.3.1 Radiación térmica
Aunque todas las ondas electromagnéticas tienen las mismas características
generales, las ondas de diferente longitud de onda difieren significativamente
en su comportamiento. La radiación electromagnética cubre un amplio rango de
longitudes de onda, que varían desde menos de para rayos cósmicos
a más de para ondas de energía eléctrica. El espectro
electromagnético incluye rayos gamma, rayos-X, radiación ultravioleta,
microondas y ondas de radio (Figura 9).
Figura 9. Espectro de las ondas electromagnéticas.
21
Fuente: Transferencia de calor y masa. 3ª ed. McGraw-Hill Interamericana. 665 p.
La radiación térmica es definida como la porción del espectro electromagnético
que se extiende desde aproximadamente 0.1 a 100 µm.
La radiación por microondas, como cualquier radiación electromagnética, está
constituida por un campo eléctrico y un campo magnético, aunque solo el
campo eléctrico transfiere la energía que conduce al calentamiento de las
sustancias (Figura 10), los hornos microondas y los sistemas de laboratorio
generalmente trabajan a 2.45 GHz [11].
Figura 10. Onda electromagnética
Fuente: Síntesis asistida por microondas de compuestos de interés biológico e industrial. 8 p.
Donde
es el campo eléctrico
es el campo magnético
es la longitud de onda (2.2 cm de 2450 MHz)
es la velocidad de la luz (300.000 km/s)
Los hornos microondas utilizan radiación electromagnética en la región de
microondas del espectro generado por los tubos de microondas llamados
magnetrones. Microondas en el rango de son adecuados para el
uso en cocina, ya que se reflejan en los metales, son transmitidos por el vidrio
el plástico, y son absorbidos por las moléculas de los alimentos (especialmente
las moléculas de agua) (Figura 11). Los hornos microondas industriales y
caseros trabajan generalmente a una frecuencia de 2.45 GHZ con longitud de
12.2 cm. Por lo tanto, la energía eléctrica convertida en radiación en un horno
microondas eventualmente se convierte en parte de la energía del alimento [11,
26].
22
Figura 11. Comida cocinada en horno microondas.
Fuente: Transferencia de calor y masa. 3ª ed. McGraw-Hill Interamericana. 667 p.
5.5.3.2 Radiación ionizante
La radiación ionizante es un tipo de energía liberada por los átomos en forma
de ondas electromagnéticas (rayos gamma o rayos X) o partículas (partículas
alfa y beta o neutrones). En la radiación ionizante las ondas electromagnéticas
con frecuencias más altas (longitudes de onda más cortas) transportan más
energía que las ondas de menor frecuencia (longitudes de onda más largas).
Algunas ondas electromagnéticas transportan tanta energía que son capaces
de romper enlaces moleculares.
La exposición a radiación puede se interna o externa y puede tener lugar por
diferentes vías.
La exposición interna a la radiación se produce cuando un radionúclido es
inhalado, ingerido o entra de algún otro nodo en el torrente sanguíneo (por
ejemplo, inyecciones y heridas).
La exposición externa se puede producir cuando el material radiactivo
presente en el aire (polvo, liquido o aerosoles) se deposita sobre la piel o la
ropa. También puede resultar de la irradiación de origen externo (por ejemplo,
la exposición médica a los rayos X).
El daño que causa la radiación en los órganos y tejidos depende de la dosis
recibida, o dosis absorbida, que se expresa en una unidad llamada gray (Gy).
El daño depende del tipo de radiación y de la sensibilidad de los diferentes
órganos y tejidos. Las radiaciones ionizantes a corto plazo son las causales de
varias alteraciones, como: agotamiento físico y mental y dolores de cabeza,
entre otros [34].
23
5.5.3.3 Radiación no ionizante
Las radiaciones compuestas por cuantos de luz sin energía suficiente para
romper enlaces moleculares se conoce como radiación no ionizante. Al analizar
el espectro magnético, éste se divide por niveles de frecuencia o longitud de
onda. Las frecuencias se desarrollan entre los 0 y los 300 GHz.
- Frecuencias demasiado bajas (FEB): analizadas ente los rangos de
0Hz a 300Hz, y son aquellas generadas por sistemas eléctricos.
- Radiofrecuencias (RF): frecuencias comprendidas entre los rangos de
3 KHz a 300 MHz, que se observan entre las radiocomunicaciones en
AM y FM.
- Microondas (MO): frecuencias superiores a 300 MHz hasta 300 GHz,
son las generadas por microondas, radares, sistemas de comunicación,
telefonía móvil o celular que emplea bandas entre 800 MHz a 1800 MHz
[35].
Rango de frecuencias Principales aplicaciones
0 Hz – 8 Hz Líneas de energía para trenes eléctricos, resonancias magnéticas.
0,025 – 0,8 KHz Redes de energía eléctrica, líneas de energía, monitores de video.
0,8 – 150 KHz Monitores de video.
0,15 – 1 MHz Radio AM.
1 – 10 MHz Radio AM, diatermia.
10 – 400 MHz Radio FM, TV, sistemas móviles y de radionavegación, aeronáutica, teléfonos inalámbricos.
400 – 2000 MHz Telefonía móvil celular, servicio móvil satelital, teléfonos inalámbricos, sistemas de comunicación personal.
2 – 300 GHz Redes de telefonía inalámbrica, comunicaciones por microondas y vía satélite, radares, hornos microondas.
A frecuencias bajas, los campos eléctricos y magnéticos exteriores inducen
pequeñas corrientes circulantes en el interior del organismo. La intensidad de
estas corrientes depende de la intensidad del campo magnético exterior. Si es
suficientemente intenso, las corrientes podrían estimular los nervios y músculos
o afectar a otros procesos biológicos [36].
24
5.6 FORMAS DE CALENTAMIENTO CONVENCIONALES
La temperatura es uno de los factores más importantes en el desarrollo de
reacciones químicas, una reacción química que absorbe energía calorífica es
una reacción endotérmica. Estas reacciones necesitan calor del exterior para
poder completarse. En la reacción exotérmica hay que proporcionar energía al
sistema para que se inicie el proceso de reacción.
La temperatura a la cual se realiza una reacción tiene un efecto directo sobre la
velocidad, es decir, la velocidad de una reacción aumenta cuando aumenta la
temperatura, puesto que genera más choque efectivo entre las moléculas
reaccionantes como consecuencia del aumento de energía de las moléculas.
Como aproximación, un aumento de 10°C en la temperatura duplica la
velocidad de reacción [27].
5.6.1 Manta calefactora.
Es un recipiente de interior flexible formado por un filamento eléctrico forrado
de fibra de vidrio que adopta la forma de semiesfera, ajustándose a la forma del
matraz de reacción (Figura 12). La temperatura se controla mediante un
regulador y puede tener diferentes medidas para adaptarse al diámetro del
recipiente de fondo redondo que se quiere mantener caliente [27].
Figura 12. Manta calefactora
Fuente: recuperado de internet https://www.google.com.co/search
25
5.6.2 Baño calefactor.
Se basa en el uso de líquidos o sólidos que se calientan con un calefactor para
mantener la temperatura adecuada. Los líquidos tienen un buen coeficiente de
transferencia térmica y se pueden usar como medios para transmitir calor de
forma eficiente a las reacciones químicas. Para baños calefactores se deben
utilizar líquidos que no se evaporen fácilmente y que no sean inflamables a la
temperatura a la cual se quiere calentar.
Algunas características de los materiales usados en baños calefactores son:
- H2O: No es inflamable, no es tóxica y tiene bajo coste económico. Fácil
de limpiar. Se evapora fácilmente a temperaturas relativamente bajas.
- Aceite Mineral: Económico y fácilmente asequible. Después de un uso
continuado se degrada formando polímeros y adquiriendo color oscuro.
Difícil de manipular, especialmente cuando está caliente. Bajo punto de
inflamación.
- Ftalato de dibutilo: Menor tendencia a degradarse que el aceite
mineral. Alto punto de ebullición. Difícil de manipular, especialmente
cuando está caliente.
- Cera de parafina: Menor tendencia a degradarse que el aceite mineral.
Difícil de manipular, especialmente cuando está caliente.
- Aceite de silicona: Moderadamente caro. Peligro de salpicaduras si le
caen partículas sólidas o líquidas. Difícil de manipular.
- Aceite de silicona: Moderadamente caro. Peligro de salpicaduras si le
caen partículas sólidas o líquidas. Difícil de manipular.
- Arena: No hay límite de temperatura práctica. No inflamable. No se
degrada. No es tóxico, fácil de limpiar y se puede reutilizar tantas veces
como se quiera. Poco peligro de salpicaduras. Químicamente inerte a
los materiales orgánicos. Lenta para calentar y también para enfriar [27].
5.6.3 Bloque de aluminio.
Es un recipiente metálico con el interior de forma semiesférica, que se ajusta a
la forma del matraz de reacción. Tienen diferentes medidas para adaptarse al
diámetro del recipiente de fondo redondo que se quiere mantener caliente. Se
coloca sobre la placa calefactora. Disponen de orificios para colocar sondas
térmicas (Figura 13).
26
Figura 13. Bloque de aluminio
Fuente: Técnicas y operaciones avanzadas en el laboratorio químico (talq). Universidad de
Barcelona. [en línea] http://www.ub.edu/talq/es/node/233.
5.7 CALENTAMIENTO POR MICROONDAS
La interacción entre las microondas y los materiales viene dada por:
- Interacción dipolar.
- Conducción iónica.
5.7.1 Interacción dipolar
Se produce en presencia de moléculas polares. La rotación dipolar es una
interacción que induce a las moléculas polares a alinearse con el campo
eléctrico rápidamente cambiante de las microondas (Figura 14). El movimiento
rotacional de las moléculas al intentar orientarse con el campo produce
fricciones y colisiones responsables del calentamiento. La habilidad para
acoplarse por este mecanismo está relacionada con la polaridad de las
moléculas y su habilidad para alinearse con el campo eléctrico [11, 27].
27
Figura 14. Interacción dipolar con el campo
(a) Moléculas polares sin campo eléctrico aplicado (b) moléculas polares con campo
eléctrico aplicado. Fuente: recuperado de https://www.google.com.co/search
5.7.2 Conducción iónica
La condición iónica tiene lugar si hay iones libres o especies iónicas presentes
en la sustancia. El calor se genera a través de pérdidas por fricción, que
resultan de la migración de iones disueltos cuando sobre ellos actúa un campo
electromagnético. Las perdidas dependen del tamaño, carga y conductividad
de los iones disueltos e interacción de estos con el disolvente. La temperatura
de la sustancia también afecta la conducción iónica, cuanto mayor sea la
temperatura más eficiente será la transferencia de energía [11, 27].
Ambos mecanismos están influenciados por varios factores que son:
- La longitud de onda de la radiación
- Las propiedades físicas de la sustancia: constante dieléctrica, polaridad,
temperatura, viscosidad, capacidad térmica.
- Características del ion: tamaño, concentración, carga, movilidad.
Un parámetro que puede ser calculado es la perdida tangencial (factor de
disipación).
Donde
es la perdida dieléctrica
es la constante dieléctrica
es el factor de disipación
28
5.7.3 Incremento de la velocidad de reacción
La síntesis química se realiza proporcionando energía térmica a las moléculas
empleando una fuente de calor externa. En el calentamiento convencional el
calor se transmite a la sustancia pasando primero a través de las paredes del
recipiente para posteriormente alcanzar al disolvente y a los reactivos (Figura
15a). Este método de transferencia es un método lento ya que depende de la
conductividad de los materiales, la temperatura del recipiente siempre es mayor
que la temperatura de la mezcla de reacción mientras no transcurra el tiempo
suficiente para que el contenedor y el contenido alcancen el equilibrio térmico.
La conductividad también afecta el control de temperatura de reacción, ya que
las fuentes de calor se tienen que separar e incluso administrar frio para reducir
la temperatura interna de la reacción.
Figura 15. Proceso de calentamiento
(a) Calentamiento por conducción, (b) Calentamiento por microondas. Fuente: Síntesis asistida
por microondas de compuestos de interés biológico e industrial. 11 p.
El calentamiento por microondas es un proceso en el que las microondas se
acoplan directamente con las moléculas que están presentes en la mezcla de
reacción, permitiendo una rápida elevación de la temperatura. Como no es
dependiente de la conductividad térmica de los materiales, el resultado es un
instantáneo y localizado calentamiento de cualquier sustancia que reaccione
ante la polarización dipolar y/o la conducción iónica (Figura 15b). El
calentamiento por microondas ofrece la facilidad del control de la reacción. Lo
que se descri e como “encendido/apagado instantáneo” [11].
29
La radiación de microondas no afecta a la energía de activación necesaria para
iniciar la reacción, pero proporciona la suficiente energía, casi de forma
instantánea, para superar esta barrera y completar la reacción más
rápidamente y con mayor rendimiento que utilizando métodos convencionales
de calentamiento. El calentamiento de un material (disolvente o reactivo) bajo
irradiación de microondas depende de sus propiedades dieléctricas. La
capacidad de una sustancia específica para convertir la energía
electromagnética en calor a una determinada frecuencia y temperatura. Los
disolventes se pueden clasificar según este valor en: capacidad de absorción
de la energía de microondas alta ( ), media ( ) o baja
( ) [27].
Las ventajas del uso de esta técnica se pueden resumir en:
- Tiene lugar un mecanismo de transferencia de energía en lugar de
transferencia de calor, con las correspondientes ventajas económicas y
ecológicas.
- Se produce un calentamiento selectivo y orientado del material.
- El calentamiento es rápido llegando a temperaturas más altas, y en
consecuencia aumentando la velocidad de reacción.
- El calentamiento afecta directamente a las moléculas, lo que asegura la
síntesis de productos más puros por reducción de reacciones
secundarias, y por lo tanto rendimientos más altos.
- Los efectos térmicos son reversibles, dado que el calentamiento
empieza desde el interior del material con lo que presenta una mejor
eficiencia frente a los métodos de calentamiento convencional.
5.8 INTERCAMBIADRES DE CALOR
Los intercambiadores de calor son dispositivos que proporcionan la
transferencia de energía térmica entre dos o más fluidos a diferentes
temperaturas. Los intercambiadores de calor se utilizan en una amplia variedad
de aplicaciones, tales como producción de energía, procesos, industrias
químicas y alimenticias, electrónica, ingeniería ambiental, recuperación de calor
residual, aire acondicionado, refrigeración. Los intercambiadores de calor
pueden clasificarse de acuerdo con los siguientes criterios principales:
- Recuperadores / regeneradores.
- Procesos de transferencia: contacto directo y contacto indirecto.
- Geometría de construcción: tubos, placas y superficies extendidas.
- Mecanismos de transferencia de calor: monofásico y bifásico.
- Disposiciones de flujo: flujos paralelos, contracorrientes y flujos
cruzados.
30
5.8.1 Recuperación y Regeneración.
Los intercambiadores recuperadores se llaman así porque la corriente caliente
A recupera parte del calor de la corriente B, la transferencia de color ocurre a
través de la pared separadora o interface entre las corrientes (Figura 16a).
Figura 16. Recuperación y regeneración
(a) Intercambiador Recuperador, (b) Intercambiador Regenerador. Fuente: HEAT
EXCHANGERS: selection, rating, and termal design. 3ª ed. 2 p.
En regeneradores o intercambiadores de calor de tipo de almacenamiento, el
mismo paso de flujo (matriz) está ocupado alternativamente por uno de los dos
fluidos (Figura 16b). El fluido caliente almacena energía térmica en la matriz;
durante el flujo del fluido frio a través del mismo pasaje en un momento
posterior, la energía almacenada se extrae de la matriz [31].
5.8.2 Procesos de transferencia.
De acuerdo con el proceso de transferencia, los intercambiadores de calor se
clasifican como de contacto directo y contacto indirecto. En los
intercambiadores de tipo contacto directo, el calor se transfiere entre los fluidos
fríos y calientes a través de contacto directo entre estos fluidos. No hay pared
entre las corrientes calientes y frías y la transferencia de calor ocurre a través
de la interfaz entre las dos corrientes (Figura 17a).
31
Figura 17. Procesos de transferencia.
(a) Transferencia de calor contacto directo, (b) Transferencia de calor contacto indirecto.
Fuente: HEAT EXCHANGERS: selection, rating, and termal design. 3ª ed. 2 p.
En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, la energía térmica se
intercambia entre fluidos fríos y calientes a través de una superficie de
transferencia de calor, una pared que separa a los dos fluidos. Los fluidos fríos
y calientes fluyen simultáneamente mientras la energía térmica se transfiere a
través de una pared separadora (Figura 17b) [31].
5.8.3 Geometría de construcción.
5.8.3.1 Intercambiadores de calor tubulares.
Los intercambiadores de calor tubulares están construidos con tubos circulares,
un fluido fluye dentro del tubo y el otro fluido fluye por fuera del tubo. El
diámetro del tubo, en número de tubos, la longitud, el ángulo de los tubos y la
disposición de los tubos puede cambiar. Los intercambiadores tubulares se
pueden clasificar en:
- Intercambiador de calor de doble tubo: consiste en una tubería
concéntricamente dentro de otra tubería de mayor diámetro con
accesorios apropiados para dirigir el flujo de una sección a la siguiente.
- Intercambiador de calor de carcasa y tubo: están construidos con
tubos redondos montados en grandes carcasas cilíndricas con el eje del
tubo paralelo al de la carcasa de forma tal que el fluido que pasa por los
tubos haga un solo recorrido a lo largo de la carcasa, o dos recorridos.
- Intercambiador de calor tipo tubo espiral: consiste en bobinas
enrolladas en espiral colocadas en un caparazón o diseñadas como
condensadores coaxiales y evaporadores coaxiales que se utilizan en
sistemas de refrigeración [31].
32
5.8.3.2 Intercambiadores de calor de placas.
Están construidos de placas delgadas que forman canales de flujo. las
corrientes de fluido están separadas por placas planas que son lisas o entre las
cuales se encuentran las aletas corrugadas. Se pueden clasificar en:
- Intercambiadores de calor de placa conjuntas: consiste en una serie
de placas delgadas con ondulaciones o superficies onduladas que
separan los fluidos.
- Intercambiadores de calor de placas helicoidales: se forman
enrollando dos placas largas y paralelas en una espiral usando un
mandril y soldando los bordes de las placas adyacentes para formar
canales.
- Intercambiadores de calor de láminas: consiste en un conjunto de
canales de placas paralelas, soldadas, delgadas o laminares colocados
longitudinalmente en un caparazón [31].
5.8.3.3 Intercambiadores de superficie extendida.
Son dispositivos con aletas o apéndices en la superficie primaria de
transferencia de calor con el objeto de aumentar el área de transferencia de
calor. Los dos tipos más comunes de intercambiadores de calor de superficie
extendida son:
- Intercambiadores de calor de aleta y placa: las corrientes de fluido
están separadas por placas planas, entre las que se encuentran las
aletas intercaladas.
- Intercambiadores de calor de aleta tubular: consiste en una serie de
tubos con aletas fijadas en el exterior [31].
5.8.4 Disposiciones de flujo.
Los intercambiadores de calor también se pueden clasificar de acuerdo con la
ruta del fluido a través del intercambiador de calor.
- Flujo paralelo: las dos corrientes de fluido entran juntas en un extremo,
fluyen en la misma dirección y salen juntas en el otro extremo (Figura
18a).
- Contraflujo: las dos corrientes fluyen en direcciones opuestas (Figura
18b).
- Flujo cruzado: un fluido fluye a través de la superficie de transferencia
de calor en ángulo recto con la trayectoria de flujo del otro fluido (Figura
18c) [31].
33
Figura 18. Disposiciones de flujo
(a) Flujo paralelo, (b) Contraflujo, (c) Flujo cruzado. Fuente: HEAT EXCHANGERS:
selection, rating, and termal design. 3ª ed. 2 p.
5.8.5 Ecuaciones básicas.
El cambio de entalpia en una de las corrientes de fluido esta descrita por:
Donde es la tasa de flujo de masa, es la entalpia especifica, y es la tasa
de transferencia de calor al fluido involucrado.
( )
Donde e representan las entalpias de entrada y salida de la corriente de
fluido. Si hay transferencia de calor entre el intercambiador y su entorno
( )
Y
( )
Donde los subíndices y se refieren a los fluidos calientes (hot) y fríos (cold),
y los números y designan la condición de entrada o salida del fluido. Si los
fluidos no experimentan un cambio de fase y tienen calores específicos
constantes, con . Donde es el diámetro interno de la tubería y el
calor especifico a presión constante.
( ) ( )
Y
( ) ( )
La diferencia de temperatura ( ) varia con la posición en el
intercambiador de calor. La tasa de transferencia total entre los fluidos se
puede determinar por:
34
Donde es el área total de transferencia en el lado caliente o en el lado frio,
es el coeficiente de transferencia de calor global promedio basado en esa área.
es una función de . Si la tasa de transferencia total de
calor se conoce, la anterior ecuación es usada para calcular el área de la
superficie de transferencia de calor [31].
Coeficiente de transferencia de calor global
el coeficiente de transferencia de calor global para una pared plana y lisa se
puede calcular a partir de:
Donde es la resistencia térmica total al flujo de calor a través de la superficie
entre el flujo interior y exterior, es el espesor de la pared, y son los
coeficientes de transferencia de calor para flujos internos y externos. para el
intercambiador de calor tubular limpio y sin aletas, el coeficiente global de
transferencia de calor viene dado por:
( ⁄ )
La resistencia de la pared viene determinada por:
( )
( ⁄ )
( )
Al introducir la eficiencia de la aleta, la transferencia total se puede expresar
como [31]:
( )
5.9 ESTRATEGIAS DE CONTROL
Los primeros controladores de temperatura fueron del tipo on-off. Los
controladores on-off eran sencillos y baratos, pero tienen oscilaciones que son
inevitables. La amplitud de las oscilaciones se puede mantener en niveles
razonables, ya que la dinámica de muchos sistemas térmicos está dominada
por la constante de tiempo del proceso. Cuando la electrónica tuvo precios
competitivos, hubo una transición del control on-off al control PID continuo [32].
35
5.9.1 Control on-off.
El control on-off funciona al mantener la variable de proceso próxima al punto
de condigna, pero generalmente resulta en un sistema donde las variables
oscilan. La variable de control no está definida cuando el error es cero en este
tipo de controlador, es común realizar algunas modificaciones, introduciendo
una histéresis o una zona muerta. Su retroalimentación se puede describir
como:
{
}
Donde , es el valor de referencia y es la variable de proceso
[32].
5.9.2 Control proporcional.
La razón de por qué el control on-off a menudo da lugar a oscilaciones es que
el sistema sobreactúa, ya que un pequeño cambio en el error hará que la
variable manipulada varíe entre los valores máximos. Este efecto se evita en el
control proporcional, donde la característica del controlador es proporcional al
error de control para pequeños errores. Esto se puede conseguir haciendo la
señal de control proporcional al error.
( )
Donde es la ganancia del controlador [32].
5.9.3 Control integral.
El control proporcional tiene la desventaja de que la variable de proceso a
menudo se desvía del punto de consigna. esto se puede evitar haciendo la
acción de control proporcional a la integral del error.
( ) ∫ ( )
Donde es la ganancia integral.
36
5.9.4 Control PID.
Un refinamiento adicional consiste en dotar al controlador de una capacidad
anticipativa utilizando una predicción de la salida basada en una extrapolación
lineal. La acción de control PID en sistemas analógicos está dada por:
( ) [ ( )
∫ ( )
( )
]
Donde ( ) es la entrada al controlador (señal de error actuante), ( ) es la
salida del controlador (la señal manipulada), es la ganancia proporcional,
es el tiempo integral (o tiempo de reajuste) y es el tiempo derivativo (o de
adelanto) [32, 33].
La función principal de la acción integral es asegurarse de que la salida del
proceso coincide con el punto de consigna en estado estacionario. Con acción
integral, un pequeño error positivo conducirá siempre a una señal de control
creciente, y un error negativo dará una señal de control decreciente sin tener
en cuenta lo pequeño que sea el error. Por otra parte, el objetivo de la acción
derivativa es mejorar la estabilidad en el lazo cerrado [32].
Para obtener la función de transferencia del controlador PID digital se puede
discretizar la anterior ecuación. Donde se obtiene:
( ) [
( )] ( )
( ) [
( )] ( )
Donde
es la ganancia proporcional.
es la ganancia integral.
es la ganancia derivativa.
5.9.5 Control predictivo.
Un controlador PI solo considera datos presentes y pasados, y un controlador
PID además predice el comportamiento futuro del proceso mediante
extrapolación lineal. Han existido muchos intentos para encontrar otras formas
de predecir el comportamiento futuro del proceso y tener esta predicción para
37
generar las señales de control. Buenas predicciones pueden mejorar el
rendimiento del controlador, particularmente cuando el sistema tiene tiempos
de retardo, muy comunes en control de procesos. Los tiempos retardo pueden
surgir de un mecanismo de un retardo puro causado por el transporte o por el
tiempo consumido debido a computación o comunicación. Los retardos pueden
ser también causados por medidas obtenidas en análisis fuera de línea.
Pueden además aparecer cuando un sistema de alto orden o una ecuación en
diferencias parciales se aproxima con un modelo de bajo orden, como en la
conducción de calor [32].
38
6 ANÁLISIS QFD
figura 19. Análisis QFD
Fuente: Autor.
Hay que tener en cuenta algunas restricciones en cuanto a la selección y
aplicabilidad de los actuadores y sensores.
Para realizar la medición de la temperatura es necesario utilizar un sensor
que este blindado y el campo electromagnético no cause error en la toma
de datos, teniendo esto en cuenta se descarta el uso de termocuplas, ya
SUBSISTEMA DE GENERACION DE
MICROONDAS
Intercambiador de calor
Sistema de recirculación de
agua
Tanque de almacenamiento
Bomba de succión
Bomba sumergible
Bomba hidraulica
Sistema de control de
temperatura
detección del reactor
final de carrera
sensor magnetico
sensor infrarrojo
Sensado de la
temperatura
Termocupla Sensor
DS18B20
Termopares
Infrarrojo Sensor IR ZTP-115M
Termistores
Tarjeta de control
Contol Arduino
Arduino UNO
PLC
39
que su principio de funcionamiento es la diferencia de potencial entre dos
metales distintos.
En el interior de la cavidad resonante no puede haber ningún elemento
metálico, ya que podría causar inducción, creando arcos eléctricos
aumentando la posibilidad de generar sobrecalentamientos y daños al
equipo, por esta razón se aconseja utilizar un sensor de temperatura
infrarrojo, el cual, va a estar ubicado en la parte externa del horno
microondas.
En cuanto al control y adquisición de datos se propone utilizar una tarjeta
Arduino UNO, dispone de 14 pines que pueden configurarse como entrada
o salida y a los que puede conectarse cualquier dispositivo capaz de
transmitir o recibir señales digitales de 0 y 5 V, también dispone de entradas
y salidas analógicas. Mediante las entradas analógicas podemos obtener
datos de sensores en forma de variaciones continuas de un voltaje. Las
salidas analógicas suelen utilizarse para enviar señales de control en forma
de señales PWM.
El subsistema de recirculación está compuesto por un tanque de
almacenamiento lo suficientemente grande para almacenar 1 L de agua,
mangueras siliconadas para hacer la conexión entre los elementos del
subsistema, una bomba sumergible de pecera con una capacidad de
300L/H suficiente para bombear agua por todo el circuito.
Para el sistema de generación de microondas se utiliza un horno
microondas doméstico (con una capacidad de 700 W a una frecuencia de
2450 MHz) ya que este tipo de electrodoméstico tiene el sistema de
generación de microondas incorporado, además cuenta con protecciones
contra sobrecalentamiento que son útiles para el desarrollo del proyecto.
Se proponen estrategias de control ON/OFF y PID. Debido a que el proceso
de síntesis permite un error en la temperatura final de la reacción de ±5 °C
se pueden aplicar cualquiera de las dos estrategias de control.
Hay que tener en cuenta que el sensor de temperatura infrarrojo se ve afectado
por el campo electromagnético generado por el magnetrón, causando error en
la lectura de la temperatura, lo que imposibilita el uso del sensor mientras el
magnetrón este encendido. Por esta razón se opta por implementar una
estrategia de control tipo ON/OFF, en la que el valor de la temperatura será
medido en los intervalos de tiempo que el magnetrón este inactivo.
40
7 DISEÑO METODOLÓGICO
El proceso de síntesis actual se hace por medio de ciclos de radiación y
enfriamiento. Cada ciclo de radiación dura aproximadamente dos minutos
seguido del enfriamiento, en el proceso actual no se puede determinar cuál es
la temperatura de la reacción, para verificar la temperatura se toca el reactor
con la mano, si la temperatura es elevada al tacto se deja enfriar hasta que
llegue a una temperatura cercana a la del ambiente. Podríamos decir que se
mide la temperatura al tanteo. Este proceso se realiza seis veces, que es lo
que se requiere para realizar el proceso de síntesis. En caso de que al terminar
los seis ciclos el péptido no se haya formado, se realiza uno o dos ciclos más
hasta lograr la síntesis. Si una vez realizados los ciclos adicionales no se
realizó la síntesis, se procede a cambiar las sustancias involucradas en la
reacción y se realiza nuevamente el procedimiento.
La metodología para llevar a cabo el sistema de generación de microondas es
la siguiente:
Se necesita un horno microondas al cual se le abrirán una serie de agujeros,
estos agujeros servirán para instalar el intercambiador de calor, el reactor
donde se llevará a cabo la reacción química y las mangueras de distribución de
agua. Se modificará el sistema de control del horno microondas ya que se
necesita controlar la temperatura de la reacción.
Los materiales que van a estar dispuestos dentro del horno microondas tienen
que ser materiales que resistan altas temperaturas y que no interfieran con la
transmisión de energía durante la radiación. Por esta razón el material del
reactor y del intercambiador de calor es vidrio para laboratorio marca Pyrex, ya
que tiene una resistencia química muy buena y resiste altas temperaturas sin
deformarse, no se deforma por debajo de 550°C.
El reactor es donde se va a llevar a cabo la reacción química y donde van a
estar todas las sustancias involucradas en la síntesis del péptido (figura 20),
estará ubicado en el interior del intercambiador de calor. El intercambiador de
calor estará situado en la parte superior del horno microondas y su función
principal es minimizar las fugas de radiación al exterior (figura 21), ya que este
tipo de radiación puede ser perjudicial para la salud causando quemaduras en
la piel, es decir, para poder instalar el intercambiador dentro del horno
microondas, es necesario realizar un agujero en la parte superior de este, de
un diámetro tal que el intercambiador pueda ser instalado y retirado sin
problemas. A través del intercambiador circulara agua, con el fin de que el
fluido absorba la radiación y minimice la fuga al exterior. Además de esto
dentro del horno también va a ser instalado un tubo de vidrio dispuesto
verticalmente, este tubo va a estar conectado al tanque de almacenamiento y al
intercambiador de calor, cerrando el circuito por donde circulara el fluido. Es
necesario que circule agua dentro del horno microondas ya que esto evita que
se generen sobrecargar en el horno.
41
figura 20. Reactor
Fuente: fotografía.
figura 21.intercambiador de calor.
Fuente: fotografía.
Para hacer el monitoreo de la temperatura, un sensor directamente dispuesto
en la resina no es una opción debido a que durante la síntesis es posible que
42
se extraiga resina del reactor haciendo un raspado, por lo que el sensor puede
sufrir daños y causar una mala lectura de la temperatura. Un sensor en la parte
de afuera del reactor es la manera más viable para monitorear la temperatura.
El sistema de control de horno tiene que modificarse, para esto se va a utilizar
una tarjeta de control y adquisición de datos Arduino. Se programará el
protocolo para realizar la síntesis, dentro de este protocolo hay que tener en
cuenta la potencia del magnetrón, la temperatura dentro del horno y la
ubicación del reactor. La estrategia de control evaluara el valor de temperatura
dentro del horno y la comparara con un valor proporcionado por el usuario. El
rango de temperatura es 23°C (temperatura ambiente) – 70°C.
Dentro del protocolo de síntesis se realizarán 6 ciclos de radiación y
enfriamiento, se evaluará el péptido, si no se logra la síntesis, se realiza uno o
dos ciclos más de radiación y enfriamiento y se evalúa nuevamente el péptido.
En caso de que no se realice la síntesis se cambian los líquidos y sustancias
químicas y se reinicia nuevamente el protocolo. En la fase de radiación se
eleva la temperatura de la reacción a un máximo de 70°C y posteriormente se
deja enfriar hasta que alcance un valor aproximado de temperatura ambiente.
En caso de fugas, se tendrá en cuenta que estén dentro de los valores
permitidos por las normas y estándares. Se realizará una medición de la
potencia de radiación en el exterior del horno para establecer si las fugas están
dentro de los límites permitidos, en caso de no cumplir se harán las
correcciones necesarias y se realizara nuevamente una prueba.
43
44
8 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
45
9 RESULTADOS ESPERADOS
Construcción del subsistema de generación de microondas para el equipo
semiautomático de síntesis de péptidos.
Manual de acople con el equipo semiautomático de síntesis de péptidos.
Subsistema de lavados del sintetizador de péptidos semiautomático asistido
por microondas.
46
10 CONSTRUCCIÓN
El subsistema de generación de microondas está compuesto por un horno
microondas convencional marca Haceb, un intercambiador de calor, un reactor
y un circuito de activación. Para el bombeo de agua se emplea una bomba
sumergible a 120 Vac y un bombeo máximo de 300L/H.
Especificaciones técnicas - Horno microondas
Modelo AR HM-0.7 ME BL
Voltaje 120 V
Frecuencia 60 Hz
Potencia de entrada 1270 W
Potencia de cocción 700 W
Frecuencia horno microondas 2450 MHz
Capacidad nominal 0.020 m3
Volumen 0.0334 m3
Un horno microondas de 700 W de potencia es capaz de llevar a punto de
ebullición 250 mL de agua en aproximadamente 2 minutos, teniendo en cuenta
que la reacción tiene un volumen y una superficie más pequeñas, el tiempo en
el que la reacción alcanzará valores elevados de temperatura será mucho
menor, comúnmente se utilizan en sintetizadores de péptidos semiautomáticos
hornos microondas con una capacidad de entre 400 y 1000 W de potencia [11,
12, 13, 14, 15].
10.1 ADECUACION DEL HORNO MICROONDAS
De Acuerdo al diseño de la estructura, es necesario realizar una serie de
modificaciones al horno microondas, las cuales serán descritas paso a paso a
continuación:
- Un orificio de 5 [cm] de diámetro en la parte superior de la cavidad
resonante, debido a que es la ubicación de mayor altura, en donde se
dispondrá el reactor (Figura 22).
- Dos orificios de 1.5 [cm] de diámetro. Uno en la parte lateral del horno y
uno en la parte superior del mismo (Figura 23).
Cada orificio se hace de tal manera que exista la mínima distancia entre el
agujero y los elementos, disminuyendo las posibles fugas de radiación no
ionizante.
47
figura 22. Adecuación del horno microondas
Fuente: Fotografía.
figura 23. Adecuación del horno microondas
Fuente: Fotografía.
El horno microondas cuenta con unos accesorios adicionales que son: una
bandeja de cristal resistente al calor, una guía giratoria y un acoplador que se
acopla al eje del motor. Estos elementos no son necesarios para el proceso en
el cual se está trabajando, así que, se retiran. De igual forma el motor que hace
girar la base de cristal, no se utiliza en el proceso de síntesis, por lo cual, se
suspende su funcionamiento.
48
10.2 ESQUEMA MECÁNICO Y ELECTRÓNICO
figura 24. Esquema mecánico
Fuente: Autor.
Los elementos que componen el subsistema de generación de microondas son:
1. Tanque de almacenamiento.
2. Bomba sumergible.
3. Mangueras siliconadas.
4. Tubo de vidrio.
5. Intercambiador.
6. Horno microondas.
7. Panel de control.
figura 25. Esquema electrónico PCB
Fuente: Autor.
49
figura 26. Esquema eléctrico horno microondas
Fuente: Modificado de Manual de usuario horno microondas.
figura 27. Esquema electrónico
Fuente: Autor.
50
figura 28. PCB componentes
Fuente: Autor.
figura 29. PCB pistas
Fuente: Autor.
10.3 SISTEMA DE RECIRCULACIÓN DE AGUA
El subsistema de generación de microondas cuenta con un sistema de
recirculación de agua que evita sobrecalentamiento dentro de la cavidad
resonante y daños al equipo.
El sistema de recirculación de agua cuenta con un tanque de almacenaje con
una capacidad de aproximadamente 1,2 L, una bomba sumergible de acuario
con una tasa de flujo máximo de 300 L/H, fácil de lavar y desmontar y
51
mangueras siliconadas para la distribución del líquido que se adaptan al
sistema por su flexibilidad (Figura 30).
figura 30. Materiales
Fuente : Google imágenes. (a) Tanque de almacenaje, (b) bomba sumergible, (c) manguera
siliconada.
Especificaciones técnicas - Bomba sumergible
Voltaje 120 V
Frecuencia 60 Hz
Potencia 4 W
Flujo máximo 300 L/H
Para dimensionar la bomba sumergible se tiene en cuenta que la bomba debe
ser capaz de mover entre 5 y 6 veces el volumen del tanque de
almacenamiento por hora. La cantidad de agua necesaria para el subsistema
de recirculación no supera los 3 L ( L).
52
figura 31. Esquema de conexión
Fuente: Autor.
Siguiendo el esquema de la figura 31, la bomba sumergible se ubica en el
interior del tanque de almacenaje, la manguera de salida de la bomba se
conecta al tubo de vidrio dispuesto verticalmente en el interior del horno
microondas, la salida de este se conecta al intercambiador y este cierra el
circuito conectando la manguera que desemboca en el tanque de almacenaje
(Figura 32).
figura 32. Montaje
Fuente: Fotografía.
53
10.4 TOMA DE DATOS
Para hacer la lectura de la temperatura se utiliza el sensor infrarrojo ZTP-115M
marca AMPHENOL (figura 33).
Especificaciones técnicas - Sensor ZTP-115M
Voltaje alimentación 5 Vdc
Corriente 2.7 mA
Tiempo de respuesta 0.3 – 0.6 S
Rango de temperatura -40 - 145 °C
Tipo de salida Analógica 0 – 5 Vdc
figura 33. Sensor de temperatura
Fuente: Google imágenes.
figura 34. Respuesta del sensor
Fuente: Modificada de Datasheet ZTP-115M.
La tarjeta de control Arduino UNO en sus pines analógicos registra valores de 0
a 1023, por lo tanto, se realiza un mapeo de la señal, convirtiendo el valor
54
registrado a un valor de 0 - 5Vdc. De acuerdo con el Datasheet para cada valor
de voltaje existe un valor de temperatura [°C] (Figura 34). Por medio del
programa online WebPlotDigitizer se digitalizo la imagen y se obtuvieron los
valores correspondientes de voltaje y temperatura, de esta manera se obtuvo la
ecuación que integra voltaje y temperatura. Una vez se obtiene la ecuación, el
programa de Arduino se encarga de hacer la operación y entregar el valor de la
temperatura en grados Centígrados (C°) (Figura 35, Figura 36).
figura 35. Programa ZTP-115M
Fuente: Autor.
55
figura 36. Lectura ZTP-115M
Fuente: Autor.
Para realizar una adecuada lectura de la temperatura el sensor tiene que estar
ubicado en el parte superior del horno, concéntrico con el orificio de 5 (cm), de
esta manera se garantiza una lectura más precisa. Se diseña un soporte para
el sensor de tal forma que cumpla con los requerimientos antes descritos
(Figura 37).
figura 37. Soporte ZTP-115M
Fuente: Autor.
56
10.5 ACTIVACION
El sistema de circulación de agua va a estar activo durante todo el proceso, es
decir, una vez empiece el proceso de síntesis se activa el sistema y solo se
apaga una vez que todo el proceso haya finalizado.
La activación de la bomba se hace por medio de un relé montado en board
para Arduino (Figura 38), la tarjeta de control envía una señal digital al relé en
donde se da la orden de encender o apagar el sistema (Figura 39).
figura 38. Rele.
Fuente: Google imágenes.
figura 39. Activación relé
Fuente: Autor.
El sistema de generación de microondas está compuesto por un transformador,
un capacitor, un diodo de alto voltaje y el magnetrón. Para la activación del
sistema se implementa un circuito de control (Figura 40), el cual por medio de
una señal digital el transistor 2N3904 activa el relé que permite el paso de la
energía de la red de 120 Vac al transformador de alto voltaje. (Figura 40).
57
figura 40. Circuito de control
Fuente: Autor.
Se observa que la lectura de la temperatura se ve afectada por las microondas,
es decir, la lectura de temperatura presenta datos erróneos cuando se activa el
magnetrón. Por esta razón se implementa un circuito de control similar al del
sistema de generación de microondas para activar el sensor de temperatura, es
decir, el sensor de temperatura solo estará activo cuando el sistema de
generación de microondas este apagado, de esta manera se evita la
interferencia de las microondas en la toma de datos.
10.6 CONTROL
El control elegido es un control on/off ya que el proceso no necesita demasiada
precisión en la temperatura, como se mencionó previamente, se permite un
error de ±5 °C, se comparó el proceso de síntesis con procesos similares
sometidos a calentamiento por microondas y se evidencio que un control on/off
cumple a cabalidad los requerimientos [39, 40] y que la implementación de una
estrategia de control más compleja es viable si se tiene un sensor que cuente
con blindaje contra microondas, ya sea una sonda o un sensor infrarrojo, con el
que se pueda tener una medición continua de la temperatura.
10.6.1 Calibración del sensor
Al momento de realizar la medición de la temperatura, se identifican dos
problemas.
- El valor de la temperatura varia cuando el magnetrón este encendido.
- El valor de la temperatura se ve afectado por el material del reactor,
dando como resultado un valor de temperatura erróneo.
Para solucionar el primer problema se utiliza un conversor de voltaje Ac-Dc el
cual trabaja a 120 Vac y tiene una salida de 5 Vdc, este módulo es activado por
58
una señal digital proporcionada por la tarjeta Arduino UNO, de tal manera que,
la señal digital activa el circuito de control y permite el funcionamiento del
sensor.
En cuanto al segundo problema, se necesita calibrar el valor de la temperatura
arrojada por el sensor al valor real. Para esto se utiliza el sensor tipo sonda
DS18B20 (Figura 41), con este sensor se hace una tabla comparativa de
temperatura entre un sensor y otro. Al ser un sensor de contacto no se ve
afectado por el tipo de material del que está hecho el reactor (Figura 42).
figura 41. Sensor DS18B20
Fuente: Google imágenes.
figura 42. Comparación temperatura
Fuente: Autor.
Los valores obtenidos se compararon con un termómetro de mercurio, con el
cual se validó que los valores del sensor DS18B20 presentan un error de ±1
°C.
El proceso para calibrar el sensor fue el siguiente:
59
Se calientan 14ml de agua durante distintos intervalos de tiempo, de manera tal
que, una vez apagado el magnetrón se registra el valor de temperatura
suministrado por cada sensor (Figura 43).
figura 43. Temperatura sensores
Fuente: Autor.
Una vez realizada la toma de datos se realiza la comparación entre los dos
valores de temperatura como se muestra en la Figura 37.
figura 44. Comparación temperatura
Fuente: Autor.
La ecuación que involucra la medida tomada por los dos sensores es la
siguiente:
Donde:
es la temperatura suministrada por el sensor DS18B20.
60
es la temperatura suministrada por el sensor ZTP-115M.
De esta manera se asegura que la temperatura tomada con el sensor infrarrojo
sea igual a la temperatura real del objeto, con una diferencia de ±2°C.
10.6.2 Programa de Arduino
Se presentan dos modos de funcionamiento del subsistema de generación de
microondas, uno manual y otro semiautomático.
El modo de funcionamiento manual manipula el tiempo del ciclo útil del
magnetrón, es decir, el usuario puede seleccionar el tiempo que desea que el
producto este expuesto a la radiación de microondas, por tanto, podrá
seleccionar los requerimientos que el programa pedirá al usuario para poder
iniciar la asignación de las siguientes condiciones:
- Tiempo de radiación.
- Tiempo sin radiación.
- Tiempo total.
La temperatura se registra, pero el equipo no tiene en cuenta esta variable para
detener el proceso, solo se detendrá el proceso cuando haya pasado el tiempo
total elegido. Para más detalle del funcionamiento se puede consultar el
manual de usuario.
El modo de funcionamiento semiautomático requiere que se tenga un
control de temperatura, es decir el usuario selecciona cual es el rango de
temperatura al que el equipo debe llegar. Los requerimientos para este modo
de funcionamiento son:
- Rango de temperatura máxima.
- Cantidad de ciclos.
- Duración de cada ciclo.
El proceso de síntesis requiere de varios ciclos en los cuales el péptido va a
estar sometido a radiación. Cada ciclo tiene un periodo de radiación seguido de
un periodo sin radiación en donde se espera que la reacción disminuya su
temperatura o a que el usuario de continuidad al proceso. El periodo de tiempo
en el cual la reacción está sometida a radiación depende de la temperatura de
la reacción como se observa en la Figura 45.
61
figura 45. Tiempo de encendido
Fuente: Autor.
La ecuación que determina el tiempo de encendido del magnetrón es:
Donde:
es el tiempo de encendido del magnetrón.
es la temperatura.
Al iniciar el programa, se visualiza la temperatura actual de la reacción,
posteriormente se enciende el sistema de recirculación de agua, se calcula el
tiempo necesario para que la reacción alcance el valor de temperatura
suministrado por el usuario, una vez terminado, se apaga el magnetrón y se
energiza el sensor infrarrojo, para tomar el valor de temperatura, si la
temperatura es inferior a la necesaria se calcula nuevamente el tiempo de
radiación encendiendo el magnetrón.
Experimentalmente se comprobó que para que haya una buena lectura de la
temperatura es necesario energizar el sensor por cinco segundos.
Después de terminar el tiempo de cada ciclo se visualiza la temperatura actual
de la reacción, se espera hasta que la temperatura descienda o que el usuario
de la instrucción para continuar con el siguiente ciclo. Una vez terminados
todos los ciclos, se da por terminado el programa y se apaga el sistema de
recirculación de agua. Para más detalles del funcionamiento, puede consultar
el manual de usuario. El código de Arduino se puede observar con más detalle
en el Anexo A.
62
10.7 VALIDACIÓN
Para comprobar el funcionamiento del subsistema de generación de
microondas se realizaron diferentes pruebas en las que se modificó el tiempo
de ciclo y el valor de la temperatura.
Las pruebas se realizaron en un rango de temperatura de 40°C a 60 °C
aumentando la temperatura en 5 °C, se tuvo en cuenta que las reacciones no
van a superar los 65 °C; los tiempos de ciclo se determinaron con una
variabilidad de rangos entre 60seg a 180seg para cada valor de temperatura.
T: 40°C
63
Se realizó la comparación de temperaturas con un instrumento de medición
estándar (termómetro infrarrojo TachIR) proporcionado por la universidad, el
cual tiene una precisión de ±0,5 °C. De tal manera que proporciona un valor de
temperatura, medido por el instrumento de laboratorio y el sensor infrarrojo
dispuesto para el subsistema que varía en un rango promedio de ±3 °C, como
se observa en los gráficos presentados en los que el error de la temperatura
aumenta a ± 5 °C. De esta manera se puede concluir que la estrategia de
control es efectiva para rangos de temperatura de hasta 40 °C.
T: 60°C
64
De acuerdo con lo anterior se presenta de una manera más clara y completa en
el anexo B los resultados las pruebas realizadas, en donde varia la temperatura
con respecto a los sensores, en esta validación s e observa que el error
promedio se mantiene en ±3 °C.
Posteriormente se realizó una segunda prueba de validación, se realizaron en
total treinta pruebas en las que se variaron los valores de temperatura y tiempo,
el tiempo en un rango de 60 y 120 segundos y la temperatura en un rango de
40, 50 y 60 °C.
19,27 18,88 19,27 18,54 19,74 21 20 20 20 21
59,38 60,41 60,41 59,89 60,7 63 59 59 60 62
0
100
0 2 4 6
TEM
PER
ATU
RA
°C
PRUEBAS
COMPORTAMIENTO DE T° T I EM P O : 1 8 0 S
T EM P : 6 0 ° C
TempZTP115Minicial
TempTachIRinicial
65
T: 40°C – 60s
T:40°C – 120s
Como se puede observar para la temperatura de 40°C el comportamiento es
muy similar y los rangos de error son muy bajos ±3 °C.
66
T: 60°C – 60s
T:60°C – 120s
Para una temperatura de 60 °C el rango de error aumenta en ±1 °C con
respecto a temperaturas menores. Por otra parte, también se hicieron pruebas
con temperaturas de 65 y 70 °C para observar el comportamiento del
subsistema.
67
T: 65°C – 120s
T:70°C – 120s
Se observa que es una constante que a mayor temperatura el rango de error
del subsistema tiende a aumentar, sin embargo, aún está dentro de los
parámetros permitidos (±5 °C).
68
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Teniendo en cuenta que el proceso químico al que se hace referencia en el
proyecto no necesita tener exactitud en la temperatura final, debido a que
se pueden presentar un rango de error ±5 °C, se identifica que la
implementación de un control on/off es suficiente para llevar a cabo el
proceso de síntesis obteniendo péptidos con porcentajes de rendimiento
aceptable.
En la ejecución del proyecto se llevó a cabo la realización de pruebas piloto
con dos tipos de sensores, sensor infrarrojo ZTP-115M y sensor tipo sonda
DS18B20, el sensor tipo sonda se utilizó para calibrar el sensor infrarrojo
debido a que este se ve afectado por el material del reactor; se debe de
tener en cuenta que para el caso la opción más viable es el sensor
infrarrojo, debido a que sus características disminuyen interferencia emitida
por las ondas del microondas y no se tiene contacto con materiales
metálicos.
El presente tiene como finalidad dar apoyo a la investigación y desarrollo de
la Universidad Autónoma de Bucaramanga (UNAB), este es un trabajo
conjunto con estudiantes y docentes, en donde se redactó un manual de
usuario, que especifica la instalación, conexión y uso del subsistema y así,
garantizar el funcionamiento de todo el sistema de síntesis de péptidos.
Se observó durante las pruebas de validación que el rango de error
aumenta en temperaturas elevadas, si bien está dentro de los rangos de
error permitidos, hay que estudiar la causa de este incremento y determinar
la solución óptima.
Con la búsqueda de sensores aptos para trabajar bajo los efectos de la
microondas, se puede garantizar un mejor control de la temperatura al
implementar estrategias de control más robustas, con el fin de eliminar el
comportamiento oscilatorio que se observa implementando un control on/off.
Se recomienda para trabajos futuros cuantificar la fuga de radiación no
ionizante presente en el subsistema, evaluar si la exposición a este tipo de
radiación está dentro de los parámetros establecidos y en caso de no
estarlo implementar un sistema que ayude a minimizar o eliminar las fugas
de radiación.
69
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http://doi.org/10.17981/ingecuc.13.2.2017.06
73
12 ANEXOS
ANEXO A. Código de Arduino
74
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ANEXO B. Validación
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0%Te
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fin
al48
.34
503.
434%
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l20
.920
Tem
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inal
49.4
953
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2%Te
mp
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.78
520.
425%
Tem
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51.7
850
3.43
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48.3
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3.43
4%Te
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al50
.64
522.
686%
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52.9
530.
189%
pru
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a 5
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eb
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.58
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ial P
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.58
23
Tem
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inal
P1
58.3
356
3.99
5%Te
mp
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156
.257
1.42
3%Te
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561.
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ial
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ial
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Tem
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inal
56.2
583.
203%
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inal
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3.43
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Tem
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.923
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inal
55.1
157
3.43
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al60
.41
583.
989%
Tem
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ial
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.49
572.
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Tem
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ial
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722
Tem
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inal
57.2
457
0.41
9%Te
mp
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al59
.45
574.
121%
Tem
p f
inal
58.3
458
0.58
3%
pru
eb
a 1
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a 1
pru
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l P1
18.5
919
Tem
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l P1
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721
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inal
P1
58.3
361
4.57
7%Te
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al P
159
.38
612.
728%
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ial
18.2
921
Tem
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.88
20
Tem
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inal
59.3
862
4.41
2%Te
mp
fin
al58
.33
614.
577%
Tem
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inal
60.4
159
2.33
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ial
19.2
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Tem
p f
inal
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861
2.72
8%Te
mp
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al60
.41
622.
632%
Tem
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159
2.33
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ial
18.7
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20
Tem
p f
inal
58.3
361
4.57
7%Te
mp
fin
al59
.37
612.
745%
Tem
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inal
59.8
960
0.18
4%
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ial
18.2
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21
Tem
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inal
60.4
162
2.63
2%Te
mp
fin
al59
.89
611.
853%
Tem
p f
inal
60.7
622.
142%
pru
eb
a 4
pru
eb
a 4
pru
eb
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pru
eb
a 3
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eb
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eb
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eb
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eb
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tem
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ra :
60°C
90
T: 60°C
19,27 18,88 19,27 18,54 19,74 21 20 20 20 21
59,38 60,41 60,41 59,89 60,7 63 59 59 60 62
0
100
0 2 4 6
TEM
PER
ATU
RA
°C
PRUEBAS
COMPORTAMIENTO DE T° T I EM P O : 1 8 0 S
T EM P : 6 0 ° C
TempZTP115Minicial
TempTachIRinicial
91
ANEXO C. Segunda validación
Tiempo 60s Temp Ref: 40°C Tiempo 120 Temp Ref: 40°C
Temp ZTP115M inicialTemp TachIR inicialError Temp ZTP115M inicialTemp TachIR inicialError
Temp inicial P1 22 23 Temp inicial P1 18 19
Temp final P1 38 36 5.263% Temp final P1 39 39 0.000%
Tiempo 60s Temp Ref: 40°C Tiempo 120 Temp Ref: 40°C
Temp ZTP115M finalTemp TachIR finalError Temp ZTP115M finalTemp TachIR finalError
Temp inicial P2 19 19 Temp inicial P2 19 19
Temp final P2 38 39 2.632% Temp final P2 40 40 0.000%
Tiempo 60s Temp Ref: 40°C Tiempo 120 Temp Ref: 40°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial P3 17 18 Temp inicial P3 20 18
Temp final P3 38 40 5.263% Temp final P3 38 35 7.895%
Tiempo 60s Temp Ref: 40°C Tiempo 120 Temp Ref: 40°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial P4 17 18 Temp inicial P4 19 19
Temp final P4 39 40 2.564% Temp final P4 38 37 2.632%
Tiempo 60s Temp Ref: 40°C Tiempo 120 Temp Ref: 40°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial P5 17 18 Temp inicial P5 18 19
Temp final P5 40 41 2.500% Temp final P5 39 39 0.000%
prueba 5 prueba 5
prueba 2 prueba 2
prueba 3 prueba 3
PRUEBAS
Tiempo 60 seg
temperatura : 40°C
PRUEBAS
Tiempo 120 seg
temperatura : 40°C
prueba 1 prueba 1
prueba 4 prueba 4
92
T: 40°C – 60s
T:40°C – 120s
93
Tiempo 60 Temp Ref: 50°C Tiempo 120 Temp Ref: 50°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial P1 23 21 Temp inicial P1 21 20
Temp final P1 50 51 2.000% Temp final P1 48 49 2.083%
Tiempo 60 Temp Ref: 50°C Tiempo 120 Temp Ref: 50°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 19 19 Temp inicial 20 22
Temp final 50 53 6.000% Temp final 49 52 6.122%
Tiempo 60 Temp Ref: 50°C Tiempo 120 Temp Ref: 50°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 18 20 Temp inicial 21 22
Temp final 48 51 6.250% Temp final 48 49 2.083%
Tiempo 60 Temp Ref: 50°C Tiempo 120 Temp Ref: 50°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 18 20 Temp inicial 21 22
Temp final 47 50 6.383% Temp final 47 47 0.000%
Tiempo 60 Temp Ref: 50°C Tiempo 120 Temp Ref: 50°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 18 20 Temp inicial 21 23
Temp final 48 51 6.250% Temp final 49 52 6.122%
prueba 3 prueba 3
prueba 4 prueba 4
prueba 5 prueba 5
PRUEBAS
Tiempo 60 seg
temperatura : 50°C
PRUEBAS
Tiempo 120 seg
temperatura : 50°C
prueba 1 prueba 1
prueba 2 prueba 2
94
T: 50°C – 60s
T:50°C – 120s
21 20 21 21 21
48 49 48 47 49
20 22 22 22 23
49 52
49 47 52
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6
Tem
per
atu
ra C
°
Pruebas
COMPORTAMIENTO DE T° TIEMPO:120S TEMP: 50°C
Temp ZTP115M inicial
Temp ZTP115M final
Temp TachIR inicial
Temp TachIR final
95
Tiempo 60 Temp Ref: 60°C Tiempo 120 Temp Ref: 60°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial P1 20 18 Temp inicial P1 18 18
Temp final P1 57 61 7.018% Temp final P1 60 63 5.000%
Tiempo 60 Temp Ref: 60°C Tiempo 120 Temp Ref: 60°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 18 19 Temp inicial 21 20
Temp final 59 63 6.780% Temp final 60 63 5.000%
Tiempo 60 Temp Ref: 60°C Tiempo 120 Temp Ref: 60°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 18 20 Temp inicial 18 19
Temp final 58 61 5.172% Temp final 60 62 3.333%
Tiempo 60 Temp Ref: 60°C Tiempo 120 Temp Ref: 60°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 17 19 Temp inicial 20 19
Temp final 58 61 5.172% Temp final 59 60 1.695%
Tiempo 60 Temp Ref: 60°C Tiempo 120 Temp Ref: 60°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 17 18 Temp inicial 22 20
Temp final 59 62 5.085% Temp final 60 59 1.667%
prueba 5 prueba 5
PRUEBAS
Tiempo 60 seg
temperatura : 60°C
PRUEBAS
Tiempo 120 seg
temperatura : 60°C
prueba 1 prueba 1
prueba 2 prueba 2
prueba 3 prueba 3
prueba 4 prueba 4
96
T: 60°C – 60s
T:60°C – 120s
97
Tiempo 120 Temp Ref: 65°C Tiempo 120 Temp Ref: 70°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial P1 20 18 Temp inicial P1 19 20
Temp final P1 64 66 3.125% Temp final P1 68 69 1.471%
Tiempo 120 Temp Ref: 60°C Tiempo 120 Temp Ref: 70°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 17 18 Temp inicial 20 19
Temp final 65 67 3.077% Temp final 68 72 5.882%
Tiempo 120 Temp Ref: 60°C Tiempo 120 Temp Ref: 70°C
Temp ZTP115MTemp TachIR Error Temp ZTP115MTemp TachIR Error
Temp inicial 18 18 Temp inicial 19 20
Temp final 65 68 4.615% Temp final 69 73 5.797%
prueba 3 prueba 3
PRUEBAS
Tiempo 120 seg
temperatura : 65°C
PRUEBAS
Tiempo 120 seg
temperatura : 70°C
prueba 1 prueba 1
prueba 2 prueba 2
98
T: 65°C – 120s
T:70°C – 120s
