REVISTA DE LA UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER · Ph.D. Héctor Jaime Dulce Moreno, Ciencias Naturales Física. Universidad Industrial de Santander, UIS, Colombia, Universidad

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RESPUESTAS - Año 12 No. 1 - Julio 2007 ISSN 0122820X

Coordinación y dirección general

Jorge Sánchez Molina, Esp.

Comité Editorial

Pablo Pastor Mogollón Sánchez, Ph.D.Universidad Francisco de Paula Santander

José Ignacio Huertas, Ph.D.Centro de Investigación en Ingeniería Automotríz-

CIMA. Tecnológico de Monterrey

Florentino Malaver Rodríguez, Ph.D.Pontificia Universidad Javeriana

José Humberto Escalante, Ph.D.Universidad Industrial de Santander

Jesús Ernesto Urbina Cárdenas, M.Sc.Universidad Francisco de Paula Santander

Jorge Fernando Marquéz Peñaranda, M.Sc.Universidad Francisco de Paula Santander

Comité Científico

Carmen Leonor Barajas, Ph.D.Universidad Francisco de Paula Santander

Héctor Jaime Dulce Moreno, Ph.D.Universidad Francisco de Paula Santander

Wencel De la Cruz Hernández, Ph.D.Universidad Nacional Autónoma de México

Marco Antonio Márquez Godoy, Ph.D.Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.

Editores

Ruth Stella Giraldo G.Gabriel Peña Rodríguez, Ph.D.

Los artículos publicados en esta revista se pueden reproducir total o parcialmente, citando la fuente y el

autor.

Diseño Diagramación e Impresión

Offset La Opinión S.A. 5710632Cúcuta, Colombia

REVISTA DE LA UNIVERSIDADFRANCISCO DE PAULA SANTANDER

San josé de Cúcuta, Diciembre 2007 No. 1ISSN 0122820X

Publicación científica que presenta la producción de trabajo de investigación de la Universidad Francisco de Paula santander y la comunidad científica en general.

Está abierta a ensayos, artículos de divulgación científica, de revisión, de reflexión y a informes de investigación de todas las ramas del saber, cuya calidad se determinará

por el grado de innovación y por el cambio del estado del conocimiento que presenten los artículos publicados.

Periodicidad

Semestral

Presentación

Todos los artículos recibidos se someten antes de su publi-cación a la revisión crítica de pares evaluadores externos

del plantel.

Los autores de los trabajos asumen toda responsabilidad que pudiera derivarse de los mismos.

Admitida en el Índice Bibliográfico Nacional PUBLINDEX, Colciencias, Categoría C.

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AGRADECIMIENTOS A LOS PARES EVALUADORES

Ph.D. Carmen Leonor Barajas, Ingeniería Química. Universidad Industrial de Santander UIS, Universidad Francisco de Paula Santander.

Ph.D. Héctor Jaime Dulce Moreno, Ciencias Naturales Física. Universidad Industrial de Santander, UIS, Colombia, Universidad Francisco de Paula Santander.

Ph.D. Gabriel Peña Rodríguez, Ingeniería de Materiales, Instituto Politécnico Nacional, IPN, México, Universidad Francisco de Paula Santander.

Ph.D. José Humberto Escalante, Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander, UIS, Colombia

Ph.D. Wencel de la Cruz Hernández, Universidad Nacional Autónoma de México. Ensenado Baja California México

Ph.D. Giovanni Cancino E. Ciencias Biotecnología Vegetal, Universidad de Pamplona.

Ph.D. Maria Esther Rivera, Licenciada en Matemáticas y Física. Doctorado en Hidrológia, Universidad de Pamplona.

Ph.D. Pablo Pastor Mogollón Sánchez, Ingeniería Química, Universidad Francisco de Paula Santander.

Ph.D. José Ignacio Huertas, Ingeniería Mecánica, Centro de Investigación de Ingeniería Automotriz – CIMA. Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey México. Campus, Toluca.

Ph.D. Juan Carlos Moreno, Ingeniería Química, Universidad de los Andes. Colombia

M.Sc. Javier Mauricio Antelis Ortiz, Ingeniería Electronica, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Guadalajara México.

M.Sc. Alina K. Sigarroa Rieche, Ingeniera Agrónomo, Universidad Francisco de Paula Santander.

M.Sc. Laura Yolima Moreno Rozo, Microbióloga, Universidad Francisco de Paula Santander.

M.Sc. Carmen Liceth García, Maestría en Ciencias, Zootecnista, Universidad Francisco de Paula Santander- Seccional Ocaña.

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CONTENIDO

CARACTERIZACIÓN MORFOLÓGICA DE PELÍCULAS DELGADAS DE Cu/Cd OBTENIDAS POR ELECTRODEPOSICIÓN

MORPHOLOGIC CHARACTERIZATION OF THIN FILMS Cu/Cd OBTAINED BY ELECTRODEPOSICION

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IDENTIFICACIÓN DE HONGOS FITOPATÓGENOS Y PRESENCIA DE SALMONELLA SP EN COMPOST DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

PHYTOPATHOGENS FUNGI IDENTIFICATION AND SALMONELLA SP PRESENCE IN COMPOST FROM WASTEWATER TREATMENT PLANTS

12

AMPLIACIÓN DEL ANÁLISIS DE DIVERSIDAD GENÉTICA DE PALMA DE ACEITE PROVENIENTE DE ANGOLA

EXPANSION OF THE GENETIC DIVERSITY ANALYSIS OF OIL PALM FROM ANGOLA

20

MOTOR DE RELUCTANCIA CONMUTADA: MODELADO, SIMULACIÓN Y CONTROL

SWITCHED RELUCTANCE MOTOR: MODEL, SIMULATION AND CONTROL

29

ESTUDIO DE ALTERNATIVAS PARA LA RECUPERACION DE AGUAS RESIDUALES EN EL PROCESO DE OBTENCIÓN DE ACEITE DE PALMA EN LA PLANTA DE BENEFICIO DE GUAICARAMO S.A. META

STUDY OF ALTERNATIVES FOR THE RESIDUAL WATER RECOVERY IN THE PROCESS OF OBTAINING OF THE PALM OIL IN THE PLANT OF BENEFIT OF GUAICARAMO S.A. META

38

EVALUACIÓN DE CALIZAS PARA LA OBTENCIÓN DE UNA CAL PARA EL SUAVIZAMIENTO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS A NIVEL DE LABORATORIO, UTILIZADAS PARA CONSUMO HUMANO EN EL

MUNICIPIO DE VILLA DEL ROSARIO, DEPARTAMENTO NORTE DE SANTANDER

EVALUATION OF LIMESTONES FOR OBTAINING OF A LIME FOR THE SOFTENING OF UNDERGROUND WATERS AT LABORATORY LEVEL, USED FOR HUMAN CONSUMPTION IN THE MUNICIPALITY OF VILLA DEL ROSARIO, DEPARTMENT NORTE DE SANTANDER

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EDITORIAL

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1GRUPO DE SUPERFICIES ELECTROQUÍMICA Y CORROSIÓN. Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Av. Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia Tels: 57 (8) 7422174-75. Ext. 1803, 1800 E-mail: [email protected]

CARACTERIZACIÓN MORFOLÓGICA DE PELÍCULAS DELGADAS DE CU/CD OBTENIDAS POR ELECTRODEPOSICIÓN

Por: William Aperador1, Ariel Camargo1, Cesar Ortiz1, Enrique Vera1.

RESUMEN

Este trabajo presenta el uso de la técnica de corrien-te directa y la implementación de las técnicas de co-rriente pulsante con inversión (PRC) y sin inversión de polaridad (PDC) para electrodepositar películas del-gadas Cu/Cd en forma de bicapa sobre substratos de Zamak. Se estudió la influencia de las diferentes variables involucradas en cada uno de los procesos: voltaje y tiempo de deposición (VHigh y tHigh), voltaje y tiempo de disolución (VLow y tLow) y el ciclo de carga ( =tHigh /tHigh+tLowf), obteniendo como respues-ta el monitoreo de la corriente anódica (ILow) y ca-tódica (IHigh). Los electrodepósitos de Cu/Cd se ca-racterizaron mediante microscopia óptica de barrido para hallar el tamaño de grano además, se halló la rugosidad utilizando Scanning Probe Image Processor (SPIP). Se observó que el control pulsante del volta-je durante el depósito permite obtener películas de Cu/Cd más densas y de tamaño de grano más fino, que las películas convencionales depositadas por la técnica de corriente directa. Además Para evaluar la potencia protectora anticorrosivas de las películas se utilizó la técnica TAFEL.

Palabras claves: Corriente Pulsante Inversa, corrosión, electrodeposición, películas delgadas.

ABSTRACT

This work presents the use of the technique of current pulsant inverse, pulse direct current and direct current for electrodeposition thin films Cu/Cd in double-layer shape on Zamak substrate. The influence of the di-fferent variables was studied involved in each one of the processes: voltage and time of deposition (VHigh

and VLow), voltage and time of breakup (VLow and tLow) and the load cycle ( =tHigh/tHigh+tLow), obtaining the average of the anodic (ILow) and cathodic (IHigh) cu-rrents as a function of the anodic (tLow) and cathodic (tHigh) times, respectively. The electrodeposits of Cu/Cd were characterized by means of optic microscopy to obtain the grain size; moreover the ruggedness was obtained using a Scanning Proved Image Processor (SPIP). These results showed that the control of pulsed voltage during the deposit allowing to obtain Cu/Cd films denser, and with a size of grain finer that the conventional films deposited by the technique of direct current. The protective anticorrosive power of the thin films was evaluated by means the technique TAFEL.

Keywords: Corrosion, current pulsant inverse, electro-deposition, thin films.

1. INTRODUCCIÓN

Los procesos de electrodeposición de diferentes tipos de metales y aleaciones, son procesos que están en-caminados a la consecución de características super-ficiales requeridas por diferentes tipos de materiales para diversas aplicaciones, como la protección frente a la acción de agentes corrosivos, el mejoramiento de su resistencia al desgaste y la obtención de superfi-cies metálicas con acabados superficiales específicos [1]. En la actualidad, los procesos industriales de de-posición electrolítica emplean la técnica de corriente directa (DC) para la obtención de los diferentes tipos de recubrimiento. Sin embargo, con esta técnica se obtienen en algunos casos, distribuciones de metal no uniformes generando depósitos no homogéneos y produciendo en algunos casos el efecto “hueso de perro” [2].Como parte de las medidas adoptadas para corregir estos inconvenientes, en los últimos años se ha venido estudiando el efecto que tiene sobre las propiedades de los recubrimientos la variación en la forma de su-

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ministrar la corriente directa, lo cual ha generado la aparición de las técnicas de corriente pulsante (PDC) y corriente pulsante inversa (PRC). La técnica PDC, es un proceso en el cual la corriente directa es aplicada por un periodo de tiempo especifico para que haya deposición (ton) y luego es llevada a un valor en el que ésta no ocurre durante otro lapso de tiempo, toff, (Fig. 1); en el caso de la técnica PRC se presenta un proceso de electrodeposición bipolar, en el cual la corriente directa está en constante cambio de pola-ridad (Fig. 2), en este caso, la electricidad que está fluyendo a través de los electrodos durante el perío-do catódico, ton, debe ser mayor que la cantidad de electricidad que está fluyendo durante el tiempo del período anódico, trev, (Ec.1) [3]

Ic ton> Ia trev (1)Figura 1. Esquema de la técnica PDC.

Figura 2. Esquema de la técnica PRC [2].

Por este método de deposición la cantidad de elec-tricidad total no es consumida en la formación del depósito. Una porción de corriente significativamente más pequeña es utilizada para la polarización anódi-ca de los productos recubiertos.La aplicación de estas dos técnicas en la obtención de recubrimientos permite la variación de sus propie-dades, ya que los parámetros de pulso involucrados afectan directamente los fenómenos de nucleación y crecimiento de los cristales que generan el depósito. Roy y Landolt (1997) [4] citaron para el caso de la técnica PRC cuatro parámetros de pulso a considerar: las densidades de corriente catódica y anódica, el pe-ríodo del pulso, T, definido como la suma del ton y el trev y el ciclo de carga, , definido como la relación entre el ton y el periodo ( ).Por todo lo anterior, una de las metas de este trabajo fue obtener películas delgadas de Cu/Cd utilizando las técnicas de corriente pulsante y corriente pulsante inversa. Para conocer la calidad de estas películas se les realizó una caracterización de rugosidad y tama-ño de grano. Los resultados mostraron que cuando se utilizan dichas técnicas, se obtienen películas de mejor calidad que las obtenidas por el método tradi-cional de corriente directa.

2. DESARROLLO EXPERIMENTAL

Los recubrimientos de cobre fueron depositados sobre discos de 15 mm de Zamak la cual es una alea-ción que se fabrica con Zinc de 99.99+% de pure-za, Aluminio y Magnesio puros y Cobre electrolítico. Se empleo un electrolito alcalino cuya composición y condiciones de trabajo se encuentran descritas en la Tabla 1. Los recubrimientos de cadmio fueron electro-depositados sobre los cátodos de zamak recubiertos con cobre, en la Tabla 1 se citan las condiciones de operación y las características del electrolito emplea-do. Todos los electrorecubrimientos se obtuvieron em-pleando un hardware (rectificador de corriente) de 30 amperios controlado mediante un software diseñado en Labview, el cual permite la variación de los diferen-

CARACTERIZACIÓN MORFOLÓGICA DE PELÍCULAS DELGADAS DE CU/CD OBTENIDAS POR

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tes parámetros de pulso involucrados en el proceso, tales como el voltaje catódico, el voltaje anódico, el voltaje de relajación, y los tiempos catódico, de rela-jación y de disolución del proceso.

Tabla 1. Características de los electrolitos de cobre y cadmio

El esquema del software que se desarrollo es el mos-trado en la figura 3 en donde se presentan las tres téc-nicas que se utilizaron para obtener los recubrimien-tos. La técnica DC es la que se observa en la parte izquierda, la PDC la observamos en la parte derecha y por ultimo la técnica PRC en la parte inferior.Los parámetros empleados en cada uno de los ensa-yos para la obtención de los recubrimientos de cobre y de cadmio con cada una de las técnicas empleadas se encuentran en las tabla 2.


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Figura 3. Esquema del software desarrollado para la obtención de las electrodeposiciones con las técnicas DC, PDC, PRC.

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Tabla 2. Parámetros utilizados en la obtención de electrorecubrimientos de cadmio.

Antes del proceso de cobrizado, los cátodos fue-ron sometidos a un proceso de limpieza en ultraso-nido sumergidos en una solución de compuesta de CH3COCH3. El equipo utilizado para el ultrasonido es un Elma D-78224 el cual entrega una frecuen-cia HF 35 kHz. Luego del ultrasonido se realizó un desengrase electrolítico hecho con un jabón industrial llamado Z-120 el cual básicamente es alquilarilsufo-natos, luego se hizo un decapado en ácido sulfúrico al 5% en volumen. La determinación del tamaño de grano y el análisis superficial de los depósitos se llevó a cabo emplean-do un Microscopio de Barrido por Sonda en el modo de Microscopía de Fuerza Atómica en Contacto (AFM) el equipo utilizado es un auto probe cp park de la firma scientific instruments. La medida de rugosidad se obtuvo con el programa ProScan Image Procesing para un área de 10 μm2. La caracterización elec-troquímica se realizó en un equipo Gamry modelo PC-4 mediante la medida de curvas de polarización (Tafel), a temperatura ambiente, empleando una cel-da compuesta por el electrodo de trabajo con un área expuesta de 1 cm2, un electrodo de referencia de Ag/AgCl y un alambre de platino como contra elec-trodo en una solución de HCl al 1% preparada con agua destilada, se eligió esta solución debido a que se utiliza para limpiar metales en las industrias de gal-vanoplastia además corroe metales activos forman-do los cloruros del metal e hidrógeno. Los diagramas de Tafel se obtuvieron a una velocidad de barrido de 0.5 mV/s en un rango de voltajes de -0.25V a 1V empleando un área expuesta de 1 cm2. Las pruebas de microdureza se realizaron con un microdurometro

digital modelo HVS 1000, con una presión de prueba de 2.94 N.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. TAMAÑO DE GRANO DE LOS RECUBRI-MIENTOS DE CADMIO

Figura 4. Topografías de los electrorecubrimientos de cadmio obtenidas con las técnicas (a) DC; (b) PDC; (c) PRC.

(a)

(b)


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(c)

En la Fig. 4 se observan las diferentes topografías de los recubrimientos de cadmio electrodepositados con las técnicas DC (Fig. 4a), PDC (Fig. 4b) y PRC (Fig. 4c). Es claramente observable que los depósitos obtenidos con corriente pulsante inversa presentan un tamaño de grano muy fino comparado con las otras dos téc-nicas y a su vez una distribución más homogénea. En el caso de los recubrimientos obtenidos con corriente directa se encontró un tamaño de grano de 4.25 μm, mientras que con corriente pulsante y corriente pul-sante inversa se obtuvieron en promedio un tamaño de grano de 1.652 y 1.298 μm, respectivamente.

Estos resultados concuerdan con los obtenidos por Mishra y Balasubramaniam[5], donde se evidencia que el empleo las técnicas de corriente pulsante y co-rriente pulsante inversa inducen velocidades más altas de nucleación de los cristales, por lo cual se obtienen estructuras con tamaño de grano más refinado. La diferencia de color en la figura 3a se debe a los dife-rentes tamaños de grano que se encuentran en esta probeta.

3.2. MICRODUREZA DE LOS RECUBRIMIENTOS DE CADMIO

Las mediciones de microdureza realizadas en los re-cubrimientos de cadmio se muestran en la Tabla 3. Los resultados obtenidos permiten ver el efecto positi-vo de las técnicas de corriente pulsante sobre el valor de la dureza de este tipo de recubrimientos. En am-bos casos se encontró un aumento en la microdureza, que probablemente guarda estrecha relación con el tamaño de grano más fino presente en estos tipos de depósitos. [6]

Tabla 3. Valores promedio de la microdureza vickers para las probetas de Cu/Cd.

3.3. CURVAS DE POLARIZACIÓN

En la Figura 5 se muestran los diagramas de Tafel correspondientes a los depósitos de cadmio que se obtuvieron empleando las técnicas DC, PDC y PRC. Figura 5. Diagramas de Tafel correspondientes a los depósitos de cadmio que se obtuvieron empleando las técnicas DC, PC y PRC.


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Las curvas de polarización obtenidas permiten encon-trar los valores de las pendientes anódica y catódica en cada caso [7], los cuales se muestran en la tabla 4 junto con los valores de densidad de corriente y velocidad de corrosión para cada uno de los casos estudiados, las curvas de polarización que se halaron muestra que el comportamiento de las 3 técnicas es similar la diferencia de una frente a otra radica en las pendiente que se hallaron las cuales modifican la corriente de corrosión y a su vez también modifica la velocidad de la corrosión pero en valores muy peque-ños tal como se muestra en la tabla 4.

Tabla 4. Valores de los parámetros utilizados para hallar la velocidad de degradación del cadmio.

Los parámetros encontrados con ayuda de las curvas de polarización permiten hacer uso de la ecuación de Stern – Geary [2] para hallar las densidades de co-rriente de corrosión. Se determinó que la velocidad de corrosión más alta se hallaba en los electrodepositos obtenidos con corriente directa a un voltaje de 10 V, encontrándose un valor de 36.1359 mpy, dato que muestra concordancia con los resultados obtenidos durante la evaluación de topografía en donde se ha-llaron depósitos menos uniformes y más rugosos con esta técnica. En el caso de la corriente pulsante las condiciones de deposición empleadas no dejan ver un cambio significativo en el comportamiento frente a la corrosión de los depósitos, obteniéndose valo-res intermedios de 16.1431 mpy. Con la técnica de corriente pulsante inversa no se notó una influencia marcada del voltaje anódico en el grado de deterioro

del depósito, sin embargo, el aumento del tiempo de pulso anódico genera un depósito con un tamaño de grano más refinado, con un mayor grado de com-pactación y con una mejor respuesta frente al ataque corrosivo estudiado, encontrándose valores de velo-cidades de corrosión muy reducidos 9.4564 mpy, en comparación con las otras dos técnicas evaluadas.

4. CONCLUSIONES

1. El empleo de las técnicas de corriente pulsante con y sin inversión de polaridad, resulta benéfico para la reducción del tamaño de grano de los recubrimientos de cadmio, ya que se ven directamente afectados los fenómenos de nucleación y crecimiento de los crista-les.

2. Se encontró que las técnicas de corriente pulsante y corriente pulsante inversa, tienen influencia sobre la microdureza de los recubrimientos de cadmio. El empleo de una u otra técnica contribuye a valores de dureza mayores en comparación con la técnica de corriente directa.

3. Con las curvas de polarización se obtuvo que los depósitos de cobre – cadmio, obtenidos con la téc-nica PRC son los que presentan menor velocidad de corrosión en comparación con las técnicas DC y PDC con parámetros de voltaje y tiempo catódico altos y voltaje y tiempo anódico bajo.

5. REFERENCIAS

[1]. LOWENHWEIM, F. 1963. Modern Electroplating. John Wiley & Sons, Segunda edición, New York.

[2]. DUVA, R. 1996. Electroplating Engineering Han-dbook. Chapman y Hall, pp 684-690.

[3]. MANDICH, N. Pulse and pulse-reverse electro-planting. HBM Engineering Co, Lansing III.


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[4]. ROY, S. and LANDOLT, D. 1997. Determination of the practical range of parameters during reverse-pulse current plating, J. Appel Electrochem, Vol 27, pp. 299-307.

[5]. MISHRA, R. and BALASUBRAMANIAM, R. 2004. Effect of nanocrystalline grain size on the electroche-mical and corrosion behavior of nickel. Corrosion Science, Vol 46, pp 3019.

[6]. LANDOLT, D. and MARLOT, A. 2003. Microstructu-re and composition of pulse-plated metals and alloys. Surface and Coatings Technology. p.169 –170.

[7]. BARD, A. and FAULKNER, L. 2001. Electroche-mical methods fundamentals and applications. John Wiley & Sons, Second edition, New York.

Recibido: 29 - Octubre - 2006Aceptado: 30 - Mayo - 2007


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IDENTIFICACIÓN DE HONGOS FITOPATÓGENOS Y PRESENCIA DE SALMONELLA SP EN COMPOST DE PLANTAS DE TRATAMIENTO

DE AGUAS RESIDUALES

Por:Ing. Jorge Antonio Silva Leal1 ,Ph.D Patricia Torres Lozada2, Ph.D Juan Escobar Rivera3

RESUMEN

Este estudio presenta las metodologías adaptadas para identificación de hongos fitopatógenos (Botrytis sp, Fusarium sp., Phytophthora sp., Rhizoctonia sp) y Salmonella sp. Se evaluó la presencia de fitopatóge-nos y Salmonella sp en compost producido a partir de lodo primario espesado y deshidratado-LED genera-do en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Cañaveralejo-PTAR-C- Cali. La adaptación de las metodologías mostró que las diluciones adecuadas para el aislamiento de hongos fitopatógenos en las muestras de compost son 10-3, 10-4, 10-5 y el medio de cultivo selectivo más apropiado para la identifi-cación de Salmonella sp fue el agar Salmonella-Shi-gella. El único fitopatógeno presente en el compost fue Fusarium sp, también se encontró presencia de Salmonella sp. Por lo tanto, se recomienda realizar su cuantificación para definir en qué concentraciones puede llegar a convertirse en un problema de salud pública; adicionalmente, se debe realizar la higieniza-ción del compost para su aplicación agrícola princi-palmente en cultivos industrializados.

Palabras Claves: Compost, Fitopátogenos, Salmonella sp.

ABSTRACT

This study shows adapted methodologies to identify of phytopathogens fungi (Botrytis spp, Fusarium sp., Phytophthora sp., Rhizoctonia sp) and bacteria as Sal-monella sp. Presence of mentioned microorganism was evaluated in compost samples produced from dewatering primary sludge, generated in Cañaverale-

1Ingeniero de Producción Biotecnológica. Universidad Francisco de Paula Santander. [email protected] Universidad de Sao Paulo Brasil, Profesora Asociada Universidad del Valle. [email protected] Universidad de Sao Paulo Brasil. Jefe de Operación Planta Puerto Mallarino. EMCALI. [email protected]

jo Wastewater Treatment Plant -WWTPC. The adapted methodologies shown that the appropriate dilutions for isolation of phytopathogens fungi in compost are 10-3, 10-4and 10-5 and the most appropriated selective cul-ture medium for the salmonella sp identification is the Salmonella-Shigella agar. Fusarium sp was the only phytopathogens fungi founded in compost; Salmone-lla sp was also founded. Therefore, it is recommended the quantification in order to define the concentrations that can cause health problems; additionally, it is ne-cessary sanitization of compost for use in agriculture, mainly in industrial crops.

Keywords: Compost, Phytopatogens, Salmonella sp.

INTRODUCCIÓN

La composición y concentración de los componen-tes de las aguas residuales domésticas dependen en gran medida de las condiciones socioeconómicas de la población, así como de la presencia del vertimiento de efluentes industriales en la red de alcantarillado; en regiones industrializadas, la fracción de residuos industriales presente en el agua residual doméstica puede ser significativa, alterando las características de los mismos [6].

Las aguas residuales domésticas contienen seis clases principales de contaminantes: organismos patógenos, materia orgánica, sólidos suspendidos, nutrientes, olor, y metales pesados, siendo los organismos pató-genos la clase de contaminantes más importante para la salud humana [18]. Para remover los contaminan-tes presentes en el agua residual, existen Operaciones físicas, Procesos biológicos y Procesos químicos. En la mayoría de los casos es necesario utilizar una com-binación de operaciones y procesos para alcanzar la eficiencia de remoción deseada [7].

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Gran parte de los contaminantes se remueven en forma de sólidos, lodos y biosólidos, los cuales in-cluyen material grueso de las etapas preliminares y lodos orgánicos e inorgánicos, que deben ser trata-dos, dispuestos y/o aprovechados. La aplicación de un tratamiento adecuado para los lodos de las Plan-tas de Tratamiento de Aguas Residuales- PTAR busca resolver los problemas de contaminación, alteración de ecosistemas y desmejoramiento de la calidad de vida del ser humano, derivados de su producción. Adicionalmente, también se pretende generar ahorros significativos a nivel agrícola mediante el aprovecha-miento de su potencial nutricional que depende del tipo de tratamiento que se les aplique [7].

La estabilización de la materia orgánica de los lodos de PTAR se puede lograr mediante tecnologías aero-bias o anaerobias dentro de las cuales se destacan el compostaje y la lombricultura, que pueden ser viables debido a que este tipo de residuos contiene cantida-des significativas de materia orgánica, nutrientes y oli-goelementos (N, P, K, Ca, Fe, Mn). Es importante que el lodo presente ausencia o valores bajos de metales pesados para que no se inhiban los procesos biológi-cos en los que se basan estas tecnologías [19].

El compostaje es el proceso de descomposición bio-lógica de los constituyentes orgánicos de los residuos en el cual intervienen numerosos y variados microor-ganismos que requieren de una humedad adecuada y sustratos orgánicos heterogéneos en estado sólido que son degradados para obtener al final una materia orgánica estabilizada, libre de fitotoxinas y dispuesta para su empleo en la agricultura sin provocar fenó-menos adversos [3].

Desde el punto de vista químico, el compost ofrece grandes beneficios a los suelos debido a que tiene una capacidad de intercambio catiónico (CIC), sumi-nistra nitrógeno, potasio y fósforo, aporta oligoele-mentos como hierro, manganeso, zinc, boro, molib-deno y cobre y contribuyendo a solubilizar algunos elementos minerales del suelo, facilitando su asimi-

lación por las plantas. Adicionalmente, la actividad biológica del suelo se ve favorecida por el aporte de bacterias que contribuyen a la descomposición de componentes minerales insolubles [12].

El proceso de compostaje es exotérmico, lo cual im-plica que en la fermentación aerobia se produce mul-tiplicación significativa de la población microbiana y un incremento acelerado de la temperatura que es importante para la destrucción de patógenos, cuya tasa de mortalidad esta en función de la misma y el tiempo; la mayoría de los patógenos son destrui-dos rápidamente cuando todas las partes de la pila de compost están sometidas a una temperatura de aproximadamente 55°C [16].

Existen algunos hongos que pueden colonizar el com-post y que son causantes de las mayores enferme-dades en las plantas conocidos como fitopatógenos [5]. Botrytis sp es un hongo capaz de atacar semillas, plántulas, flor, tallo y residuos de cosechas; las con-diciones ideales para su desarrollo son alta humedad relativa, agua libre sobre las plantas y temperatura menor a 25º C. Los síntomas se asemejan bastante a los causados por Rhizoctonia solani [11].

El género Fusarium sp se relaciona con enfermedades radiculares y de sistema vascular de muchas especies de plantas. Causan marchitez en varias especies de plantas y afectan algunas gramíneas. Algunas espe-cies de este hongo tienen la capacidad de formar cla-midosporas, además de las conidias a través de las cuales se diseminan [2].

Existen varias especies de Phytophthora sp que pueden matar a muchas plantas; viven en el suelo y cuando se dan las condiciones ideales colonizan las raíces y la zona del cuello de las plantas. La causa principal que activa al patógeno es el exceso de agua en el cultivo; su aislamiento se realiza en medio agar avena con una solución stock de antibiótico [9]; [15].

Rhizoctonia sp produce la pudrición de la raíz prin-

IDENTIFICACIÓN DE HONGOS FITOPATÓGENOS Y PRESENCIA DE SALMONELLA SP EN COMPOST DE PLANTAS

DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

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cipalmente en plántulas jóvenes, con su posterior muerte. En plantas más maduras se observan lesiones acuosas grises en los pecíolos de la hoja y en las ve-nas centrales cerca del suelo. [11]; [14].

El aislamiento de los hongos Botrytis sp, Fusarium sp, y Rhizoctonia sp se realiza en agar PDA, y la identi-ficación con tinción de las esporas de reproducción y microoscopía.

Otro microorganismo patógeno tanto para los huma-nos como para los animales es Salmonella sp impor-tante desde el punto de vista de salud pública ya que es el agente causal de varias enfermedades infeccio-sas como: fiebres entéricas, gastroenteritis, y fiebre ti-foidea [1]. La presencia de este patógeno en el com-post constituye un riesgo por la supervivencia después de su aplicación en el suelo y la contaminación de los cultivos que entran en contacto directo con él [1].

En el presente estudio se realizó la identificación de los hongos fitopatógenos Botrytis spp, Fusarium sp, Phytophthora sp y Rhizoctonia sp y Salmonella sp en el compost producido con lodo de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Cañaveralejo - PTAR-C.

MATERIALES Y METODOS

La investigación se realizó en las instalaciones de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Ca-ñaveralejo de la ciudad de Cali; el material evaluado fue obtenido a partir del compostaje aerobio del lodo proveniente de la sedimentación primaria de la PTAR-C previamente espesado y deshidratado-LED. El estu-dio se desarrolló en dos etapas, un ensayo preliminar

que tuvo como objetivo la adaptación de las técnicas de aislamiento e identificación de hongos fitopatóge-nos y Salmonella sp y un ensayo final que permitió la identificación de los microorganismos patógenos.

ENSAYO PRELIMINAR

Análisis de fitopatogenicidad

El análisis de fitopatogenicidad consistió en el aisla-miento microbiológico e identificación de especies relevantes que se encuentran contempladas en la nor-ma ICONTEC NTC 5167 2003, para productos de la industria agrícola y materiales usados como fertilizan-tes [10] y que establece que los productos orgánicos obtenidos a partir de materiales vegetales deberán garantizar la ausencia de los géneros de hongos fito-patógenos Botrytis spp, Fusarium spp., Phytophthora spp., Rhizoctonia spp

Para la identificación de estos microorganismos se preparó una muestra de compost macerado y se sembró en un medio de cultivo papa dextrosa agar (PDA) para los géneros Fusarium sp [2], Botrytis sp, [8] y Rhizoctonia sp [14] y en agar avena (AA) con una solución stock de antibiótico (penicilina 10 gr/20ml)) para Phytophthora sp [15].

Las diluciones empleadas fueron 10-6,10-7, 10-8 usan-do siembra en superficie. La identificación se realizó después de un periodo de 8 días de incubación a 28 °C. Posterior a la identificación se realizó la identifi-cación macróscopica de las colonias crecidas, para purificarlas y llegar a la identificación microscópica. La Figura 1 muestra la metodología utilizada para el aislamiento de hongos fitopatógenos [13].



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Aislamiento de salmonella sp

Se realizó un preenriquecimiento en caldo de lactosa a 37 ºC por 48 horas y un posterior enriquecimiento. En la primera fase se evaluaron dos caldos, selenito cistina y tetrationato, adicionando 25 gr de muestra de compost a 225 ml de caldo lactosa y transfiriendo 1 ml de está solución a 10 ml de cada uno de los cal-dos seleccionados (tres tubos por muestra) y se incubó por un período de 48 horas a 37ºC. (etapa de enriquecimiento) [13].

La siembra en medio selectivos se realizó en superficie por agotamiento en un agar selec-tivo; para esta fase se utilizaron dos medios de cultivo selectivos: bismuto sulfito (BS) y agar salmonella - shigella (SS) incubándose a 37ºC por 48 horas con el objetivo de obtener la me-jor identificación de Salmonella sp [13].

La identificación de salmonella en el agar BS se logra al observar colonias pardas con el centro negro, borde claro y precipitado ne-gro con brillo metálico. Este medio no permite identificar Salmonella paratyphi A y Salmonella pollorum [8].

La mayoría de Salmonellas no muestran coloración en el agar SS, las colonias transparentes con el centro negro corresponden a proteus y algunas salmonellas [8]. La Figura 2 muestra la metodología empleada para la identificación de Salmonella sp [13].

Figura 2. Metodología de aislamiento de Salmonella sp en el ensayo preliminar [13]

Figura 1. Metodología utilizada para el aislamiento de hongos fitopatógenos en el ensayo preliminar [13]



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Se realizó una identificación macroscópica por ca-racterísticas de crecimiento y color; posteriormente se realizó una identificación microscópica de las esporas de reproducción mediante una tinción simple con azul de lactofenol.

Aislamiento de salmonella sp

Según los resultados del ensayo preliminar, se decidió emplear para el enriquecimiento el caldo tetrationato que fue el que mejor resultado presentó. La siembra en medio selectivo se realizó en superficie por agotamiento en agar Salmonella-Shigella (SS) ya que permitió una mejor identificación de las colonias.

Se incubó a 37 ºC por 48 horas y la lectura de los re-sultados se realizó de igual forma que en el ensayo pre-liminar. La Figura 7 muestra la metodología usada en el aislamiento de Salmonella sp para el ensayo final [13].

ENSAYO FINAL

Aislamiento e identificación de hongos fitopató-genos

Los hongos patógenos se aislaron con base en los resultados obtenidos en el ensayo preliminar durante la estandarización del método de aislamiento, en el cual se definió emplear las diluciones 10-3, 10-4 y 10-5. La Figura 6 muestra la metodología empleada en esta etapa del estudio para el aislamiento de hon-gos fitopatógenos [13].

Figura 6. Metodología utilizada para el aislamiento de hongos fitopatógenos en el ensayo final [13]

Dado que en este ensayo se utilizaron diluciones ba-jas, se pudieron aislar algunas colonias para reali-zarles una purificación del cultivo para su posterior identificación. Una vez aisladas las colonias en los distintos medios, se procedió a la purificación de las mismas realizando tres pases a sus respectivos me-dios, para la identificación microscópica de las espo-ras de reproducción.



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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

ENSAYO PRELIMINAR

Hongos fitopatógenos

Las diluciones seleccionadas para el ensayo (10-6,10-7

y 10-8) fueron muy altas y por tal razón el aislamiento para identificación de hongos fitopatógenos no fue posible; sin embargo, este análisis preliminar permitió determinar que el rango de diluciones adecuado para el ensayo final debía ser de 10-3, 10-4 y 10-5. Paralelo al estudio de identificación se realizó la evaluación del potencial agrícola de este compost en un cultivo de rábano, y no se presentó ninguna sintomatología de las enfermedades causadas por la presencia de hongos fitopatógenos [17].

Salmonella sp

En el análisis de presencia de Salmonella sp utilizan-do el medio selectivo agar Salmonella-Shigella (SS) se encontró que las colonias positivas fueron de fácil identificación en comparación con el medio agar bis-muto sulfito, por lo tanto, se recomienda la utilización

de agar SS para la siembra en agar selectivo. La pre-sencia de Salmonella sp en el compost fue positiva, los resultados mostraron el crecimiento de colonias transparentes con el centro negro y las colonias inco-loras en medio Agar SS.

ENSAYO FINAL

Hongos fitopatógenos

Los resultados mostraron que el único genero de patógenos detectado en el compost fue Fusarium sp, relacionado con enfermedades radiculares de mu-chas especies de plantas. En un estudio simultáneo de evaluación del potencial agrícola de este compost en rábano y acelga, se encontró que este hongo hace parte de los microorganismos nativos del suelo, por lo tanto, se recomienda realizar tanto la identificación como la cuantificación de estos microorganismos para lograr determinar el verdadero impacto en los cultivos [17].

Aunque el análisis de fitopatógenos mostró la presen-cia de Fusarium sp. en el compost y en el suelo no se observaron síntomas de enfermedad en las especies

Figura 7. Metodología de aislamiento de Salmonella sp para el ensayo final [13]



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vegetales evaluadas lo que puede deberse a que las concentraciones del hongo presente en los tratamien-tos no son suficientes para presentar sintomatología [17].

Salmonella sp.

Del mismo modo que para el analisis de hongos fito-pátogenos, las muestras de compost y suelo mostraron la presencia de Salmonella sp, indicando una posible contaminación. La presencia de este patógeno en el suelo indica que puede hacer parte de los microorga-nismos del mismo; sin embargo, sería recomendable realizar su cuantificación para definir en qué concen-traciones puede llegar a convertirse en un problema de salud pública. El tiempo de sobrevivencia de Sal-monella sp en el suelo puede variar entre 15 a 280 días [4], este periodo debe tenerse en cuenta para la aplicación de un compost al suelo.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las metodologías usadas para la determinación de hongos fitopatógenos y Salmonella sp. mostraron que las diluciones más adecuadas para el aislamiento de hongos fitopatógenos en las muestras de compost evaluadas fueron 10-3, 10-4, 10-5 y el medio más apropiado para la identificación de Salmonella sp fue el agar Salmonella-Shigella.

La identificación de hongos fitopatógenos mostró que de los cuatro géneros evaluados, el único presente fue el Fusarium sp; sin embargo, su presencia no cau-só enfermedades en la evaluación agrícola.

Se recomienda realizar la cuantificación de los hon-gos fitopatógenos presentes en un compost para de-finir en qué concentración el hongo pueden causar enfermedades que afecten los cultivos.

Se recomienda realizar estudios de fitopatogenicidad usando especies vegetales susceptibles a las enferme-dades causadas por hongos fitopatógenos.

Se recomienda realizar tanto análisis de presencia como la cuantificación del patógeno Salmonella sp en el suelo para definir el tiempo de permanencia y la concentración en la que pueda llegar a convertirse en un problema de salud pública.

Se recomienda la higienización del compost produ-cido con lodos de plantas de tratamientos de aguas residuales con el objetivo de reducir los potenciales riesgos a los cultivos y a la salud pública por el con-sumo de alimentos contaminados por este tipo de mi-croorganismos.

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Recibido: 25 - Octubre - 2006Aceptado: 17 - Mayo - 2007



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1 Biólogo, Ph.D., Investigador titular, Director Laboratorio de Caracterización Molecular, Cenipalma. Calle 21 No. 42C-47, Bogotá, Colombia. E-mail: [email protected] Ingeniera biotecnológica E-mail: [email protected] Ingeniero Agrónomo, M.Sc., Director División de Variedades, Cenipalma. E-mail: [email protected]

Por:Pedro Jesús Rocha Salavarrieta1, Eileen Rocío Meléndez2 y Leonardo Rey Bolívar3

RESUMEN

Los cultivos de palma de aceite en el mundo provie-nen, en su mayoría, de cuatro palmas mantenidas en el jardín botánico de Bogor. Sin embargo, la eviden-cia experimental sugiere que el centro de origen de la palma de aceite, Elaeis guineensis Jacq., está en el continente Africano. Para desarrollar el cultivo de la palma de aceite en Colombia, es necesario ampliar la estrecha base genética de esta especie. Por esta razón, Cenipalma ha llevado a cabo prospecciones y colectas de material en cinco regiones naturales de la República de Angola. Alrededor de 44 accesiones (120 semillas por accesión) fueron colectadas, las semillas germinadas y las palmas establecidas bajo condiciones de campo en el Campo Experimental Palmar de La Vizcaína (Barrancabermeja). En el pre-sente artículo, se reportan los resultados del análisis de caracterización molecular, basados en la amplifi-cación de 16 loci microsatélites, de 72 genotipos, en representación de cinco poblaciones, de la colección de E. guineensis de Cenipalma. Si bien los materia-les evaluados mostraron una variabilidad genética mayor que la reportada en la literatura para estudios similares de esta especie, se presenta alta similaridad (baja diferenciación genética, FST=0,0484) entre los individuos, lo cual permite concentrar la variabilidad total mediante la selección de unos pocos individuos. Se presentan las medidas de variabilidad y diferencia-ción genética para estas poblaciones.

Palabras Claves: Elaeis guineensis Jacq., microsatéli-tes, variabilidad genética

ABSTRACT

Oil palm cultivars come from four oil palms located at Bogor´s botanical garden. However, experimental evidence suggests that the centre of origin of the oil palm, Elaeis guineensis Jacq., is the African continent.

In order to develop oil palm cultivars in Colombia, it is necessary to increase the narrow genetic base curren-tly available. For this reason, Cenipalma carried out prospections and collections of oil palm material in five natural regions of the Republic of Angola. Around 44 accessions (120 seeds per accession) were collected, seeds were germinated and young palms were grown under field conditions at the Experimental Station Pal-mar de La Vizcaína (Barrancabermeja). In this paper, we report results of the molecular analysis, based in amplification of 16 microsatellite loci, of 72 genoty-pes, representing five populations, from Cenipalma´s E. guineensis germplasm collection. Evaluated plants showed a higher genetic variability when compared to similar studies on this species, although populations displayed high similarity (low genetic differentiation, FST=0,0484). The high similarity between individuals of the different species allows representing the full va-riation by selecting few individuals. Variability and ge-netic differentiation measurements are presented.

Keywords: Elaeis guineensis Jacq., genetic variation, microsatellites

INTRODUCCIÓN

La base genética de los materiales comerciales de palma de aceite, Elaeis guineensis Jacq., empleados para establecer los cultivos en el mundo está basa-da en cuatro palmas que estuvieron localizadas en el Jardín Botánico de Bogor (Indonesia) [3, 5]. El cultivo está adaptado, y en consecuencia, consolidado en Asia, específicamente en Malasia e Indonesia, mien-tras que en América Latina, en particular en Colom-bia, el cultivo de E. guineensis se encuentra en plena expansión. Sin embargo, las diferentes condiciones medioambientales de cada una de las zonas palme-ras colombianas y la presencia de enormes proble-mas asociados con plagas y enfermedades hacen que el desarrollo del cultivo tenga que basarse en la gene-ración de nuevos materiales.

Con el objeto de ampliar la base genética de los ma-teriales presentes en Colombia, el programa de va-

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riedades de Cenipalma inició, desde el año 2002, la conformación de colecciones de germoplasma de E. guineensis con prospecciones en el continente africa-no. En la República de Angola, se recolectaron mate-riales representativos de diferentes ambientes (litoral seco, litoral húmedo y de montaña) en cinco regio-nes naturales. Se seleccionaron 44 accesiones (120 semillas por accesión), de las cuales 38 fueron tipo Dura y seis tipo Ténera [14]. Las semillas de las ac-cesiones colectadas se sembraron en el C. E. Palmar de La Vizcaína (Barrancabermeja) para garantizar la replicabilidad, conservación y utilización del material genético.

En una primera fase, el Laboratorio de Caracteriza-ción Molecular (LCM) realizó la evaluación de 45 de los aproximadamente 2000 genotipos de E. guineen-sis provenientes de Angola. Los resultados obtenidos mostraron que algunos de los materiales colectados presentaban una variabilidad genética mayor [10], cuando se comparaba con los reportes de caracteri-zación previamente presentados en la literatura para materiales africanos [2, 7].

Concientes de la importancia de los materiales afri-canos presentes en la colección de germoplasma de Cenipalma, se propuso complementar la estimación de la variabilidad genética del banco de germoplas-ma de E. guineensis proveniente de Angola e inferir su estructura genética mediante el empleo de meto-dologías previamente estandarizadas y utilizadas de manera rutinaria en el LCM [1, 4, 10, 15]. Así, en el presente artículo se presentan resultados de la carac-terización de 27 materiales que aumentaron el cubri-miento del análisis a 72 genotipos, disminuyendo de esta manera los posibles efectos de población peque-ña en los análisis estadísticos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Muestreo

El muestreo se realizó en el lote de la colección de germoplasma de E. guineensis de Angola de Ceni-palma, ubicado en el Campo Experimental Palmar de La Vizcaína (Barrancabermeja, Santander). Dos folío-los de hojas de palmas jóvenes fueron empacados en bolsas de papel y transportados vía terrestre hasta el

LCM (Cenipalma, Bogotá). Una vez en el laboratorio, los folíolos fueron mantenidos a –70°C hasta su uso.

Extracción y cuantificación del ADN

El ADN fue extraído mediante metodología previa-mente descrita [1]. La cuantificación y verificación de la calidad del ADN se realizó mediante electroforesis en gel de agarosa 0,7%, teñido con bromuro de eti-dio (0,5 mg/L).

Amplificación de microsatélites

Se emplearon 19 combinaciones diferentes de ceba-dores, previamente reportados por [4] y empleados de manera rutinaria en el LCM [10] para amplificar los alelos de cada una de las 27 muestras. Como mol-de, fueron empleadas alícuotas de 50 ng de ADN en una reacción de PCR de 25 μl, que contenía solución tampón de PCR 1X (Tris-HCl 20 mM, pH 8,4 y KCl 50 mM); MgCl2 1,5 mM; dNTP 200 μM; 1 U de Taq DNA polimerasa (Invitrogen Life Technologies) y 0,2 μM de cada cebador (forward y reverse). La reacción de amplificación se realizó en un termociclador PTC 100® (MJ Research) bajo las siguientes condiciones: 1 minuto a 95°C (desnaturalización inicial), seguido por 35 ciclos de amplificación, comprendidos entre los siguientes intervalos de temperatura: 94°C duran-te 30 segundos; 52°C durante 1 minuto y 72°C du-rante 2 minutos. Un paso de extensión final a 72°C durante 8 minutos

Separación y visualización

La verificación del producto de amplificación se reali-zó mediante electroforesis en gel desnaturalizante de poliacrilamida 6% y urea 5M, según el protocolo es-tablecido en el LCM [1]. Las muestras se dejaron mi-grar durante 1 hora 15 minutos a 50°C de tempera-tura y 100 watios constantes de potencia, generados por una fuente de poder Power Pac 3000 (Bio-Rad). Como marcadores de peso molecular se usaron mar-cador ADN de 25 pb y de 10 pb (Cat. 10597-011 y 10821-015, Invitrogen). Los geles fueron teñidos con nitrato de plata según la metodología descrita por [9], la cual brevemente se describe a continuación.

Se colocó el gel (con el vidrio) en una cubeta con solución fijadora (5 ml/L de ácido acético y 100 ml/L de etanol al


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95%) durante 10 minutos. Luego de la fijación, se in-trodujo el gel en solución oxidante (ácido nítrico 65%) durante 6 minutos. Posteriormente se hicieron dos lavados con agua destilada desionizada, el primero durante 40 s y el segundo, 20 s. El gel lavado se pasó a una solución de tinción (2 g/L de nitrato de plata) durante 20 minutos. Después, se realizó doble lavado con agua destilada desionizada, 40 y 20 segundos, cada uno. Para el revelado de las bandas, el gel se incubó en solución de revelado (30g/L de carbonato de sodio y 540 μL/L de formaldehído 37%) primero durante un minuto y luego en solución de revelado fresca hasta que las bandas se hicieron visibles. Final-mente, se llevó el gel a una solución de parada (acido acético 5%) durante 5 minutos con posterior lavado en agua destilada desionizada, durante 5 minutos. Los geles se dejaron secar a temperatura ambiente. Las bandas presentes en los geles secos se registraron con un escáner HP ScanJet XPA en formato JPEG y se almacenaron en la base de datos del LCM.

Análisis de bandas

Los datos considerados para el análisis aquí presen-tado incluyen los generados para 30 materiales estu-diados por [9], que complementan los 42 previamen-te evaluados por [10]. En total el análisis conjunto incluye 72 palmas provenientes de Angola y manteni-das en el C. E. Palmar de La Vizcaína.

Para cada locus se determinó el número de alelos am-plificados, utilizando como referencia los patrones de amplificación previamente reportados [4, 10]. El peso molecular de las bandas fue registrado y se codifica-ron en una matriz binaria donde “1” indicó presencia y “0” ausencia. Adicionalmente, se generó otra matriz en la que se codificaron (con letras mayúsculas) los alelos presentes en cada locus.

Para evaluar la cantidad de variación genética dentro de las poblaciones, se estimaron los parámetros: por-centaje de loci polimórficos (P, criterio del 99%); nú-mero medio de alelos por locus (A), número efectivo de alelos por locus (Ae), heterocigosidad observada (Ho) y heterocigosidad promedio esperada (H). Para estimar la estructura poblacional se calcularon los es-tadísticos F [10, 20].

Para complementar los análisis se estimaron las re-

laciones genéticas entre las poblaciones, mediante análisis de similitud y análisis de clasificación con el programa NTSys versión 2.11 [16]. Se estimaron las diferencias entre poblaciones en términos de su distancia genética mediante el empleo del índice de Nei [11]. La matriz de distancia para todas las po-blaciones permitió agruparlas y construir dendrogra-mas empleando los métodos UPGMA (Unweighted Pair-Group Method Arithmetic Average, [18]) y el de vecinos cercanos [17]. La matriz de similaridad fue transformada a un producto escalar con la función Dcenter (double center) de NTSys y se calcularon los valores y vectores Eigen [6]. El ordenamiento de los grupos en gráficas bidimensionales se realizó con la función Eigen de NTSys. De igual manera, se estima-ron las relaciones genéticas entre los individuos de las poblaciones, mediante los métodos anteriormente enunciados.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis poblacional

En total, 72 palmas, incluidas 30 reportadas por [9] y 42 de las estudiadas por [10], fueron empleadas en los análisis aquí presentados. Dichos materiales fueron evaluados con 18 combinaciones de cebado-res específicos [4] que permitieron amplificar 18 loci microsatélites. El locus mEgCIR0134 se comportó como un doble locus (-A y -B), en consecuencia, se consideró como un locus adicional, obteniendo así amplificación para 19 loci. En total, se amplificaron 49 alelos (Tabla 1), con tamaños entre 85 y 350 pares de bases (pb).

Un locus se considera polimórfico cuando presenta más de un alelo. Aquí, 16 (84,2%) de los 19 loci am-plificados fueron polimórficos (Tabla 1). Para los tres loci restantes fue posible amplificar solo un alelo por locus, en consecuencia, fueron eliminados para el análisis de la variabilidad genética dentro de las po-blaciones (Tabla 1). Aquí, se presentan resultados de las frecuencias alélicas de 49 alelos de 16 loci para las cinco poblaciones.

La media de alelos por locus polimórfico fue de 3,06 (Tabla 1) con rango de dos a cinco alelos. Estos valo-res son ligeramente menores que los reportados por [10], pero es necesario considerar que tal análisis fue


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Tabla 1. Variabilidad genética para los 21 loci microsatélites amplificados en 72 materiales (seis poblaciones) E. guineensis provenientes de Angola. Un locus se consideró polimórfico cuando la frecuencia de su alelo más común no excedió 0,95. Los nombres de los loci son los reportados por [4] Las estimaciones, realizadas con el programa Popgene, se llevaron a cabo utilizando solamente los loci polimórficos. Ao= número de alelos observados; Ae= número efectivo de alelos [8]; Ho= heterocigocidad observada; H= heterocigocidad espe-rada según Nei [12], FIS= índice de fijación de Wright [21], FIS= (H-Ho)/H; FST= coeficiente de diferenciación genética.

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realizado con 45 individuos de las mismas poblacio-nes, e incluyó un grupo externo de cuatro palmas tipo Dura, el cual ciertamente contribuyó al incremento mencionado. Es de anotar que los valores obtenidos en el presente estudio son mayores que los encontra-dos en otros experimentos, realizados en el LCM, con poblaciones de E. guineensis tipo Dura [19].La heterocigocidad media observada para los 16 loci polimórficos fue de 0,4292, valor cercano a 0,4549, reportado por [10]. El valor más alto (0,7424) fue para el locus mEgCIR0332 y el más bajo (0,0896) para el locus mEgCIR0437 (Tabla1).

Los índices de variabilidad para las seis poblaciones fueron calculados empleando el programa Popgene (Tablas 1 y 2). El número medio de individuos por po-blación fue de 15, en contraste con los ocho reporta-dos por [10]. Las población con el menor número de individuos fue D (Benguela), con ocho palmas. La po-blación C incluyó el mayor número de individuos con 18. El número medio de alelos diferentes observados en cada población estuvo entre 2,6875 (población D) y 3,0625 (población C). El número medio de alelos efectivos fue de 2,31 (desviación estándar = 0,1).

Dentro de las cinco poblaciones evaluadas, el poli-morfismo medio de los loci fue de 93,17% (mayor que 85,71% reportado por [10]). Las frecuencias ob-servadas muestran claramente el efecto de la aloga-mia. Adicionalmente, se observó mayor variabilidad genética intrapoblacional que interpoblacional. La heterocigocidad media observada ( ) fue en pro-medio de 0,434, con rango entre 0,3997 (población E) y 0,4830 (población D). Estos valores indican, por ejemplo, que para la población D, el 48,3% de las palmas analizadas fueron heterocigotas para cual-quiera de los loci analizados. La diversidad genética o heterocigocidad media esperada ( ) para las po-blaciones fue de 0,515. Si bien este valor fue mayor que los reportados para la misma especie con otros marcadores (por ejemplo, [7] He=0,18 con isoenzi-mas y [2] He= 0,14 con RFLP), fue ligeramente mayor al 0,4549 reportado por [10] y más cercano al ob-tenido por [4] para E. guineensis (0,68). Los errores estándar de fueron de 3,2% y 2,0%, respec-tivamente, lo cual implica que se la estimación fue precisa. Además, el hecho de que las cinco poblacio-nes posean valores cercanos a la media, sugiere que estas no están conformadas por individuos altamente

contrastantes, lo cual se refleja en los dendrogramas obtenidos (Fig. 1 A y B).

Los valores de índice de fijación de Wright [20] o co-eficientes de endogamia (FIS que representa la corre-lación entre el número de alelos homólogos dentro de los individuos con referencia a la población local) se presentaron en un rango entre 0,0309 (población D) y 0,2170 (población E), con media de 0,156 (Ta-bla 1). Los valores positivos obtenidos para todas las poblaciones (Tabla 2) indican aún valores intermedios pero con tendencia hacia la homocigocidad (FIS varía entre –1, exceso de heterocigotos, hasta +1, exceso de homocigotos). Esta apreciación difiere a la pre-sentada por [10], pues el valor reportado allí (FIS= –0,0604) sugería tendencia a la heterocigocidad.

Por su parte, el grado de diferenciación genética entre poblaciones, que cuantifica la diferenciación entre y dentro de poblaciones y está definido por el índice de diferenciación genética (FST), tuvo una media para los 16 loci en las cinco poblaciones de 0,0484 (Tabla 1), lo cual indica que el 4,84% de la variación total estaría justificada por la poca diferencia genética en-tre poblaciones [10, 21]. Este valor promedio incluye un rango que va desde 0,0098 (poca diferenciación genética) hasta 0,0896 (diferenciación genética mo-derada).

El valor medio de flujo de genes (Nm) fue de 4,9125 (Tabla 1), valor muy alto que al ser mayor que 1 indi-ca que todas las poblaciones evolucionaron juntas. La baja diferenciación genética (FST) se explica por la alta tasa efectiva de migración (Nm), lo cual hace que no existan alelos fijos por población y, en consecuencia, no se distingan las poblaciones por origen geográfi-co por posible intercambio de polen entre individuos [10].

Relaciones entre poblaciones

Con base en su similitud genética, las cinco poblacio-nes evaluadas no conforman grupos estadísticamen-te diferentes basados en su similitud genética (Fig.1).

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Tabla 2. Variabilidad ge-nética estimada para las seis poblaciones de E. gui-neensis, basada en 72 in-dividuos y en el análisis de 16 loci polimórficos. Âo= número medio de alelos observados; Âe= media del número efectivo de alelos [8]; P: porcentaje de loci polimórficos en cada población; = media de la heterocigocidad observada; = media de la heterocigocidad esperada de Nei [12]; FIS= Coeficiente de endogamia o índice de fijación de Wright [21], FIS= ( )/ . Los errores se muestran entre paréntesis.

Figura 1. Relaciones de similitud entre las poblaciones evaluadas. La matriz de distancia genética fue calculada en Popgene según [11]. (A) Agrupamiento con el método UPGMA (B) Ordenamiento con base en vectores Eigen [6].

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Figura 2. Relaciones de similitud entre las 72 palmas de las seis poblaciones evaluadas. La matriz de distancia genética fue calculada según [11]. (A) Agrupamientos con el método UPGMA [18], (B) Ordenamiento con base en vectores Eigen [6].

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Sin embargo, se pueden apreciar algunas tendencias, por ejemplo, se pueden establecer relaciones de cer-canía genética entre las poblaciones de C (Cabinda) y E (Uige). Estas poblaciones se encuentran al norte de Angola [14]. El grupo de C y E se asocia con la población A (Caixito), localizada también al norte. Por su parte las poblaciones D (Benguela) y B (Sumbe) serían las que más se diferencian del grupo anterior-mente formado (Fig. 1 A). Sin embargo, las agrupa-ciones formadas no se correlacionan con las distan-cias geográficas, además, la “distribución” artificial se confirma cuando se analizan las relaciones entre individuos.

Análisis entre individuos

Con el objeto de establecer relaciones entre los in-dividuos de las diferentes poblaciones analizadas, se realizaron análisis de similitud, de agrupamiento y de ordenamiento (Fig. 2). Los índices de Nei [11] y Nei y Li [13] fueron elegidos debido a la condición diploide de la palma de aceite y a la naturaleza codominante de los microsatélites.

Al analizar el dendrograma con agrupamiento UPG-MA y (Fig. 2A) se aprecia que los individuos son muy similares entre si. Así, la variabilidad existente está de-finida desde casi el comienzo de la bifurcación del árbol. Adicionalmente, con el análisis vectorial, no es posible determinar grupos ni asociarlos a las diferen-tes localidades muestreadas (Fig. 2B). No obstante, los individuos más alejados de esta tendencia son los identificados con los números 61, 62, 65, 68 y 70 que pertenecen a la población E (Uige) y el 47 de la población B (Sumbe) (Fig. 2B). Estos individuos po-drían presentarse como consecuencia de la introgre-sión de material parental exógeno, teniendo en cuen-ta la naturaleza alógama de la palma y su corriente utilización en las distintas poblaciones del África.

CONCLUSIONES

En el presente estudio se amplificaron 49 alelos de 16 loci polimórficos en 72 materiales de palma de acei-te provenientes de cinco localidades de la República de Angola. Aunque 18 combinaciones de cebadores fueron empleadas y 19 loci detectados, 16 fueron polimórficos y, en consecuencia, empleados para los análisis poblacionales. Aunque los tamaños de las

poblaciones fueron heterogéneos, se pudo mostrar que la variabilidad genética dentro de las poblacio-nes (intrapoblacional) fue mayor que la hallada entre las poblaciones (interpoblacional).Los análisis de caracterización molecular muestran que la variabilidad de los materiales de Angola, pre-sentes en la colección de Cenipalma, es mayor que la reportada en la literatura para materiales de origen africano [7]. Sin embargo, como lo mostró el análisis de relaciones entre individuos de las distintas pobla-ciones, los materiales del banco de germoplasma son lo suficientemente homogéneos para concentrar la variabilidad genética de la colección en pocos indi-viduos.

Aparte de tener consecuencias prácticas, por ejem-plo, la disminución del número de individuos para el mantenimiento del banco, la información obtenida en el presente estudio muestra la importancia de la variabilidad de los materiales africanos y sirve como base para nuevas actividades de prospección de po-blaciones en otros países de África.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al ingenieros Iván Ayala (Ce-nipalma) por el suministro del material biológico, a la química Sandra Suárez por la revisión de datos mo-leculares y al Comité Editorial de Cenipalma por la crítica de este manuscrito. Se agradecen los comen-tarios de la evaluación externa. Esta investigación fue patrocinada por el fondo especial de la reserva de Fedepalma. La investigación de Cenipalma es auspi-ciada por el Fondo de Fomento Palmero (FFP), admi-nistrado por Fedepalma.

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Eduard Galvis1, Virgilio Vásquez2, Julián Ferreira3

RESUMEN

El motor de reluctancia conmutada (SRM) es una má-quina eléctrica con polos dobles salientes. Lo anterior significa que tiene polos salientes tanto en el estator como en el rotor. La construcción de un SRM es sim-ple comparada con otro tipo de máquinas eléctricas. El rotor no es de un material magnético y tampoco se encuentra embobinado; las bobinas se encuentran únicamente en el estator. En este trabajo se presen-ta una estrategia de control de la velocidad angular para este tipo de motores. Se emplea el software MA-TLAB/Simulink para describir el modelo no lineal y su respectiva simulación digital. El control de velocidad angular del motor se logra empleando la perspectiva de control por corriente utilizando un controlador pro-porcional-integral, PI.

Palabras Claves: Matlab/Simulink, Control PI, Motor de reluctancia conmutada

ABSTRACT

The switched reluctance motor (SRM) is a doubly-sa-lient machine. This means that it has salient poles on both the rotor and stator. A SRM construction is sim-ple as compared to other types of electric motors. The rotor has no windings or magnet; the windings are concentrated in the stator. The purpose of this article is the development of a speed control strategy for this kind of motor. Description of a nonlinear SRM mo-del and its respective simulation in Matlab/Simulink environment is presented. The constant rotor speed control of SRM is achieved from current control pers-pective with a PI controller.

Keywords: Matlab/Simulink, PI Controller, Switched reluctance motor

INTRODUCCION

Una máquina de reluctancia, es una máquina eléc-trica en la cual el par es producido por la tenden-cia del rotor a moverse a una posición donde la in-ductancia del embobinado excitado es maximizada. Las máquinas de reluctancia pueden ser sincrónicas o conmutadas. El Motor de Reluctancia Conmutada (SRM), también conocido como máquina de reluctan-cia variable (VRM) es una máquina rotativa que no utiliza escobillas ni imanes permanentes. Dentro de las características destacables de este tipo de mo-tor se encuentran:

∙ Simplicidad constructiva comparada con otros ti-pos de motores eléctricos, lo cual disminuye los costos de fabricación. ∙ Elevado rendimiento (eficiencia mayor a 90% típi-camente) ∙ Producen alto par a bajas velocidades. ∙ La corriente de rotor no necesita ser bidireccional, lo cual simplifica el diseño del circuito de control y potencia. ∙ Es una máquina sin escobillas, lo que facilita su mantenimiento. ∙ Prestaciones con baja dependencia de la tempe-ratura. Dentro de las limitaciones de estos motores se destacan:

∙ A diferencia de otras máquinas eléctricas con-vencionales, no pueden operar directamente con una fuente CA o CD. Es obligatorio el empleo de un con-trolador electrónico. ∙ La característica del par exhibe un alto rizado com-parado con otras máquinas eléctricas. El rizado son componentes de alta frecuencia que aparecen en las formas de onda de las variables del motor, como el par, corrientes de fase.

1 [email protected]. Estudiante MCI. ITESM-CEM. México. Integrante GIAC - UFPS, 2 [email protected]. Profesor Investigador. Dpto. Mecatrónica. ITESM-CEM. México, 3 [email protected] Profesor Dpto. Electricidad y Electrónica. UFPS. Integrante GIAC – UFPS.

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A manera de antecedentes, en la referencia [1] se muestra un análisis del modelo matemático limitado a la región lineal de la característica magnética, en la referencia [2] se realiza el análisis del comporta-miento del motor en la región saturada y se describen características de control de velocidad angular, con dos variables de control: amplitud de la corriente (ó ángulo de encendido) y ángulo de apagado.

En la referencia [7] se plantea un modelo no lineal que relaciona las variables más importantes en el di-seño de una máquina de reluctancia variable, para llegar una expresión analítica de la característica de magnetización. Se realiza además de una verificación experimental con tres modelos de SRM de diferentes tamaños y estructuras. La comparación entre los datos de magnetización medidos experimentalmente con los datos calculados del modelo analítico reflejaron una buena aproximación.

Posteriormente la referencia [4] toma los resultados de [7] y desarrolla un modelo no lineal versátil el cual se ha implementado como un bloque simPowersystems en el ambiente Matlab/Simulink para 3 tipos de SRM. Concluyen que los resultados obtenidos con el mode-lo son lo suficientemente exactos para ser empleados en el desarrollo y evaluación de algoritmos de control para este tipo de motores. En este mismo artículo se muestran dos modos llamados de corriente con-trolada y de voltaje alimentado para hacer funcionar el motor mediante la activación sucesiva de las fases del estator; sin embargo no se realiza ningún control específico de velocidad, posición o par.

En el presente trabajo se toman los resultados de la referencia [4], a partir las expresiones analíticas del flujo ligado y par eléctrico se realiza una simulación del modelo del motor. Además se plantea el control de la velocidad angular mediante el empleo de un controlador Proporcional-Integral.

EL SRM

El SRM es topológica y electromagneticamente simi-lar a un motor a pasos. Al no tener imanes o embo-binados en el rotor se simplifica su construcción [5]. Con la simplicidad se eliminan algunos problemas comunes en las máquinas eléctricas como lo son la magnetización y desmagnetización en el entrehierro. Para alcanzar desempeños competitivos se hace ne-cesario controlar electrónicamente la forma de onda de corriente. Se debe incluir retroalimentación de la posición del rotor y sincronizar la conmutación de las corrientes de fase con la posición del rotor de forma adecuada.

En relación a su construcción y requerimientos del controlador, un SRM es muy diferente de los motores CD y CA. Todas las características relacionadas con la máquina (flujo ligado, inductancia, par de fase, etc.) son funciones no lineales de la posición del rotor y la corriente de fase. A esto se adiciona la operación intencional en la región de saturación de la curva de magnetización, con el objeto de maximizar la relación par a masa. Lo anterior torna compleja la descrip-ción analítica del comportamiento del motor. Las no linealidades llevan a altos rizados en el par cuando la excitación de las bobinas se hace con pulsos rectan-gulares.

Para su funcionamiento en el estator se colocan bobi-nas, que conectadas a pares diametralmente opuestos formando las fases del motor. La excitación de una de estas fases genera un campo magnético que se cierra através del rotor, el cual para alcanzar la posición en donde la reluctancia del circuito sea mínima, se ali-neará con los polos del estator, por lo tanto se genera un par . La figura 1 muestra la sección transversal de dos motores de reluctancia conmutada, el motor de la izquierda con 6 polos en el estator y 4 polos en el rotor (6/4) y el otro con 8 polos en el estator y 6 polos en el rotor (8/6). Los ángulos s y r con vértice en el centro del rotor, describen los arcos con la longitud de polos en el estator y el rotor respectivamente. Si los


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polos del estator están enfrentados a dos polos del rotor (alineados), será una posición de mínima reluc-tancia y máxima inductancia. El rotor se puede hacer rotar en cualquier dirección energizando secuencial-mente las fases consecutivas del estator [3].

Figura 1. Dos estructuras de SRMs: 6/4 (izquierda) y 8/6 (derecha)

MODELO MATEMÁTICO DE UN SRM

Los modelos matemáticos de los SRM generalmente están conformados por tres partes: el modelo eléctri-co, la característica del torque y el modelo mecánico [8]. La configuración en bloques de un modelo puede verse en la figura 2, donde las señales de entrada son los voltajes de estator y las variables de salida son de tipo mecánico.

Figura 2. Configuración de un modelo equivalente de un SRM.

El circuito eléctrico para una sola fase de estator se puede modelar como una red RL con la fuente de excitación v(t) como se muestra en la figura 3.

Figura 3. Circuito equivalente para una fase del motor

Si se aplica la ley de voltajes de Kirchoff (se omite la dependencia del tiempo por simplicidad)

Donde es la posición del rotor, R es la resistencia de fase (se asume constante por simplicidad). es el flujo magnético. El acoplamiento mutuo entre fases es normalmente cero o muy pequeño, por ello se ignora. La derivada temporal del flujo se puede escribir como la suma de dos derivadas parciales, entonces la ecua-ción (�) se puede reescribir:

Donde es la velocidad angular. es la inductancia instantánea.


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Para un sistema electromecánico no lineal como el SRM, el par eléctrico , puede ser calculado por la derivada espacial de la co-energía de la máquina con respecto a la posición angular:

El par total desarrollado por el motor es la suma de los pares generados por cada una de las fases:

Donde Np es el número de pases del motor es el par eléctrico total y Tp es el par de fase.

Para propósitos de simulación, el modelo se puede implementar con dos tablas de búsqueda que calcu-len , ambas basadas en la característica de magnetización del motor. En la fi-gura 4 se muestran las curvas de magnetización de un SRM 6/4 de 64KW, empleando los datos experi-mentales dados en la referencia [7]. Donde se han parametrizado las relaciones de flujo-corriente con la posición del rotor.

Figura 4. Curvas de Magnetización Experimental de un SRM

En la referencia [4] se calculan las expresiones ana-

líticas para el flujo ligado y el par usando análisis de ajuste de curvas a partir de los principales parámetros normalmente disponibles o de fácil medición en el motor. La curva de magnetización se puede expresar analíticamente como una función de la corriente de estator y la posición del rotor [4]:Donde:

es la inductancia mínima. es la inductancia

saturada. A y B son constantes determinadas por las condiciones en . Donde Im es la corriente máxima. Suponiendo que la máquina está realmente saturada en i=Im se tiene y las constantes A y B se puede deducir como:

Si se reemplaza la ecuación (�) en (�) , se llega a una expresión más explicita del par:

Donde

La dinámica del modelo mecánico puede ser descrita por [4]:

Donde J es la inercia total (motor + carga). es el par mecánico, este se puede escribir sin pérdida de generalidad como:

Donde b es la fricción viscosa y el par de carga. Si se aplica transformada de Laplace con condiciones iniciales iguales a cero, la ecuación se convierte en:


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En resumen las ecuaciones (�), (�) y (�0) representan el modelo dinámico del SRM.

SIMULACIÓN EN MATLAB/SIMULINK

La simulación se hace a partir de las características de magnetización (flujo ligado como una función de la corriente y la posición del rotor). El modelo matemá-tico de un SRM de tres fases, con 4 polos en el rotor, 6 polos en estator (SRM 6/4) se ha implementado en Simulink (figura 5).

Figura 5. Modelo en Bloques de SRM 6/4.

Los medidores de voltaje (VMs) se han obtenido de la librería SimPowerSystem y se emplean para pro-cesar los voltajes de fase que actúan como entradas al sistema. El integrador del flujo se ha limitado al valor en saturación Las fuentes controladas de corriente CS�,CS� y CS� inyectan en las bobinas del estator la corriente producida por la función no lineal , la cual se implementó en forma de tabla de búsqueda (Lookup table). La función de ma-tlab llamada compatibilidad sirve como interface para adecuar los valores de los ángulos a los requeridos en la tabla.

El bloque funcional Característica PAR realiza la suma-toria de cada una de los torques de fase, en (�) después de evaluar (7). Al integrador de tiempo

discreto empleado para el cálculo de a partir de

se le asigna un vector con valores iniciales de [0, -30, -60], es decir se considera que al inicio de la simulación una de las fases del estator (2 polos diametralmente opuestos) está enfrentada con dos polos del rotor.

Para el manejador (driver) del motor se ha emplea-do una topología típica de inversor con dos tran-

sistores y dos diodos por fase, como la mostrada en la figura 6. Las inductancias de fase están en serie con los dispositivos de conmutación.

CONTROL DE VELOCIDAD DEL SRM

En la referencia [4] se propusieron dos modos de ope-ración de un SRM, de estos resultados se infiere que al hacer un seguimiento a una corriente de referencia constante se puede lograr que la velocidad angular


Figura 6. Configuración del Inversor

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del motor se estabilice en un punto específico. Estos modos de operación son esquemas de control del tipo ON-OFF y tienen el problema de ancho de la banda diferencial del bucle de histéresis muy alto, lo cual se traduce en un rizado de magnitud considerable. En el presente trabajo se presenta una versión mejorada del enfoque de alimentación de corriente, al imple-mentar un modulo con un controlador proporcional integrar (PI), bajo un esquema de control maestro es-clavo, como se muestra en la figura 7.

Figura 7. Estructura básica del controlador

Para propósitos de diseño, se desea configurar un controlador para un SRM de 6/4 para el control de la velocidad angular del motor, con los siguientes ob-jetivos:

∙ Estabilidad del sistema retroalimentado. ∙ Error en estado estacionario debido a una entrada escalón de magnitud

∙ Tiempo de establecimiento,

∙ Robustez en presencia de va-riaciones del par de carga.

En lazo de retroalimentación el error se puede emplear para con-trolar la magnitud de la corriente de referencia. Cuando el par to-tal instantáneo es mayor que la suma de la fuerza de fricción y el par de carga , la velocidad angular se puede controlar. De esta manera para el controlador

se emplea la siguiente ecuación:

Donde es la ganancia proporcional, es la ganancia integral. Es común reescribir esta ecuación de la forma siguiente:

Donde y es el tiempo integral.

La implementación del siste-ma completo se muestra en la figura 8, se emplea un mo-dulador por ancho de pulso PWM que actúa como con-trolador de corriente del mo-

tor siguiendo a una corriente de referencia, dentro de una brecha diferencial o banda de histéresis. Si la corriente excede el límite superior de la banda de


Figura 8. Diagrama en Bloques del sistema completo.

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histéresis, el conmutador respectivo del inversor se apagará, y consecuentemente la corriente empezará a decaer. Si la corriente es inferior que el límite infe-rior de la banda de histéresis, el voltaje presente en la bobina de fase del motor será Vdc, como resultado la corriente volverá a estar dentro de la brecha dife-rencial.

Las gráficas obtenidas de la simulación se muestran en las figuras 9.

Figura 9. Formas de onda para El comportamiento dinámico del SRM, presenta ahora un rizado mucho menor que el propuesto en el con-trol por corriente básico. En la figura 10 se muestra la comparación, la grafica de la derecha se ha obtenido con el control por corriente básico planteado en [4] con una la grafica de la derecha se obtu-vo con el control PI propuesto en este articulo.

Figura 10. Corrientes de fase para control por co-rriente básico (arriba) y control PI (abajo).


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Para la sintonización de las ganancias del controlador, se hacen pruebas variando la ganancia proporcional,

, considerando el par de la carga La figura 11 muestra la forma de onda de la velocidad angular para diferentes valores de ganancias del controlador. Como entrada de referencia se ha tomado un escalón de magnitud Mientras se mantiene constante el valor del tiempo integral , en un valor que permita alcanzar el tiempo de establecimiento su-gerido

Figura 11. Formas de onda de velocidad angular para diferentes ganancias.

Existe un compromiso entre el porcentaje de sobre-elongación máxima y el tiempo de establecimiento. Se han elegido, , pues permiten al-canzar los requisitos inicialmente planteados.

Se ha empleado un criterio comparativo para cuantifi-car el desempeño del controlador, denominado error cuadrático integral

En este trabajo se han hecho 4 mediciones para encontrar numéricamente . En el primer caso se consideran los valores nominales supuestos de los parámetros. En el segun-do experimento se realiza una variación del par de carga, con una elevación de 40% en un intervalo de tiempo de 0.35s. Como periodo de evaluación se ha tomado un segundo.

Tabla 2. Cuantificación del error.

CONCLUSIONES

El artículo ha presentado un controlador proporcional - integral en configuración de maestro-esclavo con un modulador de histéresis para el control de velocidad angular de un SRM.

Las características del par y los subsistemas eléctrico y mecánico descritos analíticamente en las referencias [4] y [7] se han simulado en el ambiente Matlab/Si-mulink. Se dejan sentadas las bases para posteriores trabajos acerca del tema, se ha construido y docu-mentado de manera detallada cada uno de los blo-ques que conforman un SRM y los resultados de las formas de onda demostraron ser coherentes con la bibliografía revisada.

Actualmente se está trabajando en elaboración de una ley de control no lineal de estructura variable, que permita reducir aun más el rizado y por lo tanto los componentes armónicos de las señales aquí mos-tradas. La implementación en un motor real así como el control de posición angular y la auto-sintonización de las ganancias del controlador se consideran par-te de una investigación posterior sobre el esquema maestro-esclavo propuesto en este trabajo.

APENDICE

A. Parámetros de SimulaciónMétodo de Integración de paso fijo con fórmula de Runge Kutta de orden 4.Tiempo de muestreo =


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Tabla 1: Datos del Motor SRM 6/4 de 64 KW

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Recibido: 20 - Marzo - 2007Aceptado: 19 - junio - 2007


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ESTUDIO DE ALTERNATIVAS PARA LA RECUPERACION DE AGUAS RESIDUALES EN EL PROCESO DE OBTENCIÓN DE ACEITE DE PALMA EN LA PLANTA DE BENEFICIO DE GUAICARAMO S.A.

META

Por: Emilio Vera Duarte1, Luz Marina Herrera2, Emerson Ordóñez Pabón3 ; Guido Alberto Sierra Ramírez.4

RESUMEN

En la planta de Guaicaramo, para el proceso de ob-tención del aceite de palma, las calderas producen la mayor demanda de agua utilizada en el proceso, aproximadamente 96000 m3 por año, este vapor al ser utilizado en este proceso genera condensados, que al reutilizarlos disminuiría la demanda de agua proveniente de pozos profundos y del río, por lo que este estudio plantea el diseño de un sistema de recu-peración de los condensados que cumplan según pa-rámetros determinados por la ABMA (American Boiler Manufacture Asociation) para nuevamente alimentar a la caldera.

También se analizaron los efluentes finales del sistema de tratamiento (EFST) de diferentes partes del proceso que llegan a una piscina de lodos para su recupera-ción, para estas se propuso un diseño experimental utilizando materias primas de residuo de la empresa (cuescos de palma, fibra y tusa) y un solo tratamiento tradicional (Filtración o floculación o sedimentación) y mezclas con agua para buscar su posterior utilización como agua de alimentación de calderas.

Palabras Claves: diseño experimental, eficiencia de calderas, recuperación de aguas residuales, recupe-ración de condensados.

ABSTRACT

In the plant of Guaicaramo, for the process of obtai-ning of the palm oil, the boilers produce the greater demand of water used in the process, approximately 96000 m3 per year, this steam to the being used in this process generates condensed, that when reusing them would diminish the demand of originating water

of deep wells and the river, reason why this study put forward the design of a recovery system of the conden-sed ones that fulfill according to parameters determi-ned by ABMA (American Boiler Manufacture Asocia-tion) to feed the boiler again. Also the final efluentes of the system of treatment (EFST) of different parts from the process were analyzed that arrive at a mud swim-ming pool for their recovery, for these seted out an experimental design using raw materials of remainder of the company (cuescos of palm, fiber and tusa) and a single traditional treatment (Filtration or flocculation or sedimentation) and mixtures with water to look for their later use like water of feeding of boilers.

Keywords: Design experimental, efficiency of boilers, recovery of residual waters, recovery of having con-densed.

1. INTRODUCCION

Colombia se encuentra posicionado como el primer productor de Palma (Elaeis guineensis) en América La-tina y cuarto en el mundo; particularmente, el depar-tamento del Meta tiene una participación del 31% del total nacional ocupando el primer lugar de área bruta sembrada con la oleaginosa contando con 47.525 hectáreas que registran una producción de 133.622 toneladas año, con un rendimiento de 2.8 toneladas de aceite crudo por hectárea5. Para la extracción de aceite de palma en la planta beneficio GUAICARA-MO S.A., en los diferentes procesos que debe sufrir el fruto de la palma para la obtención del aceite es necesario el uso de vapor a altas condiciones de pre-sión y temperatura. En la actualidad algunas plantas extractoras o de beneficio realizan procesos de es-terilización, desfrutado, prensado y otros, en donde la demanda en cuanto a la producción de vapor es cuantiosa. De la cantidad de agua que se utiliza para la producción del aceite, el 70% es para producir el vapor necesario para el proceso de extracción, siendo una cantidad considerable incurriendo en costos oca-sionados por el trámite, concesión de aguas con las

1 Ing. Mecánico. Luis Emilio Vera Duarte, Msc. Profesor investigador Grupo Fluter. UFPS. [email protected] Ing. Quimica Luz Marina Herrera León, Esp. Estadística. Est. Msc Estadística, Profesor investigador Grupo Fluter. UFPS. [email protected] Ing. Mecánico. Emerson Ordoñez Pabón, Ingeniero Investigador. UFPS. [email protected] Ing. Químico. Guido Alberto Sierra Ramírez. [email protected] www.gobernaciondelmeta.gov.co/websiteg/index.php, septiembre, 2005.

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corporaciones autónomas regionales, y tratamientos para su utilización. Con el fin de aportar una solución a este problema y reducir este consumo se plantea la recirculación de los condensados generados en la planta diseñando un sistema de recirculación, el cual permitirá que el proceso mejore en eficiencia logran-do una optimización de la planta e igualmente reducir costos de químicos en el tratamiento de agua. Para ello se inicia haciendo un balance de masa de las pérdidas de condensado, se caracterizan y se com-pararan con los datos estándar ABMA. En el diseño se eligen los componentes necesarios del sistema de recirculación, los parámetros de diseño óptimos del sistema se escogen de acuerdo a catálogos y manua-les de proveedores y se realiza un análisis económico en cuanto a la reducción de químicos y agua en la planta. En el balance de masa de la caldera se tuvo en cuenta la cantidad de químico utilizado, Se elabo-ra el plano de construcción y montaje del sistema.

También se estudiaron alternativas para recuperar el agua residual de las calderas, se aplicaron se-paradamente cuatro tratamientos convencionales5 ampliamente referenciados en la literatura como sedimentación, filtrado, floculación y oxidación con inyección de aire, y establecer la posibilidad de recir-cularlos al proceso como agua de alimentación a las calderas, determinando paralelamente la reducción en el impacto ambiental y los costos generados por esta práctica y la posible implementación de alguno de los tratamientos de algunos de los tratamientos an-tes mencionados.

El estudio esta enmarcado dentro de los artículos 5 y 15 de la ley 373 de 1997, la cual establece el progra-ma para el uso eficiente del agua potable.

GANANCIAS QUE SE OBTIENEN CON LA RECIRCU-LACIÓN DE LOS CONDENSADOS. La recirculación de condensados beneficia aspectos como eficiencia

de las calderas, eficiencia del proceso, reducción del consumo de reactivos químicos, ahorro en energía, y disminución del consumo de agua de la planta.

2. METODOLOGIA Y EQUIPOS

Para el análisis de condensados se realizó una inves-tigación descriptiva y comparada, tomando muestras aleatorias en los distintos puntos de producción y analizando sus propiedades físico-químicas, y luego comparándolas con los parámetros de la tabla 1da-dos por la ABMA para agua de calderas.

Los análisis realizados a los condensados fueron: pH, dureza, oxígeno, alcalinidad, sulfitos, fosfatos, sílice, e hierro de muestras puntuales tomadas cada 2 horas por 3 veces al día en los puntos seleccionados.

Tabla 1. Parámetros Físico- Químicos exigidos para agua de caldera.

Evaluación de procesos de tratamiento sobre las mezclas efluente – agua: Para el desarrollo del tra-bajo, se evaluó la respuesta de cuatro mezclas de EFST–Agua a cuatro tratamientos convencionales, con el objetivo de establecer la posibilidad de reutili-zar una de estas mezclas como agua de alimentación a la caldera. Para el estudio de alternativas de recu-peración se utilizo un diseño experimental como se muestra en la figura 1, en esta se muestra para cada tratamiento el porcentaje de mezcla efluente-agua utilizado los materiales utilizados para el proceso de filtración y floculación (residuos del proceso de extrac-ción de aceite), al igual que las aperturas utilizadas para el proceso de oxidación.

ESTUDIO DE ALTERNATIVAS PARA LA RECUPERACION DE AGUAS RESIDUALES EN EL PROCESO DE OBTENCIÓN

DE ACEITE DE PALMA EN LA PLANTA DE BENEFICIO DE GUAICARAMO S.A. META

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Figura 1. Diseño experimental para los tratamientos propuestos

Sedimentación. Se diseñó un sedimentador piloto para un volumen de 20 litros de efluente y un tiempo de residencia de 3 horas para separar la mayor canti-dad de sólidos posible; Una vez puesto en marcha, se tomaron muestras de 50ml cada 30 minutos para las diferentes concentraciones de efluente. Cada muestra fue sometida a la caracterización mencionada ante-riormente para los condensados. Las concentraciones de efluente utilizado fueron: 5, 50, 75, 100%, se rea-lizaron 9 repeticiones para un total de 36 ensayos.

Floculación. Se realizó el proceso de floculación utilizando sulfato de aluminio (Al2SO4) e hidróxido de sodio (NaOH) para controlar el pH. Se obtuvie-ron muestras de forma similar a la del tratamiento de sedimentación analizando sus características físi-co–químicas. También se utilizó otro floculante reco-mendado en la literatura es el (E615) (dosis 6 ml), esta compuesto por hidroxicloruro (dosis 7.5, 10.5 gr) y sulfato de aluminio (dosis 10, 15 gr), este fue evaluado de la misma manera. La Concentración de efluente utilizada fue: 25, 50, 75, 100%, se realizaron 9 repeticiones para un total de 72 ensayos.

Filtrado: La literatura reporta la utilización de filtros de diferente tipo para el tratamiento del efluente residual

en plantas de beneficio antes del tratamiento anaeró-bico de las lagunas, dentro de los que se destacan los

lechos de materiales or-gánicos (fibra, tusa) y sus cenizas. Por esta razón se evaluaron estos materiales por separado y en serie para establecer su efecto sobre el efluente final de las lagunas de estabiliza-ción, realizando el pro-ceso de filtrado en el la-boratorio con una bomba dosificadora para agilizar el proceso. Se realizó la correspondiente caracte-rización físico-química de la muestra final en cada uno de los dos casos. La concentración de efluente utilizada fue: 25, 50, 75,

100%, se realizaron 9 repeticiones para un total de 72 ensayos

Oxidación con inyección de aire. Al tanque sedi-mentador se le agrego por la parte inferior aire a pre-sión, el tiempo de residencia y el procedimiento de toma y acumulación de la muestra fueron similares a los utilizados en el tratamiento de sedimentación. La concentración de efluente utilizada fue: 25, 50, 75, 100%, se realizaron 9 repeticiones para un total de 36 ensayos

EFICIENCIA DE LA CALDERA: A continuación se describe detalladamente como se realizo cada balance en cuanto a las mediciones de fibra, agua, cascarilla y humedad.

En primera instancia se necesita saber cuanto es el total de fruto procesado diariamente y esto se logra por medio del programa de producción en el cual aparece registrado cuanto es el fruto que entra a la plantación por día, cuanto fruto se procesa diaria-mente, cuanta cantidad de aceite se produjo, cuanto se despacho, entre otros ítems.

Las horas efectivas al igual que el número de vago-netas procesadas quedan registradas diariamente en las planillas por los operarios, también estos son



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seguido del manual de laboratorio de Cenipalma). Después de haberse cumplido el tiempo se retiró la muestra del horno dejándola en reposo durante un minuto, Pesando nuevamente se procede a calcular el contenido de humedad por :

Donde: Pt : Peso total , Pf : Peso final Y Pi : Peso inicial

Acerca del total de fibra disponible esta se obtiene de restar al total de fibra producida por día la cantidad desperdiciada y la humedad que esta contiene.

Con respecto a la cantidad de fibra pérdida esta dada por:

De la misma forma como se realizaron los aforos de fibra se hicieron los de cuesco seco (cascarilla). Las formulas empleadas para este caso son:

Para los aforos de cuesco húmedo se planteó realizar-lo por un lapso de tiempo de 20-25 minutos, del ma-terial proveniente de los hidrociclones. Los cálculos de este material se obtienen de:

La cantidad de cuesco perdido se produce cuando se cierra el paso de alimentación hacia las calderas. Los datos de las mediciones de la pérdida de cuesco seco y húmedo fueron proporcionados en la báscula para saber la cantidad que se estaba desperdiciando.

Para calcular la humedad de la cascarilla se realizó por el mismo método que para la fibra.

proporcionados por el programa de producción. El peso promedio por vagoneta resulta de la siguiente manera:

Los aforos de fibra se realizaron por un periodo de 5 días durante 25 minutos por cada ensayo, aunque este tiempo puede variar lo que permitiría obtener un dato más confiable. Para esta medición se necesito tener disponibilidad de un zorrillo vacío y previamen-te pesado, en donde se vertería toda la cantidad de fibra que se produjera en ese momento, donde se dio la orden al operario de cerrar la compuerta de la alimentación a la caldera, alimentándola de forma manual con cascarilla durante la prueba para impe-dir que se bajara la producción de vapor y posterior-mente la presión. Después de terminado el ensayo se procede a pesar nuevamente el zorrillo para saber cuantas toneladas de fibra se produjeron durante este lapso de tiempo. El total de fibra producida por día se deduce de:

La formula que expresa el porcentaje de fibra pro-ducida con respecto al total de RFF (racimo de fruta fresca) procesados esta dada por

La fibra desperdiciada deja de ser aprovechada como combustible que se produce cuando se cierra el paso de alimentación hacia las calderas ya sea por dife-rentes contratiempos como paradas, poca demanda de vapor, la cantidad de fruto procesado entre otros, rebosando los silos de almacenamiento.

El total de fibra pérdida en la planta esta dada por

Para determinar la humedad que contiene la fibra, el ensayo se realizo por método gravimétrico, utili-zando una cápsula previamente pesada, tomando una muestra de fibra de 10g. Se procedió a llevar el conjunto al horno eléctrico por un periodo de dos horas a una temperatura de 105 °C, (procedimiento



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donde: Pt =Peso total Pf = Peso final Pi = Peso inicial

Para calcular el total de cuesco disponible en la plan-ta dado en toneladas por día se tiene por:

Cuesco disponible = Cuesco seco + cuesco húmedo – perdidas de cuesco - humedad

La pérdida de cuesco esta dada por:

La capacidad calorífica fue obtenida por Cenipalma. La energía disponible se obtiene por la ecuación: Para el caso es:

La cantidad de agua utilizada en las calderas se deter-mina por método volumétrico, la cantidad de vapor producido se obtiene por:

El caudal (Q) esta dado en m�/h y el tiempo (h) esta dado en horas indicando por los hodómetros de cuanto tiempo trabajaron las bombas durante el día.

La energía consumida esta dada por la expresión:

*******

La eficiencia de una caldera esta dado por la ecuación:

Tomada del manual de cálculos de Cenipalma6.

3. RESULTADOS

GENERACIÓN TOTAL DE CONDENSADOS. En el cuadro 1 se encuentran los resultados promedios para cada punto de generación, donde se puede observar que cantidad que se produce por hora, por día y por tonelada de racimo de fruta fresca (Ton RFF), en cada

punto y se observa que es considerable la produc-ción de condensado 1.59 (m3/h), por lo que se be-nefició la planta al recuperar estos condensados que cumplían con las condiciones físico-químicas para ser reutilizados como agua de caldera.

Cuadro 1. Flujo de condensados en la planta de be-neficio

CARACTERIZACIÓN DE CONDENSADOS. En el cuadro 2 se muestran los resultados de la caracteri-zación: pH, Dureza, Oxigeno disuelto, Hierro, Sílice y Alcalinidad en los puntos determinados como ge-neradores de condensados y se determinó que todos independientemente cumplían con la Norma ABMA

Cuadro 2. Caracterización de condensados genera-dos en la planta.

Al comparar las características obtenidas de cada punto con los parámetros establecidos, se observa que en general todos los condensados evaluados pueden ser recirculados sin ningún problema como agua de alimentación a las calderas.

EFICIENCIA DE LA CALDERA

El cuadro 3 muestra que la eficiencia de las calderas de la planta Beneficio se encontraban por debajo de los parámetros recomendados por la ABMA, cuyos

6 CENIPALMA, Algunos aspectos del procesamiento de aceite de palma. Modulo II Calidad del Aceite. Modulo III Esterilización. Mo-dulo IV Clarificación. Modulo VI tratamiento de efluentes. Bucaramanga. Diciembre 2 y 3 de 1993.



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valores están entre el 70 y 75 %, para una caldera en optimas condiciones debe tener como mínimo del 80%, por lo que se determinó la necesidad de cons-truir un sistema de recirculación de condensado para mejor la eficiencia de las calderas.

Cuadro 3. Balance de las calderas de Guaicaramo S.A.

DISEÑO DEL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN DE CONDENSADOS. Este diseño ayudó a mejorar la eficiencia del sistema, para este tipo de fluidos se re-comienda utilizar bombas del tipo PPC (Power pump condensate), utilizando vapor como fuerza motriz, la cual disminuye la cantidad de revaporizado; no es re-comendable usar bombas eléctricas debido a que la mezcla de agua revaporizado se tendría que enfriar por debajo de los 86°C – 212°F para evitar la cavita-ción de la bomba.

La instalación de bomba PPC en el sistema de recircu-lación de condensados se muestra en la figura 6, los códigos de los accesorios son: 1- Bomba de conden-sados PPC 1 1/2” con válvulas de cheque en acero inoxidable, 2- Válvula M10S2 1 1/2” NPT, 3- Filtro IT 1 1/2” NPT, 4- Válvula M10S2 1 1/2” NPT, 5- Trampa termodinámica TD42L 1/2” NPT, 6- Válvula M10S2 1/2” NPT, 7- Rompedor de vació VB14 1/2” NPT, 8- Eliminador de aire para líquidos 13WS 3/4” NPT y 9- Válvula cheque DCV3 1 1/2” ANSI 150

Figura 6. Instalación bomba PPC

EVALUACIÓN DE TRATAMIENTOS. De todos los ensayos propuestos en el diseño experimental la mez-cla que arrojó los mejores resultados fue la de 25% efluente y 75% agua. En esta mezcla se mejoraron las propiedades físico-químicas de los efluentes. Los resultados se compararon con la norma estándar ABMA, aunque se estableció que ningún tratamiento cumplió con la norma recomendada para aguas de caldera en dureza, alcalinidad y contenido de sílice

Como en todos los tratamientos propuestos en el di-seño experimental es necesario mejorar la dureza, la alcalinidad y contenido de sílice se presenta a conti-nuación los costos necesarios para la utilización de agua residuales.

Costos Remoción de Propiedades del agua de ali-mentación. Remoción de dureza Dosificación de acondicionador de dureza en las cal-deras: 2.76 kg/día Precio de dosificación por día: $ 26.496Precio Tambor de 50 kg. de acondi-cionador de dureza: $ 480.000Precio kg. de acondicionador de dureza: $ 9.600

Este producto es apto para remover hasta 12 ppm de dureza; por consiguiente para valores mayores se re-comienda la instalación de un suavizador, cuyo costo depende de las ppm de dureza a remover.

El ciclo normal de regeneración de la resina es de 8 a 12 días y se realiza con sal industrial, la cantidad requerida de sal industrial para dicha regeneración es de 10 kg /ft3.

Remoción de sílice. Para remover la cantidad de sí-lice del agua de alimentación se debe implementar un tren desmineralizador para remover todas las ppm de SiO2. Si se hace un buen manejo del suavizador y las propiedades del agua mejoran en ciertas canti-dades el ciclo de regeneración se alarga, reduciendo en costos.

Remoción de alcalinidad. Para controlar la alcalini-dad > 100 ppm de CaCO3 en el agua, se procede a añadirle ácidos (clorhídrico, sulfúrico, entre otros), con lo cual esta aumenta su acidez, lo que repercute directamente en el pH; para controlar esta se le agre-ga cal teniendo el agua a ser nuevamente alcalina.



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4. CONCLUSIONES

En el cuadro 1. se observa un potencial de recircu-lación de condensados de vapor como agua de ali-mentación a la caldera de aproximadamente 0.14 m3 / ton RFF.

La recirculación de condensados aumenta la eficien-cia en las calderas hasta en un 5%.La mezcla 25% efluente y 75% agua que se muestra en el cuadro 4 en el tratamiento de floculación con E615 (6 ml/20 l), mejora significativamente las pro-piedades fisicoquímicas de las aguas residuales, aun-que no alcanzaron valores similares a los del agua de la fuente utilizada para las calderas de la planta de beneficio.

Los tratamientos de floculación con Al2SO4 e inyec-ción de aire presentaron el mejor desempeño sobre las mezclas de EFST – agua evaluadas.

Se encontró que para la aplicación de un tratamiento independiente, si mejoran las condiciones físico-quí-micas de las aguas residuales del proceso, aunque no cumple con los requerimientos de la norma ABMA.



Cuadro 4. Resultados promedios del tratamiento (25% EFST y 75% Agua)

5. RECOMENDACIONES

Se recomienda realizar una revisión permanente de los diferentes dispositivos que generan los condensa-dos como son los serpentines, válvulas y filtros, ya que cualquier problema que tenga uno de estos dispositi-vos se vera reflejado en la producción de la cantidad de condensados. Se sugiere que antes de realizar cualquier tipo de ensayo con el agua del efluente final del sistema de tratamiento de las lagunas facultativas esta deben descolmatarse para así evitar posibles errores en los ensayos, ya que un problema que se observo durante la realización de los ensayos fue la cantidad de lodos presente en este tipo de agua, lo cual no permitió tener bien claro si la aplicación de alguno de estos tratamientos lograría tener propiedades adecuadas para su reutilización.

Se sugiere que el agua que se obtiene después de haber aplicado los tratamientos es apta para hacer diluciones o para ser utilizada en los hidrociclones, donde se reduciría el consumo de agua proveniente de las fuentes.

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6. AGRADECIMIENTOS.

Los autores expresan su agradecimiento a los direc-tivos de LA PLANTA DE BENEFICIO DE GUAICARA-MO S.A. (META), por su financiación y apoyo logístico lo cual hizo posible la realización de este proyecto e igualmente a CENIPALMA. Por su aporte científico.

7. BIBLIOGRAFIA

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Recibido: 16 - Octubre - 2006Aceptado: 19 - Junio - 2007



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Por:Pedro Saúl Rivera Carvajal1, José Enrique Asela Moros2, Silvia Yohana Suárez Acevedo3 y Carlos Alberto Zúñiga Rojas4.

RESUMEN

Las aguas subterráneas se han convertido en la actua-lidad en un recurso hídrico alternativo en el munici-pio de Villa del Rosario, departamento Norte de San-tander. No obstante, estas aguas presentan un alto contenido de sustancias minerales, ricas en calcio y magnesio, lo que hace que ésta sea excesivamente dura. El recurso hídrico utilizado en su mayoría por las urbanizaciones de este municipio, presenta valores de dureza que oscilan de 250 a 800 ppm de CaCO3 y alcalinidades que van de 180 a 400 ppm como CaCO3; siendo calificadas como no aptas para con-sumo humano, según parámetros establecidos por el Decreto 475 de 1998 que define las Normas Téc-nicas de Calidad del Agua Potable. Esta investiga-ción a nivel de laboratorio busca la obtención de una cal procesada a partir de la roca caliza que se da en el departamento, que combinada con una serie de aditivos controle el nivel de dureza en las aguas subterráneas utilizadas para consumo humano en el municipio de Villa del Rosario; aprovechando así los recursos minerales de la región y dando una alterna-tiva para el ablandamiento de aguas.

Palabras Claves: Dureza, agua subterránea, cal y ablandamiento.

ABSTRACT

Underground waters have become at the present time in an alternative hydric resource in the municipality of Villa del Rosario (Norte de Santander). However these waters are high in dissolved minerals, specifically cal-cium and magnesium, which make water very hard. This hydric resource is used mostly by the urbaniza-tions of this municipality and its degree of hardness oscillates between 250 and 800 ppm of CaCO3 and alkalinities from 180 to 400 ppm as CaCO3, being described as no apt for human consumption, accor-

EVALUACIÓN DE CALIZAS PARA LA OBTENCIÓN DE UNA CAL PARA EL SUAVIZAMIENTO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS A NIVEL DE LABORATORIO, UTILIZADAS PARA CONSUMO HUMANO EN EL MUNICIPIO DE VILLA DEL

ROSARIO, DEPARTAMENTO NORTE DE SANTANDER

1 Licenciado en Biología y Química U. del Valle, Esp en Química, Tratamiento y Control de Aguas UIS. Docente UFPS Director Grupo de Investigación GIDCA – UFPS. [email protected] Docente UFPS, Cooinvestigador Grupo de Investigación GIDCA – UFPS. [email protected] Ingeniero de Producción Industrial. UFPS – [email protected] Ingeniero de Producción Industrial. UFPS – [email protected]

ding to boundaries established in the Decree 475 of 1998, which defines the Quality Technical Norm of Potable Water. The objective of this investigation at laboratory level is to create a product base on lime obtain from limestone rock of Norte de Santander, which in combination with several additives, controls the degree of hardness in underground waters used for human consumption in Villa del Rosario, making good use of the department mineral resources and so that introducing an alternative for water softening.

Keywords: Hardness, Underground water, Lime, Sof-tening.

INTRODUCCIÓN

La calidad de las aguas subterráneas depende de las grandes cargas de materia arrastrada del suelo en épocas de lluvia y la infiltración a través de las capas permeables del subsuelo, reteniendo de manera na-tural parte de la materia en suspensión, materia orgá-nica y bacterias. Por las anteriores razones, las aguas subterráneas son más claras y presentan un alto con-tenido de calcio y magnesio, haciéndolas no aptas para consumo humano.

Ante la disminución de la oferta hídrica superficial, el acelerado crecimiento urbanístico y la ausencia de cobertura de acueductos, el uso de las aguas subte-rráneas se viene presentando como alternativa para cubrir los requerimientos primarios y de desarrollo de la población, conllevando en lo posible, la explota-ción de los acuíferos. (5).

Se presenta el caso del municipio de Villa del Rosario en el cual se encuentra el mayor número de urba-nizaciones que utilizan el agua subterránea para el abastecimiento del consumo humano y doméstico; en total son 34, que abarcan aproximadamente 3800 viviendas, con una población estimada de 13.000 habitantes.

Actualmente, algunas de estas urbanizaciones tienen plantas de suavizamiento con resinas catiónicas de ci-

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clo sodio, pero debido a la falta de personal técnico y desorganización administrativa, no se le está reali-zando el adecuado mantenimiento a las mismas. El método iónico requiere paradas continuas del equipo y grandes cantidades de NaCl, agua y energía eléc-trica, para la regeneración del medio de intercambio iónico. Por tales motivos, es un tipo de ablandamiento muy costoso que además requiere de un control per-manente para asegurar que el agua a la salida del sistema se mantenga blanda. (4).

Esta investigación tiene como principal fin aportar una alternativa en el tratamiento de aguas duras, obte-niendo una cal, que justifique la inversión en términos de eficiencia en la remoción de dureza y alcalinidad del agua, que sea económico, de relativa facilidad de operación y mantenimiento de planta; el cual controle el nivel de dureza en las aguas subterráneas hacién-dolas aptas para el consumo humano, según pará-metros establecidos por el decreto 475 de 1998.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para la selección de las calizas objeto de estudio se tomó como base la información suministrada por la Secretaría de Agricultura y Desarrollo Rural del Norte de Santander, Sección de Minería, en el Censo Mine-ro y Evaluación de Yacimientos. Las muestras de roca caliza fueron extraídas de seis municipios de Norte de Santander, Chinácota, Sardinata, Gramalote, Bo-chalema, Pamplonita y Mutiscua (7), y posteriormente enviadas a los Laboratorios Industriales de la Univer-sidad Industrial de Santander UIS con el fin de obtener el análisis químico correspondiente.

En cuanto a los pozos subterráneos, se escogieron diez urbanizaciones de las de treinta y cuatro que uti-lizan aguas subterráneas para consumo humano (Ur-banización Tamarindo, Altos del Tamarindo, Quintas del Tamarindo II, Villas de Santa Ana, Villas de San-tander, Villas de Sevilla, Campo Verde, El Cují, Los Trapiches y Santa Maria del Rosario). Seis se eligieron de acuerdo a la densidad de población; según datos suministrados por la oficina de Planeación Municipal de Villa del Rosario; y las cuatro restantes, de acuer-do a la ubicación geográfica, dividiendo el mapa de pozos subterráneos existentes en el municipio de Villa del Rosario en cuatro cuadrantes, el cual fue facilita-do por CORPONOR. Los análisis fisicoquímicos de

las muestras obtenidas fueron realizados en San José de Cúcuta por Prolab del Norte Ltda.

Los métodos actuales en el tratamiento de dureza y demás análisis requeridos para el logro del objetivo principal planteado en esta investigación, se desarro-llaron en los Laboratorios de Química de la Univer-sidad Francisco de Paula Santander, por parte de los autores del proyecto.

Procedimiento para la extracción de muestras de aguas de pozo

El método de muestreo de las aguas subterráneas utilizado en este proyecto fue a profundidad, el cual consistió en hacer bajar un dispositivo de muestreo por el interior del pozo, dejando que se llenara con agua a una profundidad conocida, y recuperando la muestra para luego transferirla a un recipiente apro-piado, cuando sea necesario.

La toma de muestras para análisis fisicoquímico ordi-nario no requiere otras precauciones que recogerla en un recipiente limpio con capacidad de 1 a 5 ga-lones, y estos se deben enjuagar varias veces con el agua que se va muestrear antes de llenarlo, estos a su vez no se deben llenarse completamente sino hasta dos centímetros abajo del cuello del recipiente con el fin de permitir la expansión de la muestra durante el manejo y transporte.

Después de ser tomada la muestra se procede a me-dir el pH y el cloro existente en el agua, ésta se lleva inmediatamente al laboratorio, con un registro com-pleto de localización del pozo, fecha, análisis a rea-lizar, nombre de la persona que tomó la muestra y clase de muestra.

El agua de los pozos es en general poco variable en calidad y tanto menos, cuanto más profundos son. En pozos muy superficiales directamente generados por ríos o regadíos se puede precisar una muestra sema-nal, pero en general una muestra mensual o trimestral puede ser suficientemente indicativa. (1).

Procedimiento para la extracción de muestras de roca caliza

Se aplicó el procedimiento de canal, el cual se obtuvo

EVALUACIÓN DE CALIZAS PARA LA OBTENCIÓN DE UNA CAL PARA EL SUAVIZAMIENTO DE AGUAS

SUBTERRÁNEAS A NIVEL DE LABORATORIO, UTILIZADAS PARA CONSUMO HUMANO EN EL MUNICIPIO DE

VILLA DEL ROSARIO, DEPARTAMENTO NORTE DE SANTANDER

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mediante un corte uniforme y continuo, perpendicular a la estratificación. Para esto se limpió la superficie picando el frente hasta una profundidad de 5 cen-tímetros como mínimo, se-guidamente se procedió a limpiar el sitio de muestreo, con el fin de evitar la po-sibilidad de contaminación con otro tipo de roca ajena al yacimiento. La muestra se tomó con un pico de arriba a abajo hasta obtener una muestra de 10 kilogramos con tamaño máximo de fragmento de 15 centíme-tros. Una vez terminado el muestreo se procedió a realizar el cuarteo el cual se hizo de la siguiente forma:

Se homogenizó la muestra completamente, se mezcló, se apiló y cuarteó la cali-za, se redujo el tamaño de la muestra a 5 kilogramos rechazando cuartos opues-tos. Se repitió el proceso de mezclado y cuarteo hasta que la muestra se redujo al volumen adecuado. (2).

RESULTADOS

Análisis fisicoquímicos de aguas subterráneas

En el cuadro 1 se muestran los resultados de los análi-sis fisicoquímicos realizados a las aguas subterráneas provenientes de diez urba-nizaciones del municipio de Villa del Rosario, en ellas se puede observar en que medida la calidad del agua está cumpliendo con los ni-veles exigidos por el decre-to 475 de 1998. (3).

Cuadros 1. Resultados análisis fisicoquímicos de aguas subterráneas




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Análisis químico de la caliza

De acuerdo al análisis químico realizado por Cemex de Colombia S.A., a la roca caliza procedentes de los municipios de Bochalema, Chinácota, Sardinata, Mutiscua, Pamplinita y Gramalote, se concluyó que la roca caliza con mayor porcentaje de oxido de calcio (CaO) aprovechable fue la de Mutiscua, lo cual se puede observar en la cuadro 2.

En el municipio de Mutiscua se halla una caliza con un excelente porcentaje de CaO aprovechable de 82.4 y el mínimo de material insoluble de 3.6, valores esenciales para obtener una cal con las característi-cas exigidas por la Norma Icontec 1398 que son de 80% y 5%, respectivamente. Aplicado el proceso de obtención de la cal viva, se le realizó un análisis del porcentaje de oxido de calcio aprovechable, el cual demostró que realmente la cal si cumplía con lo esta-blecido por dicha norma.

Cuadro 2. Análisis químico de roca caliza

Dosificación con cal hidratada y sulfato de alu-minio. La dosificación de sulfato de aluminio se es-tableció seleccionando el punto óptimo en cuanto a dureza, alcalinidad y pH, siendo este de 25 mL de solución. Los resultados de esta prueba se muestran en el cuadro 3.

Cuadro 3. Resultados dosificación de cal hidratada y sulfato de aluminio

Las curvas de dureza, alcalinidad y pH, se observan en las gráficas 1, 2 y 3 respectivamente.

Gráfica 1. Dosis óptima de cal hidratada y sulfato de aluminio contra dureza

Gráfica 2. Dosis óptima de cal hidratada y sulfato de aluminio contra alcalinidad

Gráfica 3. Dosis óptima de cal hidratada y sulfato de aluminio contra pH

De acuerdo con los análisis anteriores, se puede con-cluir que la combinación más eficiente teniendo en cuenta los resultados de dureza, alcalinidad y pH, es la de cal y sulfato de aluminio. La dosis, en la que los




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tres parámetros fundamentales se mantuvieron dentro de lo exigido por la norma, fue de 200 mL de solu-ción de cal Mutiscua y 15 mL de solución de sulfato de aluminio tipo A, ambas a una concentración del 0.1% p/v, dosificadas a 500 mL de agua a tratar.Actualmente, algunas urbanizaciones del municipio de Villa del Rosario no aplican ningún tipo de trata-miento para el ablandamiento de las aguas de pozo, para la cual se plantea esta alternativa, como es la dosificación de cal hidratada en combinación con sulfato de aluminio.

MODELOS DE ABLANDAMIENTO

Estos modelos de ablandamiento se diseñaron con el ánimo de visualizar tanto el método de resinas catió-nicas (Ver figura 1), el cual es el más utilizado en las urbanizaciones, y el método químico con cal y sulfato de aluminio (Ver figura 2), el cual fue el objetivo prin-cipal de este proyecto.

Figura 1. Modelo de ablandamiento por resinas ca-tiónicas

Figura 2. Modelo de ablandamiento con cal y sulfato de aluminio

Modelo de ablandamiento por resinas catiónicas. Para evaluar el buen funcionamiento de este equipo, se realizaron pruebas con agua procedente de la Ur-banización Tamarindo, la cual presentaba los siguien-tes parámetros iniciales:

Dureza: 300 mg/l de CaCO3Alcalinidad: 272 mg/l de CaCO3pH: 7.25

En el proceso de ablandamiento se utilizaron 10 litros de agua subterránea, seguidamente se realizaron los análisis de dureza, alcalinidad y pH a las muestras tomadas en intervalos de 10 minutos. Los resultados se muestran en el cuadro 4.

Cuadro 4. Resultados análisis del modelo de ablan-damiento por resinas cationicas

Modelo de ablandamiento con cal y sulfato de aluminio. Para el funcionamiento de este equipo se utilizó la misma muestra de agua que en el modelo anterior, por lo tanto se mantienen los parámetros ini-ciales. Se utilizó la cal obtenida de la caliza de Mutis-cua y sulfato de aluminio tipo A en la preparación de las soluciones a dosificar.En este tratamiento se suavizaron diez litros de agua subterránea, para lo cual se calculó la cantidad de solución de cal y sulfato de aluminio necesaria para este volumen de agua teniendo en cuenta la dosis óptima determinada anteriormente.

Volumen de agua a tratar: 10000 mlVolumen de solución de cal 0.1 %: 4000 mlVolumen de solución de sulfato de aluminio 0.1 %: 300 ml

Las muestras de agua tratada se tomaron cada 10 minutos, los valores de dureza, alcalinidad y pH se observan en el cuadro 5.




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Cuadro 5. Resultados del análisis del modelo de ablandamiento con cal y sulfato de aluminio

De acuerdo a los resultados anteriores, se puede concluir que el modelo funciona de manera eficiente en la remoción de dureza, manteniendo dentro de lo permitido los valores de alcalinidad y pH.

CONCLUSIONES

El agua subterránea disponible para las urbanizacio-nes presentes en el municipio de Villa del Rosario, es una fuente hídrica apreciable que contribuye a satis-facer las necesidades domésticas y de consumo de esta población, sin embargo la calidad de la misma en cuanto a la cantidad de iones calcio y magnesio presente no es la más favorable, ya que presentan durezas que van de 255 hasta 455 mg/L de CaCO3 y alcalinidades de 234 hasta 348 mg/L de CaCO3. Al-gunas de estas urbanizaciones no poseen la solvencia económica para adquirir una planta de tratamiento, sea de resinas catiónicas u otro tipo de ablandamien-to y, aquellas que la poseen, no están dando el ren-dimiento deseado pues el costo de mantenimiento es elevado.

El análisis químico de las calizas presentes en algu-nos municipios del Norte de Santander dio a conocer que en el municipio de Mutiscua se halla una caliza con un excelente porcentaje de CaO aprovechable de 82.4 y el mínimo de material insoluble de 3.6, va-lores esenciales para obtener una cal con las caracte-rísticas exigidas por la Norma Icontec 1398 que son de 80% y 5%, respectivamente. Aplicado el proceso de obtención de la cal viva, se le realizó un análisis del porcentaje de oxido de calcio aprovechable, el cual demostró que realmente la cal si cumplía con lo establecido por dicha norma.

La cal hidratada obtenida fue aplicada en solución, sola y en combinación con otros aditivos. De estas pruebas se escogió la mejor mezcla teniendo en cuenta los valores de dureza, alcalinidad y pH. Los tratamientos que sobresalieron fueron el de cal, cal -carbonato de sodio y cal-sulfato de aluminio.

No obstante los que cumplieron con los tres pará-metros fueron el de cal con dureza de 70 mg/L de CaCO3, alcalinidad de 38 mg/L de CaCO3 y pH de 8.20, para una dosis de cal de 200 mL al 0.1% p/v, en 500 mL de agua a tratar y, mezcla cal-sulfato de aluminio con valores de dureza de 90 mg/L de CaCO3, alcalinidad de 68 mg/L de CaCO3 y pH de 8.74, para una dosis de 200 mL de cal y 15 mL de sulfato de aluminio, ambas al 0.1% p/v, a 500 mL de agua a tratar.. Se seleccionó la mezcla de cal y sulfato de aluminio ya que esta no presentaba turbidez en el agua, contrario a la dosis de cal únicamente.

Teniendo en cuenta que esta investigación es un es-tudio preliminar de la posibilidad de aplicación de este método de ablandamiento en las urbanizaciones mencionadas, se plantea como un siguiente paso dentro de la misma, un estudio de factibilidad donde se determine si es viable para la comunidad teniendo en cuenta el aspecto económico y de infraestructura disponible para tal fin. Además estudiar la posibilidad de industrializar la producción de cal hidratada deri-vada de la roca caliza de Mutiscua.

RECOMENDACIONES

La piedra caliza procedente del municipio de Mutis-cua presentó un excelente porcentaje de óxido de cal-cio aprovechable de 82.4, por lo cual se recomienda a la UFPS junto con el municipio, diseñar un proyecto donde se plantee su explotación y otros posibles usos que beneficien a la comunidad, con el fin de aprove-char este recurso y promover su industrialización. Se recomienda a la administración municipal de Villa del Rosario, en común acuerdo con las urbanizaciones que no aplican ningún tipo de tratamiento al agua, gestionar recursos económicos para la adecuación de plantas de tratamiento, que mejore la calidad de vida de las personas que consumen aguas de pozo.Al Grupo de Investigación para el Desarrollo y Con-trol de Aguas GIDCA de la Universidad Francisco de Paula Santander, se le recomienda implementar de




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nivel de laboratorio a nivel de planta, el proceso de suavizamiento de aguas subterráneas, teniendo en cuenta el uso de la nanofiltración, como un nuevo sistema de ablandamiento.

AGRADECIMIENTOS

Al fondo de Investigaciones Universitarias (FINU) - UFPS por el apoyo económico, al grupo de investiga-ción GIDCA por su aporte intelectual, a los Laborato-rios de Química de la Universidad Francisco de Paula Santander por permitirnos desarrollar los diferentes ensayos de laboratorio, a las urbanizaciones que nos permitieron el acceso a los pozos para la toma de muestras.

BIBLIOGRAFIA

[1] Cifuentes, D. & Molina, Y. (2002). Estudio de fac-tibilidad técnico–económico de una planta conven-cional que produzca agua potable a partir del pozo artesiano de la urbanización Santa María del Rosa-rio del municipio de Villa del Rosario. Memoria para optar el Título de Ingeniero de Producción Industrial, Programa de Ingeniería de Producción Industrial, Universidad Francisco de Paula Santander, San José de Cúcuta, Colombia. [2] Contreras, L. & Castro W. (1998). Estudio técni-co–económico para la expansión del yacimiento de roca caliza denominado San Jacinto, Municipio de Chinácota. Memoria para optar el Título de Tecnó-logo de Minas, Programa de Tecnología de Minas, Universidad Francisco de Paula Santander, San José de Cúcuta, Colombia.

[3] Decreto 475 del 10 de Marzo de 1998. Normas Técnicas de Calidad del Agua Potable.

[4] Lizcano, A. (2003). Diagnostico para la planifica-ción y manejo de las aguas subterráneas en las activi-dades de tipo industrial, comercial y agropecuario en los sectores de Cúcuta, Villa del Rosario y Los Patios. Corporación Autónoma Regional de la Frontera No-roriental, Corponor, San José de Cúcuta, Colombia.




[5] Plan Básico de Ordenamiento Territorial municipio de Villa del Rosario, POT, 2004.

[6] ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Calidad del agua. Santafé de Bogotá: Editorial Escuela Colom-biana de Ingenieros, 2002. p. 257.

[7] Secretaría de Agricultura y Desarrollo Rural del Norte de Santander, sección de Minería. Censo mine-ro y evaluación de yacimientos, 1994. p. 177.

[8] Tecnología para la purificación del agua. http:// www. aquasystem.com.mx

Recibido: 25 - Octubre - 2006Aprobado: 22 - Marzo - 2007

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REVISTA DE LA UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER · Ph.D. Héctor Jaime Dulce Moreno, Ciencias Naturales Física. Universidad Industrial de Santander, UIS, Colombia, Universidad