Revista de Sistemas Experimentales - ECORFANDiseño de un sistema de secado con aprovechamiento de calor en la producción de tejas, utilizando ... Taguchi para determinar variables

Volumen 3, Número 9 – Octubre –Diciembre 2016

ECORFAN®

Revista de Sistemas

Experimentales

ISSN 2410-3950

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ECORFAN-Bolivia

Revista de Sistemas Experimentales,

Volumen 3, Número 9, de Octubre a

Diciembre -2016, es una revista editada

trimestralmente por ECORFAN-Bolivia.

Loa 1179, Cd. Sucre. Chuquisaca,

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Editora en Jefe: RAMOS-ESCAMILLA,

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SUAREZ, Fernando. ISSN-2410-

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actualización de este número de la

Unidad de Informática ECORFAN.

ESCAMILLA-BOUCHÁN, Imelda.

PhD, LUNA-SOTO, Vladimir. PhD,

actualizado al 31 de Diciembre 2016

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necesariamente la opinión del Editor en Jefe.

En el primer número es presentado el Tratamiento del lactosuero residual a través de un proceso

electrolítico aplicando arreglos ortogonales para su reutilización en la agroindustria por MATEO,

Nicolás, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y BAUTISTA, Horacio, como siguiente artículo está

Sistema Híbrido Eólico Solar Experimental para el Desarrollo de las Competencias de Ingeniería

Energética por MORALES-IBARRA, Rodolfo, GARDUÑO-GUERRERO, Sergio, GARCÍA-

MONTES, Saida, HERNÁNDEZ-CASTILLO, Karla, YANO-ANGUIANO, Ken y DÍAZ-

VALENCIA, Juan, en el siguiente artículo está Producción de biodiesel por cavitación hidrodinámica

por LIZARDI, Arturo, LÓPEZ, Raymundo, TERRES, Hilario y RESENDIZ, Omar con adscripción en

la Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalc y Universidad Autónoma Chapingo,

como siguiente artículo está Producción de lípidos a partir de Chlorella protothecoides mantenida con

CO2 proveniente de la fermetanción alcoholica por HERNÁNDEZ-ROJO, Abigail, HERNÁNDEZ-

REYES, Mara, JIMÉNEZ-ISLS, Donaji y VENEGAS-SÁNCHEZ, Josué, como siguiente artículo está

Diseño de un sistema de secado con aprovechamiento de calor en la producción de tejas, utilizando

lógica difusa apoyada con LabVIEW por MADUJANO-VENEGAS, Claudia, VELÁZQUEZ-

TRUJILLO, Sabino, ESCOBAR-GÓMEZ, Elías y RIOS-ROJAS, Carlos con adscripción en el Instituto

Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, como siguiente artículo está Reactor para generar biogás a partir de

excretas animales por RAMÍREZ-COUTIÑO, Víctor, CARDONA-MARTÍNEZ, Clara y

RODRÍGUEZ-UGARTE, María, con adscripción en la Universidad Tecnológica de Querétaro, como

siguiente artículo está Producción de bioetanol a partir de suero de queso proveniente de la región

central del estado de Veracruz por DE JESÚS-ANDRADE, Esmeralda, OSORIO-GONZÁLEZ,

Carlos, SANDOVAL-SALAS, Fabiola y ÁVALOS-DE LA CRUZ, Dora, como siguiente artículo está

Diseño, construcción y prueba de un prototipo para la propagación controlada de levadura

Saccaromyces cerevisiae spp., en la producción de Colonche del jugo de tuna Cardona por GASCA-

VÁZQUEZ, Pedro, BERNARDINO-NICANOR, Aurea, GONZÁLEZ-CRUZ, Leopoldo y JUÁREZ-

GOIZ, Mayolo, como siguiente artículo está Estimación del parámetro poblacional de la producción

de lactosuero agroindustrial con el método bayesiano y simulación Monte Carlo por MATEO, Nicolás,

PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y SÁNCHEZ, Fabiola, como siguiente artículo está Implementación

de un deshidratador solar para la eficiente producción de chile por RESÉNDIZ-BADILLO, Ramiro,

GARCÍA-VARGAS, Eduardo, JIMÉNEZ-NAVARRETE, Arturo y MARROQUÍN-DE JESUS, Ángel,

con adscripción en la Universidad Tecnológica de San Juan del Río.

Como siguiente artículo está Estudio comparativo de eficiencia térmica de espiral plano vs

espiral cónico en un colector solar parabólico por AVALOS-SÁNCHEZ, Tomás, ROBLES-

VELÁZQUEZ, Patricia y PRADO-SALAZAR, María, como siguiente artículo está Purificación de

biodiesel con agua y silicato de magnesio por ANDRADE-DURÁN, Juan, CASTILLO-TELLEZ,

Margarita, OVANDO-SIERRA, Juan y CASTILLO-TELLEZ, Beatriz, como siguiente articulo esta

Caracterización de un colector solar de tubos evacuados y de flujo continuo para aplicaciones

industriales por LEMUS-HERNÁNDEZ, Julio, MONTER-ARREGUIN, Samuel y CASTAÑEDA-

OLIVARES, Felipe.

Contenido

Artículo Página

Tratamiento del lactosuero residual a través de un proceso electrolítico aplicando

arreglos ortogonales para su reutilización en la agroindustria

MATEO, Nicolás, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y BAUTISTA, Horacio

1-7

Sistema Híbrido Eólico Solar Experimental para el Desarrollo de las

Competencias de Ingeniería Energética

MORALES-IBARRA, Rodolfo, GARDUÑO-GUERRERO, Sergio, GARCÍA-

MONTES, Saida, HERNÁNDEZ-CASTILLO, Karla, YANO-ANGUIANO, Ken y

DÍAZ-VALENCIA, Juan

8-15

Producción de biodiesel por cavitación hidrodinámica

LIZARDI, Arturo, LÓPEZ, Raymundo, TERRES, Hilario y RESENDIZ, Omar

16-23

Producción de lípidos a partir de Chlorella protothecoides mantenida con CO2

proveniente de la fermetanción alcoholica

HERNÁNDEZ-ROJO, Abigail, HERNÁNDEZ-REYES, Mara, JIMÉNEZ-ISLS,

Donaji y VENEGAS-SÁNCHEZ, Josué

24-28

Diseño de un sistema de secado con aprovechamiento de calor en la producción de

tejas, utilizando lógica difusa apoyada con LabVIEW

MADUJANO-VENEGAS, Claudia, VELÁZQUEZ-TRUJILLO, Sabino, ESCOBAR-

GÓMEZ, Elías y RIOS-ROJAS, Carlos

29-36

Reactor para generar biogás a partir de excretas animales

RAMÍREZ-COUTIÑO, Víctor, CARDONA-MARTÍNEZ, Clara y RODRÍGUEZ-

UGARTE, María

37-41

Producción de bioetanol a partir de suero de queso proveniente de la región

central del estado de Veracruz

DE JESÚS-ANDRADE, Esmeralda, OSORIO-GONZÁLEZ, Carlos, SANDOVAL-

SALAS, Fabiola y ÁVALOS-DE LA CRUZ, Dora

42-50

Diseño, construcción y prueba de un prototipo para la propagación controlada de

levadura Saccaromyces cerevisiae spp., en la producción de Colonche del jugo de

tuna Cardona

GASCA-VÁZQUEZ, Pedro, BERNARDINO-NICANOR, Aurea, GONZÁLEZ-CRUZ,

Leopoldo y JUÁREZ-GOIZ, Mayolo

51-54

Estimación del parámetro poblacional de la producción de lactosuero

agroindustrial con el método bayesiano y simulación Monte Carlo

MATEO, Nicolás, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y SÁNCHEZ, Fabiola

55-61

Implementación de un deshidratador solar para la eficiente producción de chile

RESÉNDIZ-BADILLO, Ramiro, GARCÍA-VARGAS, Eduardo, JIMÉNEZ-

NAVARRETE, Arturo y MARROQUÍN-DE JESUS, Ángel

62-72

Estudio comparativo de eficiencia térmica de espiral plano vs. espiral cónico en un

colector solar parabólico

AVALOS-SÁNCHEZ, Tomás, ROBLES-VELÁZQUEZ, Patricia y PRADO-

SALAZAR, María

73-77

Purificación de biodiesel con agua y silicato de magnesio

ANDRADE-DURÁN, Juan, CASTILLO-TELLEZ, Margarita, OVANDO-SIERRA,

Juan y CASTILLO-TELLEZ, Beatriz

78-87

Caracterización de un colector solar de tubos evacuados y de flujo continuo para

aplicaciones industriales

LEMUS-HERNÁNDEZ, Julio, MONTER-ARREGUIN, Samuel y CASTAÑEDA-

OLIVARES, Felipe

88-97

Insturcciones para Autores

Formato de Originalidad

Formato de Autorización

1

Artículo Revista de Sistemas Experimentales

Diciembre 2016 Vol.3 No.9 1-7

Tratamiento del lactosuero residual a través de un proceso electrolítico aplicando

arreglos ortogonales para su reutilización en la agroindustria

MATEO, Nicolás*†, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y BAUTISTA, Horacio.

Recibido Octubre 21, 2016; Aceptado Noviembre 15, 2016

Resumen

La generación de lactosuero en la agroindustria quesera

es el principal residuo que actualmente no se le da

tratamiento ni aprovechamiento alguno en México,

convirtiéndolo en un contaminante del suelo y

principalmente del agua, por la gran cantidad de

Demanda Química de Oxígeno y Demanda Bioquímica

de Oxígeno requerida para degradar la materia orgánica.

La investigación aborda esta problemática para dar una

alternativa a las agroindustrias de procesamiento de

leche, para tratar el lactosuero con métodos

electroquímicos, en este caso mediante electrólisis, y la

posterior reutilización del agua en algunos procesos de

lavado. El estudio se desarrolló en Tempoal, Veracruz,

México, un municipio que se destaca por tener como

principal actividad económica la producción de quesos y

por consiguiente altos volúmenes de este residuo que

puede aprovecharse industrialmente. Se realizó un

experimento empleando Arreglos Ortogonales de

Taguchi para determinar variables significativas en la

obtención de Hidrógeno (H) y oxígeno (O) en la

electrólisis, se realizaron 8 tratamientos con dos réplicas,

se probó el voltaje, tipo de material, tiempo y tamaño del

electrodo a dos niveles cada uno. El resultado mostró que

usando aluminio como electrodos en cátodo y ánodo se

genera mayor cantidad de H y O en el proceso

electrolítico.

Lactosuero, Electrólisis, Arreglos Ortogonales,

Tratamiento residual, Diseño Robusto

Abstract

The generation of whey in the cheese agro-industries is

the main waste that currently not given treatment or use

in Mexico, turning it in a contaminant of soil and water

mainly, by the large amount of chemical oxygen demand

and biochemical oxygen demand required to degrade

organic matter. The research addresses this issue to

provide an alternative to milk processing agro-industries,

to treat whey with electrochemical methods, in this case

by electrolysis and subsequent reuse of water in some

washing processes. The study was conducted in Tempoal,

Veracruz, México, a municipality that stands out for

having as main economic activity cheese production and

consequently high volumes of this waste that can be

exploited industrially. It was performed an Taguchi´s

Orthogonal Arrays to determine significant variables in

obtaining hydrogen (H) and oxygen (O) in electrolysis, 8

treatments with two replicates were performed, voltage,

type of material, size and time tested experiment was

performed electrode at two levels each. The result

showed that using aluminum as cathode and anode

electrodes more H and O is generated in the electrolytic

process.

Cheese Whey, Electrolysis, Orthogonal Arrays,

Residual treatment, Robust Design

Citación: MATEO, Nicolás, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y BAUTISTA, Horacio. Tratamiento del lactosuero residual

a través de un proceso electrolítico aplicando arreglos ortogonales para su reutilización en la agroindustria. Revista de

Sistemas Experimentales. 2016, 3-9: 1-7

* Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])

†Investigador contribuyendo como primerAutor.

© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia

2



ISSN-2410-3950

ECORFAN® Todos los derechos reservados

MATEO, Nicolás, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y BAUTISTA,

Horacio. Tratamiento del lactosuero residual a través de un proceso

electrolítico aplicando arreglos ortogonales para su reutilización en la

agroindustria. Revista de Sistemas Experimentales. 2016

Introducción

Investigaciones han demostrado que el

lactosuero, residuo generado en las queserías,

conocidas como agroindustrias, es un vertido

contaminante por la alta carga orgánica de

Demanda Química de Oxígeno (DQO) y

Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO).

Callejas, Prieto, Reyes, Marmolejo y Méndez

(2012) tras caracterizar un lactosuero

encontraron que éste puede presentar una

DQO> 100 000 mg O2/L; en cambio, Valencia

y Ramírez (2009) reportan que la DQO del

residuo se encuentra entre 30 000 a 50 000

mg/L. Otros autores reportan valores de DBO

de 40 000- 60 000 (Ben Hassan y Ghaly, 1994)

y DQO de 50 000- 80 000 mg/L (Fournier,

Schwitzguébel y Péringer, 1993)

Por tal motivo, esta investigación es

importante por la búsqueda y aportación que se

hace en el tratamiento del lactosuero para

mitigar los efectos ambientales; este trabajo es

el reporte de la primera fase de la investigación,

pues solo mide la cantidad de hidrógeno y

oxígeno que se puede obtener de un lactosuero

tras la producción de queso de aro en el

municipio de Tempoal, Veracruz, México. Se

aplicó la electrólisis; un método electroquímico,

usando dos tipos de material para los electrodos

(Al y Cu), a diferentes tamaños, tiempos de

reacción y voltajes, a fin de hacer una selección

del electrodo para posteriormente diseñar y

construir un reactor de tratamiento de residuo.

Considerando que tecnologías de tratamiento

físico-químico o biológico existentes tienen alto

costo, se busca el diseño y construcción de una

tecnología económica que se adapte a las

necesidades de las micro y pequeñas

agroindustrias del municipio en estudio, esto

permitirá dar un valor agregado respecto a las

tecnologías actuales.

La hipótesis central del estudio se

plantea: el Al usado como electrodo en un

proceso electrolítico para obtener hidrógeno y

oxígeno para tratar el lactosuero es mas efectivo

que el electrodo de Cu.

Estudios para mitigar este problema se

enfocan al desarrollo de tratamientos con

tecnologías y métodos físicos, químicos y

biológicos.

Métodos de tratamiento y tecnologías

Callejas, et al. (2012) emplearon un proceso de

electrocoagulación con electrodos Al y Ru2O3

para la remoción de la carga orgánica, logrando

remover el 84%. Parra (2010) usó tratamiento

anaerobio mediante un sistema de dos etapas, la

primera con biofiltro anaerobio y la segunda

con un reactor UASB (Up Flow Anaerobic

Sludge Blanket) probando el sistema con tres

cargas de DQO (5 200, 7 800 y 10 500 mg

DQO/L-día) eliminando un 57% la DQO.

Sánchez, Gil, Gil, Giraldo, Millán y Villada

(2009), proponen una tecnología efectiva

empleando Microorganismos Eficientes tipo

lactobacillus que logran disminuir la DQO

hasta un 98%, evitando riesgo ambiental.

Melchiors et al. (2016) trataron el agua

residual de la industria lechera para estudiar la

eficiencia de la electrofoculación y la

recuperación de sólidos del lactosuero donde se

usó un aparato electroquímico con dos

electrodos de aluminio o hierro, encontrando

que la DQO y turbidez disminuyen entre 97.0 ±

0.02% y 99.6 ± 3.00 x 10-4% final cuando se

emplean electrodos de aluminio.

3



ISSN-2410-3950






Bezerra et al. (2009) estudiaron los

efectos del tiempo de alimentación, carga

orgánica y cargas de choque en circulación

anaerobia en tratamiento de lactosuero por un

AnSBBR (Anaerobic Sequencing Batch

Biofilm Reactor) cuyo resultado fue que a

mayor tasa de carga orgánica de DQO pero con

menor tiempo de alimentación aumenta la

eficiencia de eliminación de materia orgánica

en el reactor.

Los mismos autores analizaron después la

variable “suplementación de alcalinidad”

usando el mismo reactor, determinando que la

eficiencia de éste no se ve afectado por la

aplicación de cargas de choque, y la alcalinidad

se puede reducir en un 50%.

Prazeres et al., (2016) proponen el

tratamiento de aguas residuales de alta

resistencia de diferentes sueros de queso, que

busca mitigar el CO2 en la altmófera así como

la producción de biofertilizantes, usando

coagulación-floculación FeCl3, precipitación

con NaOH y precipitación Ca(OH)2 logrando

una reducción del 90% de la DQO.

El uso de técnicas de ósmosis inversa de

baja presión y la electrodiálisis fue usado por

Zmievskii et al. (2014) para tratar el agua

residual después del procesamiento del

lactsuero.

Metodología

Factores de control y ruido en la electrólisis

Para la electrólisis, se usó el lactosuero como la

solución electrolítica, al que previamente se le

hizo una caracterización para conocer el

Potencial de hidrógeno (pH) y la salinidad

como factores de ruido, las muestras estudiadas

arrojaron que el pH mas bajo fue de 4.0 y el

mas alto de 5.14, estos quedaron definidos

como los niveles bajo (1) y alto (2); mientras

que la salinidad tuvo un nivel (1) de 3.90 y un

nivel (2) de 5.30. Los factores de control

(Arreglo Interno) así como de ruido (Arreglo

Externo) con sus respectivos niveles 1 y 2 se

muestran en la tabla 1.

Factores de control Nivel Factores de

ruido

Nivel

1 2 1 2

A: Voltaje (V) 6 12 K: pH 4.0 5.14

B: Tiempo (min) 15 30 L: Salinidad 3.90 5.30

C: Tamaño del

electrodo (cm)

10 15

D: Tipo de Material Al Cu

Tabla 1 Factores de control y ruido definidas en el

experimento.

Las variables de respuesta fueron:

YH: Volumen de hidrógeno (H) obtenido.

YO: Volumen de oxígeno (O) obtenido. Ambas

variables fueron tomadas simultáneamente en la

reacción, puesto que en un electrodo se obtiene

H y en otro O. la figura 1 presenta el

experimento.

Figura 1 electrólisis con lactosuero

4



ISSN-2410-3950






Arreglos ortogonales

Se usaron los Arreglos Ortogonales (AO) de

Taguchi en el Diseño Robusto (DR); se

definieron cuatro variables de control a dos

niveles usando un AO L8; para los factores de

ruido se eligió un AO L4. La gráfica lineal

elegida para el L8 fue (gráfico 1):

Grafico 1 Gráfica lineal para el arreglo L8.

El DR con el arreglo externo e interno

para YH se presenta en la tabla 2, resultando 32

corridas o pruebas.

Arreglo Externo (L4)

Factores

de ruido

3 1 2 2 1

2 L 1 2 1 2

1 K 1 1 2 2 �̅� σ S/R

Factores controlables

Arreg

lo I

nte

rn

o (

L8)

1 2 3 4 5 6 7

A B C D

1 1 1 1 1 1 1 18 18 17.8 18.1 17.98 0.13 25.09

1 1 1 2 2 2 2 7.2 7.2 7.24 7.11 7.19 0.05 17.13

1 2 2 1 1 2 2 13.68 14.4 14.09 14.10 14.07 0.30 22.96

1 2 2 2 2 1 1 20.88 21.6 21.31 21.37 21.29 0.30 26.56

2 1 2 1 2 1 2 14.4 14.76 14.75 14.54 14.61 0.17 23.29

2 1 2 2 1 2 1 15.12 14.4 14.85 14.59 14.74 0.31 23.37

2 2 1 1 2 2 1 32.4 36 33.47 32.95 33.71 1.59 30.53

2 2 1 2 1 1 2 9 10.08 9.10 9.66 9.46 0.51 19.49

Tabla 2 Diseño con arreglos interno y externo para el

estudio de H obtenido.

De acuerdo con Taguchi (1984), en un

AO L8 se deben elegir las columnas 1, 2, 4 y 7

para asignar a los factores de control (En este

caso los factores A, B, C y D), y las columnas 1

y 2 del AO L4 (factores K y L). En la tabla 2 y 3

se señalan con recuadros grises.

Arreglo Externo (L4)

Fa

cto

res

de r

uid

o 3 1 2 2 1

2 L 1 2 1 2

1 K 1 1 2 2 �̅� σ S/R

Factores controlables

Arreg

lo I

nte

rn

o (

L8)

1 2 3 4 5 6 7

A B C D

1 1 1 1 1 1 1 2.52 3.6 2.60 2.65 2.84 0.51 8.82

1 1 1 2 2 2 2 0.72 1.08 0.73 1.03 0.89 0.19 -1.47

1 2 2 1 1 2 2 3.6 3.6 3.42 3.71 3.53 0.12 11.07

1 2 2 2 2 1 1 9.72 10.8 9.72 9.94 10.05 0.51 20.01

2 1 2 1 2 1 2 1.08 1.08 9.97 9.88 5.50 5.11 3.63

2 1 2 2 1 2 1 2.16 0.72 1.04 1.20 1.28 0.62 0.27

2 2 1 1 2 2 1 7.2 7.2 7.14 6.90 7.11 0.14 17.03

2 2 1 2 1 1 2 2.52 2.88 2.78 2.72 2.73 0.15 8.68

Tabla 3 Diseño con arreglos interno y externo para el

estudio de O obtenido.

Razón señal/ ruido

El cálculo de la Razón Señal/Ruido (S/R) es un

estadístico de desempeño que se calcula en cada

combinación de los factores controlables

(Gutiérrez y de la Vara, 2012). El tipo de

característica de calidad de interés es: mayor es

mejor, es decir, entre mayor cantidad de H y O

se obtenga en el menor tiempo de reacción de la

electrólisis, es mejor; está dada por la ecuación

1:

−10 log [1

𝑛∑

1

𝑌𝑖2

𝑛𝑖=1 ] (1)

Resultados

Efectos significativos en la obtención de H

Se hizo un análisis regular, para encontrar

factores que afectan a la media del proceso

experimental, teniendo en cuenta que el interés

se centra en el estudio de los 4 efectos

individuales (A, B, C y D) en sus dos niveles, el

cálculo del Análisis de Varianza (anova) en

relación a la media indica que el factor

significativo es D con valor F de 11.32, que es

mayor a FTablas al 95% de confianza y un grado

de libertad: F0.05,1,3= 10.13 (tabla 4)

1

2 3

4 5

7 6

5



ISSN-2410-3950






Factores GL Suma de cuadrados

Cuadrado medio

F

A 1 17.99 17.99 0.91

B 1 72.05 72.05 3.63

C 1 95.79 95.79 4.83

D 1 224.53 224.53 11.32

Error

Residual

3 59.50 19.83

Total 7 469.86

Tabla 4 Análisis de varianzas de medias.

Por su parte las gráficas de efectos

principales para las medias, muestra que el

factor D tiene mayor inclinación (gráfico 2)

21

20

15

10

21

21

20

15

10

21

A

Me

dia

de

Me

dia

s

B

C D

Gráfica de efectos principales para MediasMedias de datos

Grafico 2 Gráfico de efectos principales para Medias en

la obtención de H

Tambien se determinaron efectos

significativos que afectan a la Razón S/R, el

anova arrojó que los factores C y D con valores

F de 11.88 y 25.99 respectivamente, son

significativos al ser mayores que FTablas al 95%

de confianza y un grado de libertad: F0.05,1,3=

10.13 (tabla 5)

Factores GL Suma de

cuadrados

Cuadrado

medio

F

A 1 3.046 3.046 1.23

B 1 14.211 14.211 5.75

C 1 29.378 29.378 11.88

D 1 64.290 64.290 25.99

Error Residual 3 7.420 2.473

Total 7 118.346

Tabla 5 Análisis de varianzas de Relación Señal/Ruido.

Lo anterior indica que el tipo de material

afecta tanto a la media como a la S/R, mientras

que el tamaño del electrodo solo a la media para

la obtención de Hidrógeno.

21

26

24

22

20

21

21

26

24

22

20

21

A

Me

dia

de

Re

lacio

ne

s S

N

B

C D

Gráfica de efectos principales para Relaciones SNMedias de datos

Señal a ruido: Más grande es mejor

Grafico 3 Gráfico de efectos principales para relaciones

S/R para H.

Efectos significativos en la obtención de O

Ningún factor fue significativo en la obtención

del O respecto a la media; todos fueron

menores al valor F0.05,1,3= 10.13 (tabla 6). En

tanto que el factor B: Tiempo, resultó

significativo respecto a S/R (Tabla7), con un

valor F de 19.83.

Varible GL Suma de

cuadrados

Cuadrado

medio

F

A 1 0.0689 0.0689 0.01

B 1 20.9547 20.9547 1.75

C 1 2.0987 2.0987 0.18

D 1 9.1967 9.1967 0.77


Total 7 68.1931

Tabla 6 Análisis de varianzas de medias en la obtención

de O.

Varible GL Suma de

cuadrados

Cuadrado

medio

F

A 1 9.764 9.764 0.75

B 1 259.340 259.340 19.83

C 1 21.326 21.326 1.63

D 1 73.345 73.345 5.61


Total 7 403.011

Tabla 7 Análisis de varianza de Relación Señal/Ruido.

6



ISSN-2410-3950






Predicción

A fin de realizar una predicción y maximizar la

robustez del proceso, se analiza la media y se

elige el factor D en su nivel 1; mientras que en

el análisis de la S/R, se eligen los factores C y

D ambos en su nivel 1; lo anterior hará menos

sensible a los factores de ruido (K y L);

empleándose como factores de ajuste.

La ecuación para la predicción respecto a

la media de H queda establecida:

�̂� = �̅� + (�̅�2 − �̅�) = �̅�2 (2)

Usando la ecuación 2, se obtiene

�̂� = 21.92


S/R de H queda establecida:

𝑆/�̂� = 𝑆/𝑁̅̅ ̅̅ ̅̅ + (𝐶1̅ − 𝑆/𝑁̅̅ ̅̅ ̅̅ ) + (�̅�1 − 𝑆/𝑁̅̅ ̅̅ ̅̅ ) (3)

Usando la ecuación 3, se obtiene:

𝑆/�̂� = 20.09 + 21.92 − 16.63 = 35.23


S/R de O queda establecida:

𝑆/�̂� = 𝑆/𝑁̅̅ ̅̅ ̅̅ + (�̅�2 − 𝑆/𝑁̅̅ ̅̅ ̅̅ ) = �̅�2 (4)

Usando la ecuación 4, se obtiene �̂� = 19.63

Agradecimiento

Al Tecnológico Nacional de México por la

aprobación del proyecto de investigación

“Sistema de tratamiento del lactosuero para

mitigar los efectos en sistemas hidrosanitarios

en Tempoal, Ver.”, así como al Instituto

Tecnológico Superior de Tantoyuca por el

apoyo institucional.

Conclusiones

La experimentación aplicando la idea de

robustez de Taguchi permitió minimizar el

efecto de los factores de ruido (salinidad y pH)

sin tener que controlarlos directamente;

buscando minimizar la varianza. La

importancia de la aplicación del método de

Taguchi en este trabajo, radica en que el

proyecto se encuentra en la etapa de diseño de

un nuevo producto, por lo tanto tiene mayor

impacto, puesto que este tipo de diseño de

experimentos son aplicables a la etapa de

diseño y desarrollo de nuevos productos y

procesos. De tal manera, que el experimento de

8 tratamientos con dos réplicas, probando el

voltaje, tipo de material, tiempo y tamaño del

electrodo a dos niveles cada uno mostró que

usando Al como electrodos en cátodo y ánodo

se genera mayor cantidad de H y O en el

proceso electrolítico.

Referencias

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8



Sistema Híbrido Eólico Solar Experimental para el Desarrollo de las Competencias

de Ingeniería Energética

MORALES-IBARRA, Rodolfo*†, GARDUÑO-GUERRERO, Sergio, GARCÍA-MONTES, Saida,

HERNÁNDEZ-CASTILLO, Karla, YANO-ANGUIANO, Ken y DÍAZ-VALENCIA, Juan.


Resumen

Enmarcados en las propuestas científico-tecnológicas así

como el paso que nuestro país da hacia el futuro con la

Reforma Energética y en específico en la Ley de

Transición Energética, a través de las Competencias

Académicas entregadas a los estudiantes de nuestra

facultad en el curso de Ambiente y Sustentabilidad, en el

presente trabajo se propone un proyecto integrador de

Sistema Híbrido Eólico-Solar apropiado para estudiantes

de la disciplina de ingeniería que en principio cuenta con

un carácter de desarrollo tecnológico-energético. Un

sistema híbrido es un sistema basado en este caso en dos

subsistemas de diferente naturaleza eólico y solar. Para

dimensionar un sistema híbrido es necesario identificar

todas las combinaciones posibles que ofrecen un

determinado nivel de satisfacción y/o confiabilidad

optimizando al valorar el costo económico de cada una

de las posibilidades para un mismo nivel de

confiabilidad. El diseño del Sistema Híbrido Eólico-Solar

y su sistema de caracterización ha sido tal que genere en

el estudiante las competencias no solo de comprensión de

dichos sistemas, sino también la de fabricación y

construcción de los subsistemas Eólico, Solar, de Control

y de Caracterización.

Sistema Híbrido, Energías Renovables, Energía Solar,

Energía Eólica, Ingeniería Energética

Abstract

Taking into account the latest advances in renewable

energies and the important steps that our country is

taking on the Energetic Reform and namely in the

Energetic Transition Bill, in the present work, an

integrating academic project deployed for the

development of scientific and technological

competencies in engineering students is presented as a

part of the academic course of Environment and

Sustainability which consists of an experimental wind-

solar hybrid system constructed by the students. This

particular hybrid system is based on wind turbine power

and solar photovoltaic panels. The design and

deployment of the hybrid system is based on different

configurations while monitoring the efficiency and

reliability of the output; the best configuration is

observed when the cost effective efficiency is reached at

the same level of reliability. The students develop

through this experimental project the competencies of

deep comprehension of, not only the importance of

renewable energies but also construction, design, control

and monitoring of the hybrid wind power and

photovoltaics subsystems.

Hybrid System, Renewable Energy, Solar Energy,

Wind Energy, Energy Engineering

Citación: MORALES-IBARRA, Rodolfo, GARDUÑO-GUERRERO, Sergio, GARCÍA-MONTES, Saida,

HERNÁNDEZ-CASTILLO, Karla, YANO-ANGUIANO, Ken y DÍAZ-VALENCIA, Juan. Sistema Híbrido Eólico Solar

Experimental para el Desarrollo de las Competencias de Ingeniería Energética. Revista de Sistemas Experimentales 2016,

3-9: 8-15

* Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])

†Investigador contribuyendo como primer autor.


9 Artículo Revista de Sistemas Experimentales




DÍAZ-VALENCIA, Juan. Sistema Híbrido Eólico Solar Experimental para el

Desarrollo de las Competencias de Ingeniería Energética. Revista de Sistemas

Experimentales 2016

ISSN-2410-3950


Introducción

La gran demanda de energía que a nivel global

es requerida y cuya principal fuente de

alimentación es el carbono en sus diversas

formas representa la causa principal de

emisiones de gases tipo invernadero de carácter

antropogénico, causantes del cambio climático

por calentamiento global.

México participa activamente en los

acuerdos internacionales contra el cambio

climático; México ha ratificado el Protocolo de

Kyoto y participa de manera inclusiva en las

actividades de la Agenda 21. Se ha decretado la

Ley General de Cambio Climático en la cual se

crea el Instituto Nacional de Ecología y Cambio

Climático; así mismo la Ley de transición

energética establece las bases para un cambio

hacia las energías renovables. En acciones de

mitigación México se ha comprometido a reducir

las emisiones de carbono negro en un 51% hacia

el 2030; y reducir las emisiones de Gases de

Efecto Invernadero en un 22% al 2030 según lo

acordado en la COP 21 y el Acuerdo de Paris.

Por encima de todas las áreas de

oportunidad de mejora en México, identificamos

una en particular que en nuestra opinión podría

ser la piedra angular sobre la que se sustente el

cambio positivo respecto a los impactos

antropogénicos, a saber: la educación

medioambiental así como su divulgación y

difusión.

Es importante entender y comunicar que al

día de hoy, la humanidad cuenta ya con las

tecnologías necesarias para empezar a resolver el

cambio climático debido a las emisiones de CO2.

Figura 1. Soluciones tecnológicas disponibles; a) Energía

Eólica; b) Energía Fotovoltaica.

En la Fig. 1. a) se muestra la tecnología de

generación de energía eléctrica por medio de

energía eólica. La capacidad actual está

creciendo un 30% cada año lo que nos lleva a

suponer que esta es una de las mejores opciones

para rápidamente superar un impacto positivo de

más de 1GtC/año. En la Fig. 1 b) se muestra la

opción tecnológica de energía fotovoltaica, la

cual, al igual que la energía eólica, se estima que

se encuentra en crecimiento de más de 30% por

año.

A través de las Competencias Académicas

entregadas a los estudiantes de nuestra facultad

en el curso de Ambiente y Sustentabilidad, en el

presente trabajo se propone un proyecto

integrador de Sistema Híbrido Eólico-Solar

apropiado para estudiantes de la disciplina de

ingeniería que en principio cuenta con un

carácter de desarrollo tecnológico-energético.

b)

a)







Experimentales 2016

ISSN-2410-3950


El diseño del Sistema Híbrido Eólico-Solar

y su sistema de monitoreo ha sido tal que genere

en el estudiante las competencias no solo de

comprensión de dichos sistemas, sino también la

de fabricación y construcción de los subsistemas

Eólico, Solar y de Control.

Sistema Híbrido Eólico-Solar Experimental

Un sistema híbrido es un sistema basado en este

caso en dos subsistemas de diferente naturaleza

eólico y solar.

Figura 2 Diagrama Esquemático del Sistema Híbrido

Eólico-Solar Experimental.

En la Fig. 2. Se muestra el diagrama

esquemático del sistema híbrido eólico-solar

experimental. La propuesta aquí descrita tiene

como fin el presentar mediante la unidad

académica de Ambiente y Sustentabilidad el reto

de experimentar en sistemas de energías

alternativas bajo la implementación de un

sistema híbrido eólico-solar.

Los sistemas autónomos basados en

generadores fotovoltaicos y eólicos con

almacenamiento por medio de baterías son una

opción para la alimentación de pequeñas cargas

en emplazamientos remotos. Para dimensionar

un sistema híbrido es necesario identificar todas

las combinaciones posibles que ofrecen un

determinado nivel de satisfacción o fiabilidad.

De todas las opciones la óptima se obtiene al

valorar el coste económico de cada una de las

posibilidades para un mismo nivel de fiabilidad.

Subsistema Eólico - La energía eólica es la

energía obtenida a partir del viento, es decir, la

energía cinética generada por efecto de las

corrientes de aire, y que es convertida en otras

formas útiles de energía para las actividades

humanas. En la actualidad, la energía eólica es

utilizada principalmente para producir

electricidad mediante aerogeneradores

conectados a las grandes redes de distribución de

energía eléctrica. La Tabla 1 muestra las

especificaciones eléctricas del subsistema eólico.

Subsistema Solar - Los paneles o módulos

fotovoltaicos (llamados comúnmente paneles

solares, aunque esta denominación abarca otros

dispositivos) están formados por un conjunto de

celdas (células fotovoltaicas) que producen

electricidad a partir de la luz que incide sobre

ellos (energía solar fotovoltaica). El parámetro

estandarizado para clasificar su potencia se

denomina potencia pico, y se corresponde con la

potencia máxima que el módulo puede entregar

bajo unas condiciones estandarizadas.

Subsistema

Eólico

Subsistema

Fotovoltaico

Controlador

Baterías

Inversor

Carga







Experimentales 2016

ISSN-2410-3950


La Tabla 2 muestras las especificaciones

eléctricas del subsistema solar. Specifications

Rated Power 400w

Nominal Voltage DC12-24V

Service Voltage DC12-24V

Cut-in Wind Speed 2.5m/s

Rated Wind Speed 10.5m/s

Maximum wind speed 35m/s

Rated Rotate Speed 800r/min

Battery Capacity 200AH-400AH

Output Voltage(AC) 110-220V

Wind leaf material Fibre reinforced composite

Rotor diameter 1.2M

Tower diameter Suggest more than 80 mm

Tabla 1 Especificaciones eléctricas del subsistema eólico.

Controlador - El controlador es un

dispositivo que sumará las energías de los

subsistemas eólico y solar para la correcta

alimentación de la batería, combinando así las

características de voltaje, corriente y potencia de

ambos subsistemas.

Batería - La batería es básicamente el

dispositivo de almacenamiento de energía

eléctrica de corriente directa proveniente

directamente del controlador del sistema híbrido

eólico-solar. La batería alimenta al inversor.

Inversor - El inversor es un dispositivo de

transformación de energía eléctrica de modo de

corriente directa a corriente alterna.

En el proceso de transformación de

energía, se ven también optimizados los niveles

de corriente lo que proporciona una cantidad de

energía óptima para los sistemas de consumo

eléctrico.

Specifications

Rated power 160w

Voc 22.41V

Vop 17.9V

Short circuit current (Isc) 9.87A

Working current (Iop) 8.89A

Output Tolerance ±3%

Temperate coefficient of Isc (010+/- 0.01 )%/ ℃

Temperate coefficient of Voc - (0.38 +/-0.01 )%/ ℃

Temperate coefficient of

power Voc -0.47%/℃

Temperature range -40℃to +80℃

SLA Battery Voltage 12V

Dimensions (L x W x H)mm 665*1450*35mm(26.3*

57.3*1.38 in)

Tabla 2 Especificaciones eléctricas del subsistema solar.

Implementación del Diseño y Armado del

Sistema Híbrido Eólico-Solar Experimental.

Subsistema Eólico - El diseño y armado del

subsistema eólico se basa en dos partes: 1 - La

fabricación de aspas del generador en materiales

compuestos por el proceso de moldeo al vacío

y/o moldeo manual; 2 - El reciclaje de

componentes eléctricos, específicamente,

motores eléctricos, dínamos y/o alternadores

eléctricos que presenten las características de

factibilidad de activación por energía eólica.







Experimentales 2016

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Fabricación de Aspas del Generador - El

proceso de manufactura comienza por el recorte

de preformas de fibra de vidrio que servirán

como refuerzo en el material compuesto para

luego, moldear bajo vacío, inyectando la resina

poliéster y/o viniléster y su posterior desmoldeo.

La Fig. 3. muestra el proceso de manufactura de

aspas de generador eólico.

Figura 3 Proceso de Manufactura de Aspas de Generador

Eólico.

Ensamblado del Generador Eólico - El

armado del generador se lleva a cabo de manera

simple y mecánica, ajustando las aspas

fabricadas en compuestos al componente

dinámico del generador. La Fig. 4. Muestra el

ensamble y puesta en marcha del generador

eólico.

Figura 4 Ensamble y puesta en marcha del Generador

Eólico.

Subsistema Solar - El armado del panel

solar se hace a partir de celdas solares realizando

los trabajos de soldadura tal como se muestra en

la Fig. 5. Proceso de soldadura de las celdas

solares.

Figura 5 Ensamble y soldadura de Celdas Solares.

Posterior a la soldadura de celdas se lleva a

cabo la presentación y sellado del panel tal como

se muestra en la Fig. 6. Sellado de Celdas

Solares.

Figura 6 Sellado de Celdas Solares







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Por ultimo, se revisan las eficiencias de los

subsistemas y la integración del Sistema Híbrido

Experimental como se muestra en la Fig. 7.

Revisión de eficiencias y armado del sistema

híbrido.

Figura 7 Revisión de eficiencias y armado del sistema

híbrido.

La implementación general consiste en la

cátedra de la técnica de dimensionamiento,

diseño y armado de los subsistemas eólico y

solar para su posterior integración. Con ello, se

entregan al alumno las competencias de

diagnóstico y diseño de sistemas de energías

renovables.

Resultados

El presente proyecto es utilizado como trabajo

final en el curso Ambiente y Sustentabilidad de

la formación de Ingeniería en la FIME-UANL.

Dicho proyecto ha sido ya presentado por al

menos 390 estudiantes en el semestre Enero-

Junio 2016 en 11 Grupos con una distribución tal

como se muestra en la Tabla 3. Distribución de

Grupos y Estudiantes Participantes del Proyecto.

Es importante mencionar que el proyecto

aquí desplegado, es un esfuerzo personal

realizado por el equipo de trabajo que presenta

este manuscrito por lo que no todos los alumnos

de la FIME-UANL reciben la formación de

competencias aquí descritas; más aún, el curso

de Ambiente y Sustentabilidad es parte de la

Academia de Formación General Universitaria

que está implementada en todas las facultades de

la universidad en los estudios de nivel superior;

se espera continuar con el esfuerzo y lograr con

un poco de tiempo, el permear este y otros

proyectos en toda la universidad con la intención

de tener un mayor impacto en la formación de

profesionistas con la educación medioambiental

adecuada que los problemas de cambio climático

y calentamiento global exigen. Por lo pronto, ya

en el semestre en curso a la fecha, Agosto-

Diciembre 2016 ya está en implementación el

mencionado proyecto con un número mayor de

estudiantes que en el semestre anterior.

Grupo Estudiantes

034 8

002 40

005 38

017 44

026 42

031 42

032 47

034 45

037 44

033 4

033 36

Tabla 3 Distribución de Grupos y Estudiantes

Participantes del Proyecto.







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Conclusiones

Las energías renovables mostradas en el presente

proyecto son soluciones tecnológicas que se

encuentran en despliegue y utilización industrial

en este momento, la proliferación de dichas

tecnologías comienza por la buena educación,

formación de competencias y la divulgación de

sus beneficios lo que observamos como un

primer paso para su implementación a nivel

nacional. El presente análisis no se enfoca en los

costos de las implementaciones ni en la

observación de la normatividad para la

aplicación de energías renovables, sin embargo

es posible inferir que no habrá una

macroeconomía que perseguir ni ganancias o

utilidades en las compañías sin los beneficios del

medio ambiente que sustente la actividad

humana; más allá, el desarrollo y la

implementación de las actividades mencionadas

puede traer consigo desarrollo y crecimiento de

nuevas industrias y maneras de hacer negocios

prósperos que traigan satisfacción a las

generaciones actuales y futuras, particularmente

para los estudiantes de ingeniería, la formación

de estas competencias pone un particular énfasis

en el hecho de que estas actividades serán de

mucha utilidad en la industria futura. El

problema del calentamiento global tiene

solución, es el momento para que las

generaciones presentes actúen en el sentido

necesario para la solución del calentamiento

global; la evidencia muestra que somos, la raza

humana, en gran medida los causantes del

mismo.

Tenemos claro que se requiere de la

información proveniente de los estudios

científicos, de la voluntad de los gobiernos, de la

visión de los empresarios y emprendedores para

la completa y correcta implementación de las

tecnologías que servirán para dar el primer paso

hacia una sociedad desarrollada de manera

sustentable.

Agradecimientos

Reconocemos el apoyo de la empresa

ENSOLAR, quienes han proporcionado el apoyo

técnico y práctico para el entrenamiento de

armado de paneles solares.

Referencias

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the Climate Problem for the Next 50 Years with

Current Technologies Science, 305, 2004.

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Naciones Unidas sobre el Cambio Climático

1998https://unfccc.int/files/meetings/paris_nov_

2015/application/pdf/paris_agreement_english_.

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Experimentales 2016

ISSN-2410-3950


Aspectos Institucionales del Desarrollo

Sostenible en México

http://www.un.org/esa/agenda21/natlinfo/countr/

mexico/inst.htm

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http://www.inecc.gob.mx/lgcc

Ley de Transición Energética, Diario Oficial de

la Federación el 24 de Diciembre del 2015,

http://www.diputados.gob.mx/LeyesBiblio/pdf/L

TE.pdf

United Nations, Agenda 21, Earth Summit (UN

Conference on Environment and Development)

1992, Published 1993.

http://wind-energy-facts.com/wind-farm-facts/

http://valhallamovement.com/link/solar-farm-

approved-at-rejected-fracking-site/

16



Producción de biodiesel por cavitación hidrodinámica

LIZARDI, Arturo*†, LÓPEZ, Raymundo, TERRES, Hilario y RESENDIZ, Omar’. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalc

‘Universidad Autónoma Chapingo

Recibido Ocutbre 4, 2016; Aceptado Noviembre 3, 2016

Resumen

En este trabajo se presenta la construcción y

evaluación de un equipo para la obtención de

biodiesel a través del método de cavitación

hidrodinámica. Para ello se construyó un banco de

pruebas que consta de: una bomba centrífuga con

motor eléctrico de 1 HP y 2 HP (provisto de un

variador de voltaje), un reactor de acero inoxidable

SA 240-316 de 5.3 dm3, una placa de orificio con

barreno de 5 y 2.5 mm de diámetro, dos

manómetros de 0-30 psig, una válvula de globo de

25.4 mm diámetro y un termopar tipo K. Se

evaluaron tres tipos de aceite: canola, girasol y

soya; a los cuales se les agregó Alcohol Etílico

Absoluto (CH3OH) e Hidróxido de Sodio (NaOH)

como catalizador. El tiempo del proceso para la

obtención del biodiesel fue de 15 minutos. Las

pruebas de pH, densidad y viscosidad aplicadas al

biodiesel resultaron satisfactorias pues cumplieron

con las especificaciones de control de calidad y con

las normas europea EN-14214 y americana ASTM

D6751. Finalmente los resultados muestran que las

bombas centrífugas y las placas de orificio

empleadas presentan cualidades semejantes para

producir el biodiesel.

Biodiesel, cavitación hidrodinámica

Abstract

In this work the construction and evaluation of an

equipment for obtaining biodiesel through the

method of hydrodynamic cavitation is presented.

The built prototype is integrated by: a centrifugal

pump with an electric motor of 1 HP and 2 HP (fed

with a voltage regulator), a stainless steel reactor

SA 240-316 with a volume of 5.3 dm3, an orifice

plate with hole of 5 and 2.5 mm diameter, two

pressure gauges of 0-30 psig, a globe valve of 25.4

mm diameter and a thermocouple type K. Three

types of oil were evaluated: canola, sunflower and

soybeans. They were mixed with Absolute Ethyl

alcohol (CH3OH) and sodium hydroxide (NaOH) as

a catalyst. The process time for obtaining biodiesel

was 15 minutes. Testing pH, density and viscosity

of biodiesel were satisfactory and complied with the

quality control specifications and with European

(EN-14214) and American (ASTM D6751)

standards. Finally, the results show that the

centrifugal pump and orifice plates have similar

qualities to produce biodiesel.

Biodiesel, hydrodynamic cavitation

Citación: LIZARDI, Arturo, LÓPEZ, Raymundo, TERRES, Hilario y RESENDIZ, Omar. Producción de biodiesel

por cavitación hidrodinámica. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 16-23

*Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])



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ISSN-2410-3950


LIZARDI, Arturo, LÓPEZ, Raymundo, TERRES, Hilario y

RESENDIZ, Omar. Producción de biodiesel por cavitación

hidrodinámica. Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

Los hidrocarburos han sido pieza fundamental

en el desarrollo tecnológico del último siglo, la

capacidad energética de éstos desplazó

rápidamente el empleo de otras fuentes

(humanas, animales, provenientes del agua,

etc.). Recientemente, el agotamiento de los

combustibles fósiles y el aumento de la

conciencia ecológica han hecho que la gente

comience a buscar combustibles alternativos

hechos a partir de fuentes renovables [1, 2]. El

biodiesel es un ejemplo de ello, pues es un

combustible líquido no contaminante y

biodegradable, que se puede utilizar en el sector

del transporte urbano, minero, agrícola y

marino, así como en calderas de calefacción,

incorporándolo directamente o mezclándolo

con gasóleo. El biodiesel, en comparación al

diésel, disminuye las emisiones de óxidos de

azufre, de monóxido de carbono, y reduce los

problemas de calentamiento global, además, el

biodiesel no es tóxico.

El biodiesel se prepara usualmente por

transesterificación de triacilglicéridos con

metanol o etanol, ácidos grasos de ésteres

metílicos (FAMEs) y glicerol [3]. Las materias

primas del biodiesel son aceites alimenticios

vegetales incluyendo aceite de soja, aceite de

colza y aceite de palma [4]. En México la

producción de biodiesel ha comenzado de

manera discreta y quizá un poco tardía, es por

esto que se requiere investigar sobre las

cualidades de este combustible y el impacto que

puede tener no sólo en el aspecto ambiental,

sino también en el económico y social, ya que

el cultivo de especies oleaginosas en zonas

estratégicas pueden brindar una nueva

alternativa de ingreso a comunidades que

actualmente carecen de producción agrícola

importante.

Para eliminar la resistencia a la

transferencia de masa entre el reactivo miscible

del petróleo y el alcohol, acortando el período

del proceso y con menor consumo de energía,

se han propuesto varias tecnologías de

intensificación, por ejemplo, la condición

supercrítica, microondas, ultrasonido, la

cavitación hidrodinámica, giro de disco [5] y

tubulares [6]. Algunos de los inconvenientes

del método convencional se pueden superar con

la cavitación hidrodinámica. La cavitación

hidrodinámica es un proceso de cambio de fase

de líquido a vapor que ocurre siempre que la

presión local es menor que la presión de vapor.

Las burbujas de vapor que se forman se mueven

con el líquido hasta llegar a una región de alta

presión, donde colapsan en forma súbita. La

sobrepresión, consecuencia de este fenómeno,

se propaga en el seno del fluido provocando la

condensación de la burbuja siguiente y el

fenómeno se repite sucesivamente. La

cavitación hidrodinámica puede ser producida

haciendo pasar fluido a través de una

constricción, por ejemplo, una válvula de

estrangulamiento, una placa de orificio o un

Venturi [7]. Cuando la presión local cae por

debajo de la presión de vapor del líquido se

crean cavidades [8] de alta intensidad de

turbulencia a nivel micro, esto es muy eficaz

para eliminar la resistencia de transferencia de

masa durante la reacción [9]. La cavitación

hidrodinámica ha sido utilizada ampliamente en

el tratamiento de aguas residuales, pero sólo

unos pocos trabajos se han realizado desde

2006 en la producción de biodiesel. En la

literatura publicada hay un informe [10] que

trata de los efectos de los parámetros operativos

(relación molar y concentración del catalizador)

respecto al rendimiento de la conversión del

biodiesel, pero no incluye el tiempo, la

temperatura y la reacción en el proceso de

transesterificación.

18



ISSN-2410-3950





Además, incluso cuando se ensayaron

diferentes condiciones, no se informó sobre la

evaluación de la calidad del producto final. En

este trabajo se emplea una tecnología reciente

para la producción de biodiesel que es por

cavitación hidrodinámica. En el desarrollo del

mismo se pretende demostrar que es una

tecnología no muy complicada de llevar a cabo

y que arroja resultados satisfactorios. La

producción de biodiesel a partir del método de

cavitación hidrodinámica puede ser una

solución a corto plazo para que la producción y

el consumo de biodiesel sea una opción más de

energía renovable aplicada a algunos sectores

de la sociedad.

Descripción del equipo

Para producir biodiesel por el método de

cavitación hidrodinámica, se diseñó y construyó

un banco de pruebas que consta de los

siguientes elementos:

- Un reactor químico cilíndrico (R1), de

0.15 m de diámetro por 0.3 m de altura, con una

capacidad aproximada de 5.3 dm3, fabricado en

Acero Inoxidable SA 240-316.

- Una bomba centrífuga (P1), con un motor

eléctrico Baldor de corriente continua de 745.69

W [1 Hp] de potencia, que gira a 1750 rpm, con

voltaje de entrada dual 90 V.

- Una bomba centrífuga (P2), con un motor

eléctrico Baldor de corriente continua de

1491.38 W [2 Hp] de potencia, que gira a 1750

rpm, con voltaje de entrada dual 180V.

- Dos variadores de voltaje de corriente

directa Baldor (BC 140) con voltaje de entrada

dual (115V o 230V), 50/60 Hz.

- Dos manómetros digitales de 30 Psi

(206.840 kPa) con caja de acero inoxidable con

interior de bronce marca ETSA (Ma1 y Ma2). º

Los manómetros cuentan con un

mecanismo tipo rotativo en bronce, conexión

inferior de 1/4" en latón con ventana de cristal

estándar.

- Tubo de PVC de 25.4 mm [1"] de

diámetro. Tiene la función de conectar la

bomba centrífuga con el reactor. Mediante esa

conexión se pone en circulación el fluido.

- Una válvula de globo de 25.4 mm [1"] de

diámetro (VC). Tiene como función regular el

paso del fluido o si es necesario también se

puede variar su velocidad.

- Un poliducto flexible de 25.4 mm [1"] de

diámetro. Éste cumple la función de conectar el

reactor con la bomba centrífuga para poder

cerrar el circuito del sistema y así poder circular

el fluido.

- Dos placas de orificio con un diámetro en

el barreno interior de 5 y 2.5 mm (OC). Tienen

como objetivo aumentar la velocidad del fluido

por medio de la reducción del diámetro.

- Un termopar tipo K (Chromel/Alumel)

con un rango de temperatura de -200 ºC a

+1,372 ºC con una sensibilidad 41µV/°C.

- Como materia prima se preparó: 12 litros

de aceite de Canola, 12 litros de aceite de

Girasol, 12 litros de aceite de Soya, 3 litros de

Alcohol Etílico Absoluto, 100 gramos de

Hidróxido de Sodio.

19



ISSN-2410-3950





El banco de pruebas se ensambla como se

indica en el diagrama de la Figura 1. Una vez

ensamblado el equipo, se procedieron a efectuar

varias pruebas preliminares al hacer circular

agua en el dispositivo, lo anterior con el fin de

detectar alguna falla o fuga en el sistema. Se

vertieron 5 litros de agua en el reactor de acero

inoxidable y se colocó el termopar tipo K para

medir la temperatura inicial y final del agua

después de transcurrido el proceso. Al trabajar

el equipo durante 20 minutos con la bomba de 1

HP y la placa de orificio con el barreno de 5

mm, se obtuvieron las presiones P1 de 62.01

kPa y P2 de 82.68 kPa, y se observó un aumento

de temperatura de 16 a 25 °C. Al trabajar con la

bomba de 2 HP, con el mismo tiempo y placa

de orificio del caso anterior, las presiones

obtenidas fueron P1 de 77.86 kPa y P2 de 98.53

kPa, y un incremento de temperatura 18 °C a

25°C. Cabe mencionar que la presión P1

corresponde al manómetro colocado la salida de

la bomba, la presión P2 corresponde al

manómetro colocado antes de la placa de

orificio y la presión después de la placa de

orificio es la atmosférica Patm.

Figura 1 Diagrama de ensamble del dispositivo de

pruebas

Figura 2 Símbolos gráficos de la Norma ISO 1219-1e

ISO 1219-2

Desarrollo Experimental

La metodología empleada para realizar la

experimentación fue la siguiente:

- Se introduce al reactor 1 litro de aceite de

canola, 0.2 litros de Alcohol Etílico Absoluto

(CH3OH) y 3.55 gramos de Hidróxido de Sodio

(NaOH). La mezcla de Alcohol Etílico

Absoluto y el Hidróxido de Sodio, con las

proporciones recomendadas, forman el

metóxido de sodio.

- Se coloca en el equipo la placa de orificio

de 5 mm de diámetro y la bomba centrífuga de

1 HP. Se acciona la bomba y se hace circular la

mezcla de aceite vegetal y metóxido de sodio

durante 15 minutos.

- Se toma la lectura de la temperatura de la

mezcla, al inicio y al final de la prueba

- Se toma la lectura de los manómetros

durante el proceso de circulación de la mezcla.

20



ISSN-2410-3950





- Se saca el producto obtenido y se deja

reposar durante un periodo de 8 horas en un

dispositivo de decantación para retirar la fase

sedimentada (Glicerol).

- Una vez obtenido el biodiesel se procede

a su lavado para eliminar cualquier resto de

Glicerina, Hidróxido de Sodio y algunas otras

impurezas.

El método de lavado de biodiesel, para

llevarlo a una calidad óptima y usarlo como

combustible, consiste en separar los residuos

sólidos del combustible, lavándolo con agua

varias veces, según se requiera. En este paso

también se ajusta el pH del biodiesel, que según

las especificaciones de control de calidad, debe

estar entre 6 y 8 [11]. El procedimiento

utilizado fue:

- Se añade, en un matraz de decantación,

un litro de mezcla del proceso anterior, 0.5

litros de agua y 25 mililitros de ácido acético

(CH3COOH). Con el ácido acético se consigue

que el pH del biodiesel se vaya neutralizando.

- Se agita la mezcla durante 5 minutos y se

deja reposar durante 6 horas. El biodiesel

limpio queda en la parte superior y el agua con

las impurezas disueltas se extrae con la válvula

del fondo del recipiente.

- Se repite este proceso dos o tres veces

para retirar todas las impurezas. El agua debe

quedar completamente transparente para saber

que el biodiesel está limpio. El segundo y tercer

lavado pueden hacerse sólo con agua.

Una vez obtenido el biodiesel del proceso

anterior, se mide su pH y se ajusta hasta el valor

de 7, agregando pequeñas proporciones de

ácido acético de manera directa. El biodiesel

logrado contiene cierto grado de humedad

debido al lavado, así que se calienta hasta 115

ºC por 15 minutos, en agitación constante, para

eliminar el resto de agua y alcohol etílico.

Ajustado el pH del biodiesel y sin

humedad, se determina la viscosidad y la

densidad del mismo.

Resultados y Discusión

El equipo construido presentó resultados

semejantes en la producción biodiesel al

cambiar la potencia de la bomba centrífuga o la

placa de orificio. En las Tablas 1 y 2 se

muestran los valores de presión y temperatura

de las pruebas, para las dos bombas (1 y 2 HP)

y para las placas de orificio, con barrenos de 5 y

2.5 mm. Cabe mencionar que el tiempo de la

prueba se mantuvo constante en 15 minutos y

que la presión atmosférica fue de 0.744 kPa.

Bomba Aceite Litros P1

[kPa]

P2

[kPa]

Tinicial

[°C]

Tfinal

[°C]

pH

final

1 HP Canola 3 34.45 62.01 20 76 6.68

Girasol 3 33.07 62.01 21 73 6.69

Soya 3 58.56 84.75 21 75 6.70

2 HP Canola 3 34.05 62.01 20 77 6.69

Girasol 3 33.07 62.01 20 74 6.77

Soya 3 58.56 84.75 21 75 6.73

Tabla1 Valores de parámetros para placa de orificio de

2.5 mm de diámetro

Bomba Aceite Litros P1

[kPa]

P2

[kPa]

Tinicial

[°C]

Tfinal

[°C]

pH

final

1 HP Canola 3 94.39 124.02 20 89 7.00

Girasol 3 89.57 120.57 21 91 7.20

Soya 3 118.75 146.34 21 90 6.89

2 HP Canola 3 103.35 127.46 20 88 7.16

Girasol 3 103.00 126.95 21 90 6.93

Soya 3 122.41 149.18 21 89 7.11

Tabla 2 Valores de parámetros para placa de orificio de 5

mm de diámetro

Una vez obtenido el biodiesel se sometió a

pruebas de lavado y se ajustó el pH de acuerdo

con las especificaciones de control de calidad

de Biodisel [11]. Esta indica que para garantizar

la calidad del biocombustible y ser considerado

como aceptable y de buena calidad, su pH no

debe ser menor de 6 ni mayor a 8.

21



ISSN-2410-3950





Los valores de pH después de ajustados, de

acuerdo al procedimiento experimental descrito

anteriormente, se muestran en las Tablas 1 y 2.

Posteriormente se procedió a eliminar la

humedad y los excedentes de alcohol etílico del

biodiesel. Para ello se calentó el biodiesel con

agitación contante por 15 minutos. Conforme el

biodiesel fue aumentando su temperatura se

empezó a eliminar el agua y fue cambiando su

apariencia. En la Fig. 3 se muestra el proceso de

calentamiento.

Figura 3 Cambio de aspecto del biodiesel debido al

calentamiento

Para obtener la densidad del biodiesel se

empleó la norma europea EN-14214 y la

norteamericana ASTM D6751. En ellas se

indican los procedimientos para medirla y se

señala que la densidad del biodiesel debe estar

en un rango de 0.860 g/cm3 y 0.900 g/cm3. Por

lo anterior, las muestras de biodiesel se

sometieron a pruebas de densidad, en donde se

vertieron 600 ml de cada muestra en una

probeta graduada de 100 ml. El biodiesel se

llevó a una temperatura de 15 ºC, colocando las

muestras dentro de un refrigerador hasta

alcanzar la temperatura indicada. Se eligió un

densímetro de vidrio con una graduación de

0.800-0.900 g/ml con un error de medida de

0.001 g/ml. Se hicieron tres mediciones por

cada muestra, los resultados se muestran en la

Tabla 3.

Canola Girasol Soya

Bomba y placa

de orificio

Densidad promedio

[g/cm3]

1 HP

5 mm

0.895 0.892 0.886

2 HP

5 mm

0.890 0.900 0.883

1 HP

2.5 mm

0.891 0.888 0.884

2 HP

2.5 mm

0.890 0.890 0.888

Promedio por

aceite

0.892 0.893 0.885

Desviación

estándar

0.0021 0.0045 0.0019

Tabla 3 Densidad del biodiesel

Los resultados obtenidos en la densidad de

cada muestra de biodiesel se encuentran en el

rango de los valores mínimos de 0.860 g/cm3 y

máximos de 0.900 g/cm3 que la norma europea

EN-14214 y norteamericana ASTM D6751

especifican. Esto indica que cada prueba de

biodiesel cumple con el requerimiento de las

normas.

Para obtener la viscosidad del biodiesel se

empleó la norma europea EN-14214 y la

norteamericana ASTM D6751. En ellas se

indican los procedimientos para medirla y se

señala que la viscosidad del biodiesel debe estar

en un rango de 3.5 a 5.0 cST para la norma

europea y 1.9 a 6.0 cST para la americana. La

viscosidad es una propiedad muy importante en

los fluidos, es la resistencia que ejercen los

fluidos a ser deformados cuando se le aplica

una fuerza cortante. La viscosidad cinemática

del biodiesel fue medida con un viscosímetro

Saybolt, empleando el siguiente procedimiento:

1) Con ayuda de una probeta graduada se

midieron 60 ml de cada muestra de biodiesel.

2) La temperatura del biodiesel se manejó a

40 ºC, que es la requerida por las normas.

22



ISSN-2410-3950





3) Se introduce la muestra de biodiesel en uno

de los cilindros contenedores, el cual consiste

de un recipiente cilíndrico de bronce en cuyo

fondo hay un orificio de dimensiones

específicas (de 1/8 o 1/16”).

4) El fluido se deja escurrir a través del

orificio y se mide el tiempo. Para las sustancias

poco viscosas se usa el orificio de 1/16” y el

tiempo medido es denominado Segundos

Saybolt Universal (SSU). Para los fluidos más

viscosos se utiliza el orificio de 1/8” y el

tiempo cuantificado es llamado Segundos

Saybolt Furol (SSF).

La unidad de medida es el tiempo en

segundos requeridos para que 60 ml de

biodiesel a una temperatura de 40 °C fluyan por

un orificio. Las ecuaciones que relacionan la

viscosidad cinemática (𝑣) y los segundos

Saybolt (t), según el equipo empleado, son:

Tiempo θ [s] 𝑣 [cStokes]

Saybolt

universal

32<θ<100

θ>100

(0.00226 θ2-1.92)/θ

(0.00220 θ2-1.35)/θ

Saybolt

furol

32<θ<100

θ>100

(0.02240 θ2-1.84)/θ

(0.02160 θ2-0.60)/θ

Tabla 4 Ecuaciones para la viscosidad

En la tabla 5 se presentan los resultados de

las mediciones de la viscosidad cinemática de

las muestras, se hicieron tres mediciones por

cada muestra.

Canola Girasol Soya

Bomba y

placa de

orificio

Viscosidad promedio

[cStokes]

1 HP

5 mm

4.64 4.42 4.38

2 HP

5 mm

4.33 4.29 4.22

1 HP

2.5 mm

4.39 3.95 4.40

2 HP

2.5 mm

4.36 4.23 4.29

Promedio

por aceite

4.43 4.22 4.32

Desviación

estándar

0.123 0.172 0.072

Tabla 5 Viscosidad cinemática del biodiesel

Los resultados de la viscosidad cinemática

obtenidos en cada muestra de biodiesel

cumplen con los estándares de las normas EN-

14214 y ASTM D6751. Finalmente, se puede

decir que las pruebas realizadas de pH,

densidad y viscosidad cumplen con el control

de calidad y con las normas EN-14214 y ASTM

D6751. En general, los resultados obtenidos por

cada prueba son de buena calidad, ya que los

parámetros marcados por las normas en ningún

resultado salen de lo requerido. Lo anterior

muestra que se puede emplear la bomba de 1 o

2 HP o la placa de orificio de 5 o 2.5 mm

diámtero, ya que los resultados del producto

fueron muy perecidos. Sin embargo, para

propósitos de ahorro de energía el sistema que

trabajaría mejor es el de la bomba de 1 HP

junto con la placa de orificio de 2.5 mm de

diámetro.

Conclusiones

Se ha construido y evaluado un prototipo para

la producción de biodiesel por el método de

cavitación hidrodinámica. Se emplearon tres

tipos de aceite (canola, girasol y soya) que junto

con el metóxido de sodio se hicieron circular en

el equipo por un tiempo de 15 minutos.

23



ISSN-2410-3950





Para las pruebas se emplearon dos

bombas de diferente capacidad (1 y 2 HP) y dos

placas de orificio (5 y 2.5 mm de diámetro) con

el objeto de ver el efecto que tienen sobre la

producción del biodiesel. Del producto

obtenido en cada prueba se obtuvieron algunas

propiedades termofísicas (pH, densidad y

viscosidad), para verificar que cumpliera la

especificación de control de calidad y con las

normas europeas EN-14214 y americanas

ASTM D6751. Los resultados indicaron que

para todas las muestras los valores de pH,

densidad y viscosidad cumplieron con la

normatividad, por lo que el uso de cualquiera de

las bombas o de las placas de orificio generarón

resultados satisfactorios. Finalmente, se puede

decir que el biodiesel obtenido puede ser

empleado en motores estacionarios y vehículos

diesel con las proporciones marcadas en la

normatividad.

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high acid value by magnetic Na2SiO3Fe3O4/C

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síntesis de ésteres metílicos de materia prima

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[11] A. Méndez Vilas, (2015) Materials and

Technologies for Energy Efficiency, Brown

Walker Press, 1, pp 34-36.

24



Producción de lípidos a partir de Chlorella protothecoides mantenida con CO2

proveniente de la fermetanción alcoholica

HERNÁNDEZ-ROJO, Abigail*†, HERNÁNDEZ-REYES, Mara, JIMÉNEZ-ISLS, Donaji y

VENEGAS-SÁNCHEZ, Josué.


___________________________________________________________________________________ Resumen

Las microalgas son microorganismos con altas tasas de

crecimiento y no son utilizadas para consumo humano.

Por lo tanto, el uso de cultivos de microalgas no compite

con los costos relacionados a los insumos alimenticios y

pueden ser empleadas para la producción de

biocombustibles. En el presente trabajo, el crecimiento de

la especie Chlorella protothecoides cultivada de manera

autótrofa, usando como fuente de Carbono el CO2

producido de la fermentación alcohólica en adición con el

CO2 presente en el ambiente fue evaluada. Las

microalgas se cultivaron en contenedores con volúmenes

de 4 000 ml, con aireación constante, fotoperiodo 12:12

con 2500 luxes, temperatura ambiente y pH de 7.5. Se

comparó el crecimiento de la biomasa de la cepa por el

método de conteo en cámara de Neubauer y peso seco.

El Nitrógeno (N) Se inhibió del medio de cultivo, para

evaluar el efecto del nutriente resultando en ambos casos

que la biomasa en los cultivos no limitados de nitrógeno

tuvieron un mayor índice de crecimiento. La biomasa en

los cultivos que contenían nitrógeno tuvieron un mayor

índice de crecimiento, para el cultivo con y sin adición de

CO2 a partir de la fermentación alcohólica fueron

25.83x10^6 cel. /mL y 90.0x10^6 cel. /mL

respectivamente. La composición de ácidos grasos se

determinó por cromatografía de gases, dando como

resultado que la concentración de ácido palmítico tiene

una mayor concentración de los casos estudiados

Microalgas, fotoperiodo, cromatografía de gases

Abstract

Microalgae are microorganism with high growing rates

and they are not use for human consume. Therefore, the

use of microalgae does not compete with the costs related

to food supplies and can be used for the production of

biofuels. In this paper, the rate of growing of microalgae

Chlorella protothecoides cultured in autotrophic medium

using as carbon source CO2 from an alcoholic

fermentation and CO2 from the atmosphere was

evaluated Microalgae were grown in containers with

volumes of 4000 ml, with constant aeration, photoperiod

12:12, and light intensity of 2500 lux, room temperature

and pH of 7.5. The biomass growth was evaluated by the

method of counting in Neubauer chamber and dry

weight. Nitrogen (N) was inhibited culture medium to

evaluate the effect of the nutrient, resulting in both cases,

in that biomass crops without nitrogen inhibition had a

higher growth rate. Biomass cultures containing nitrogen

had a higher growth rate for cultivation with and without

addition of CO2 from alcoholic fermentation were

25.83x10 ^ 6. Cel / ML and 90.0x10 ^ 6 cells / mL

respectively. The fatty acid composition was determined

by gas chromatography, resulting that palmitic acid

concentration has a higher concentration for the studied

cases.

Microalgae, photoperiod, gas chromatography

Citación: HERNÁNDEZ-ROJO, Abigail, HERNÁNDEZ-REYES, Mara, JIMÉNEZ-ISLS, Donaji y VENEGAS-

SÁNCHEZ, Josué. Producción de lípidos a partir de Chlorella protothecoides mantenida con CO2 proveniente de la

fermetanción alcoholica. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 24-28

*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])



25




Donaji y VENEGAS-SÁNCHEZ, Josué. Producción de lípidos a partir de

Chlorella protothecoides mantenida con CO2 proveniente de la fermetanción

alcoholica. Revista de Sistemas Experimentales 2016

ISSN-2410-3950


Introducción

La baja en los precios de los combustibles

fósiles ha reducido considerablemente la

economía del país, además debido a las

grandes emisiones de contaminantes que

producen estos han deteriorado

considerablemente el medio ambiente.

Derivado de ello ha crecido el interés por el

estudio de nuevas fuentes de energía, la

biomasa es una alternativa viable en la

producción de biocombustibles tanto solidos

como líquidos. En los últimos años han surgido

investigaciones para la obtención de los

mismos, particularmente biodiesel a través de

microalgas, ya que son una opción viable para

la obtención de lípidos transesterificables, por

la cantidad de lípidos similares comparados con

granos de algunos cultivos energéticos [1]. El

contenido promedio de lípidos en microalgas

varía entre 20 y 40 % del peso celular seco (PS)

[2].

Cuando un cultivo se pueden extraer

porciones considerables de lípidos además de

un aumento en el crecimiento celular

considerable [3]. El proceso del crecimiento de

la biomasa microalgal requiere luz, CO2, agua y

nutrientes inorgánicos, estos pueden ser

nitratos, fosfatos, hierro y algunos elementos

traza [4, 5,6]. Además es importante mencionar

que se deben de tomar en cuenta condiciones de

temperatura, iluminación, pH.

El presente trabajo tuvo como objetivo

comparar los parámetros cinéticos de

crecimiento, así como la recuperación de

biomasa (peso seco) y el contenido de lípidos

totales en la cepa Chlorella protothecoides, la

cual creció de manera autótrofa mantenida con

el CO2 proveniente de una fermentación

alcohólica y el CO2 presente en el ambiente.

Metodología a desarrollar

La cepa se adquirió del CINVESTAV en placa

de agar, la adaptación de la cepa se llevó en

medio Basald Bold (ver tabla 1). Los

experimentos se llevaron a cabo en

contenedores 4000 mL, a los cuales se les

burbujeo de manera continua CO2 del medio

ambiente. Para estudiar el efecto de la adición

de CO2 se añadió a la corriente el CO2

producto de una fermentación alcohólica. Así

mismo, se limitó la presencia de Nitrógeno,

analizando el efecto de nitrógeno presente en el

medio cultivo BB modificado. Las microalgas

se mantuvieron a temperatura ambiente, en

fotoperiodo 12:12 a 2500 luxes medidos con un

luxómetro (MAVOLUX 5032B USB) y pH de

7.5.

Reactivo Stock Cantidad

NaNO3 10g/400ml

H2O

30ml/L

CaCl2-2 H2O 1g/400ml

H2O

10ml/L

MgSO4 -7 H2O 3g/400ml

H2O

10ml/L

K2HPO4 3g/400ml

H2O

10ml/L

KH2PO4 7g/400ml

H2O

10ml/L

NaCl 1g/400ml

H2O

10ml/L

P-IV l

Solución de

Metales

ver tabla 2 40 ml/L

Solución

Soliwater

ver tabla 3 6 ml/L

Tabla 1 Medio de cultivo Basald Bold

26







ISSN-2410-3950


Tabla 2 P-IV Solución de Metales

Reactivo Stock

CaCO3 1mg/200ml H2O

Tabla 3 Solución Soliwater

Se obtuvo la cinética de crecimiento por

conteo en cámara de Neubauer (.1mm Tiefe

Depth Profondeup). Las mediciones se

realizaron cada 48 horas por triplicado.

La biomasa microalga (peso seco) se

obtuvo a través de centrifugación a 4000 rpm.,

durante 10 min. (Centrifugadora UNICO

C8704x) separando el supernatante de las

microalgas

La extracción de lípidos, se llevó a cabo

la extracción por el método Bligh & Dyer [7]. El

cual consiste en adicionar una mezcla de

solventes cloroformo: metanol (1:2). Las

muestras se incubaron por 24h en refrigeración

y protegidas de la luz (favoreciendo la

extracción de ácidos grasos).

Subsiguientemente se centrifugaron

continuamente a 4000 rpm en intervalos de

tiempo de 10-20 min., agregando cloroformo:

metanol, agua y cloroformo respectivamente.

Finalmente se separó la fase orgánica lipídica

en un tubo previamente pesado, llevando el

proceso de secado con gas de Nitrógeno.

La evaluación de la composición de ácidos

grasos se realizó por Cromatografía de Gases

con Detector de Ionización de Flama, previa

derivatización como Metil Esteres

[CINVESTAV. Cd. De México].

Resultados

Los resultados obtenidos en los experimentos

con la adición de ambos elementos (CO2 y N),

el crecimiento es mayor. Al limitar la presencia

de Nitrógeno en el medio, la ruta metabólica del

microorganismo es modificada, causando una

disminución en el crecimiento celular, pero

aumentando la producción de lípidos [3].

En el gráfico 1 se observa mayor

crecimiento en los experimentos en los días 8-

10 llegando a su fase exponencial, en particular

el experimento con medio BB, con adición de

CO2 proveniente de la fermentación presento

90.0x10^6 cel. /mL, mientras que el medio BB

con adición de CO2 del medio ambiente solo

presenta 25.83x10^6 cel. /mL, esto se debe que

a concentraciones más altas de CO2 permite que

el proceso de reproducción sea mayor. Por otro

lado en los medios limitados presento un mayor

crecimiento al que se le suministro CO2 de una

fermentación el cual indico 32.167x10^6 cel.

/mL mientras que solo con el CO2 presente en

el ambiente mostro 20.37 x10^6 cel. /mL. Estos resultados son consistentes con los

obtenidos por Fan et al. [3], donde un cambio

en las condiciones del cultivo trae consigo

cambios en las fases de adaptación y

crecimiento exponencial.

Reactivo Stock

Na2EDTA-2 H2O 0.75 g/L H2O

FeCl3-6 H2O 0.097 g/L H2O

MnCl2-4 H2O 0.041 g/L H2O

ZnCl2 0.005 g/L H2O

CoCl2-6 H2O 0.002 g/L H2O

Na2MoO4-2H2O 0.004 g/L H2O

27







ISSN-2410-3950


0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Co

nce

ntr

ació

n

(c

el/

mL

∧6

)

Tiempo (dias)

Gráfico 1 Crecimiento celular de la microalga Chlorella

protothecoides en medio BB y medio BB limitado. ◊

Con adición de CO2 y N, □ Sin adición de CO2 y con

N, ∆ Sin adición de CO2 y sin N, ᵡ Con adición de CO2

y sin N.

En el gráfico 2 se aprecia la

concentración de peso seco mostrando

resultados favorables en el medio de cultivo

BB, que contiene CO2 del ambiente, a razón de

que al mantener la cepa en condiciones de

cultivo normales su adaptación es más rápida,

por lo tanto refleja mayor índice de peso seco.

0

4

8

12

16

20

24

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Pe

so s

eco

mg

/L

Tiempo (dias)

Gráfico 2 Peso de la microalga Chlorella protothecoides

en medio BB y medio BB limitado. ◊ Con adición de

CO2 y N, □ Sin adición de CO2 y con N, ∆ Sin adición

de CO2 y sin N, ᵡ Con adición de CO2 y sin N.

En la tabla 4 se muestra la composición

de ácidos grasos de extractos de microalgas, en

las cuales se puede observar que al adicionar

CO2 del medio ambiente en combinación

con el CO2 de la fermentación alcohólica

proveniente del ambiente muestran porcentajes

mayores de ácido palmítico y oleico siendo

ácidos grasos de saturación mejorando las

propiedades del biocombustible (poder

calorífico, estabilidad oxidativa) [4].

Agradecimiento

Se agradece al CONACYT por el proyecto

otorgado “Proyecto de fomento a las

vacaciones Científicas y tecnología en niños y

jóvenes mexicanos”, con código C-

291045.33/2016

Conclusiones

Cuando se regula tanto la cantidad de Carbono

como de nitrógeno se está cambiando la ruta

metabólica de la cepa aumentando la

producción de biomasa comparada con los

medios en condiciones estándar. Los

experimentos llegaron a su fase exponencial

entre los días 8-10 teniendo un mayor

incremento celular, el experimento que refleja

un mejor resultado el cual en condiciones de

adición de CO2 de la fermentación alcohólica

en medio BB, sin embargo cuando se alteran

algunas condiciones la ruta metabólica de la

microalga cambia, viendo esto reflejado el

experimento con presencia de CO2 captado del

medio ambiente en medio BB posee una

mayor concentración de peso seco a razón que

el microorganismo no fue privado de ninguna

condición entonces el proceso de adaptación es

más acelerado.

28







ISSN-2410-3950


Composición de ácidos grasos

Muestra CO2 de la

fermentación

en medio BB

90.1mg

CO2 del

ambiente en

medio BB

68.5 mg

Ácidos Grasos % %

Laurico 0.22 ------

Tidecanoico 0.21 ------

Miristoleico 0.45 1.26

Palmítico 7.95 6.65

Cis-10-

Heptadecanoico 0.88 ------

Esteárico 3.6 2.63

Oleico 10.83 10.07

Linoleico 25.15 6.66

α-Linolenico 12.83 6.47

Cis-11,14-

Eicosadienoico ----- 23.12

Behenico 1.05 -----

Tabla 4 Composición de ácidos grasos de Chlorella

protothecoides

Referencias

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Partir de Microalgas. BioTecnología, .13 (3):

(2009).

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Chlorella vulgaris UTEX 1803 on labscale

photobioreactors. rev.ion, 25(2):39-47, (2012)

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microalgae—A review of technologies for

production, processing, and extractions of

biofuels and coproducts”. Renewable and

Sustainable Energy Reviews, 14(2), 557-577,

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[5]. Angel D. González 1, Dr. Viatcheslav K.,

Dr. Guzmán A. Of methods of extraction of oil

in the production line of biodiesel from

microalgae. Prospect. 7 (2): 53-60 (2009)

[6]. Plata V., Dr. Kafarov V, Dr. Moreno N.

Development of a methodology of

transesterification of oil in the production line

of biodiesel from microalgae. Prospect. 7 (2):

35-41 (2009)

[7]. Aguilar C., Chang I., Tenorio L., Ynga G.

Determinación de la biomasa microalgal

potencialmente acumuladora de lípidos para la

obtención de combustible.FINCyT – PIBAP

(2007)

29



Diseño de un sistema de secado con aprovechamiento de calor en la producción de

tejas, utilizando lógica difusa apoyada con LabVIEW

MADUJANO-VENEGAS, Claudia*†, VELÁZQUEZ-TRUJILLO, Sabino, ESCOBAR-GÓMEZ, Elías

y RIOS-ROJAS, Carlos.

Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, Carr. Panamericana Km.1080, Terán, 29050 Tuxtla Gutiérrez, Chis., México


___________________________________________________________________________________ Resumen

En algunas industrias alfareras, que utilizan métodos

tradicionales, se observan problemas relacionados con el

entorno y las características de la materia prima; siendo uno de

los principales problemas el excesivo tiempo de producción

debido a un deficiente control del proceso de secado. Se ha

observado que los cambios climatológicos (variación de la

temperatura y la precipitación pluvial), los desgastes de los

moldes de la extrusora y la asignación de tareas afectan el

proceso de secado, incrementando el tiempo de producción y en

consecuencia las pérdidas. En este artículo se presenta el diseño

de un sistema de secado con aprovechamiento del calor en la

producción de tejas, con un control difuso; obteniéndose un

sistema automatizado capaz de controlar el secado de las tejas

que actualmente es difícil de tratar. El método propuesto consta

de tres etapas importantes: determinar los parámetros que

afectan al método tradicional (temperatura del horno, el tiempo

del proceso, temperatura del entorno); diseñar un control difuso

considerando los parámetros determinados y calcular la

cantidad de calor máxima generada por el horno de cocción

(incluyendo la perdida de calor a través de los ductos);

determinar el comportamiento del sistema de secado propuesto.

Como resultado se logró reducir al menos un 50% del tiempo

de secado con respecto al método tradicionalmente empleado.

Aprovechamiento de Calor, Transferencia de Calor,

Alfarería, Lógica Difusa

Abstract

In some pottery industries, using traditional methods, problems

related to the environment and the characteristics of the raw

material are observed; It is one of the main problems excessive

production time due to poor control of the drying process. It has

been observed that climatological changes (variation in

temperature and rainfall), the wear of the molds from the

extruder and assignments affect the drying process, increasing

production time and consequently losses. This article presents

the design of a drying system with waste heat in the production

of tiles, with a fuzzy control; obtaining an automated system

capable of controlling the drying of the tiles it is currently

difficult to treat. The proposed method consists of three major

stages: determining the parameters affecting the traditional

method (oven temperature, process time, temperature

environment); design a fuzzy control considering certain

parameters and calculate the maximum amount of heat

generated by the oven cooking (including heat loss through

pipelines); determine the behavior of the proposed drying

system. As a result it was possible to reduce at least 50% of the

drying time compared to traditionally used method.

Harnessing Heat, Heat Transfer, Potteries, Fuzzy Logic

Citación: MADUJANO-VENEGAS, Claudia, VELÁZQUEZ-TRUJILLO, Sabino, ESCOBAR-GÓMEZ, Elías y RIOS-

ROJAS, Carlos. Diseño de un sistema de secado con aprovechamiento de calor en la producción de tejas, utilizando lógica

difusa apoyada con LabVIEW. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 29-36




30



ISSN-2410-3950

ECORFAN® Todos los derechos reservados MADUJANO-VENEGAS, Claudia, VELÁZQUEZ-TRUJILLO, Sabino,

ESCOBAR-GÓMEZ, Elías y RIOS-ROJAS, Carlos. Diseño de un sistema de

secado con aprovechamiento de calor en la producción de tejas, utilizando lógica

difusa apoyada con LabVIEW. Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

A través de la historia se ha visto la importancia

adquirida del ladrillo y las tejas como un

material indispensable en la construcción

(Afanador García & J., 2013), la materia prima

en la elaboración de las piezas de mampostería

es la arcilla, como un material plástico natural

en presencia de agua que permite moldearse

para luego adquirir una dureza que aumenta

considerablemente después de la cocción;

existen diferentes tipos de arcillas y sus

características de superficie específica,

plasticidad, tixotropía y capacidad de absorción

dependen del tamaño o la estructura de sus

componentes.

La arcilla en su fase de preparación

requiere de las etapas: trituración, amasado,

moldeo, secado y cocción; la etapa crítica es el

secado, debido a que se elimina el 75%

porciento de humedad incorporada, para llevar

a cabo la cocción con resultados satisfactorios.

(Martínez López & Lira Cortés, 2016)

Estudia el secado de ladrillos de forma

experimental, por no existir un modelo

universal de secado, aplicando el modelo de

Luikov, derivado de la termodinámica de

procesos irreversibles para alcanzar los perfiles

de humedad en el secado de muestras de

ladrillo a diferentes temperaturas, donde se

realizó una evaluación de los factores de

influencia que afectan al perfil obtenido.

Validando el modelo experimentalmente con

muestras de ladrillo, secados a temperaturas de

60°C y 80°C; comparando resultados teóricos y

experimentales que conincidan en la región del

secado, es útil en la determinación del

contenido de humedad.

Los cambios evolutivos de los sistemas

de control se dividen en tres etapas: el sistema

de control on/off (encendido/apagado), el

control PID y el control inteligente. El más

utilizado actualmente es el Control Lógico

Difuso, que se basa en la lógica difusa para

desarrollar estrategias de control lingüística a

partir del conocimiento experto (Elnour A/Alla

Mohammed, 2013).

Para el proceso de secado de las tejas se utilizan

métodos automatizados y/o convencionales; los

primeros son manipulados mayormente por la

industria alfarera con gran disponibilidad de

recursos económicos; el segundo es el utilizado

tradicionalmente en las localidades donde existe

la materia prima.

(Stojanovski & Stankovski, 2011) proponen un

sistema de control difuso simulado en

MATLAB Simulink de un modelo de fábrica

para la producción de ladrillos de arcilla "KIK"

en Kumanovo, logrando una automatización

adecuada e inteligente que ahorra energía y

costos.

Metodología desarrollada

En la figura 1 se presenta la metodología a

seguir, dividiéndose en 5 fases; explicadas a

continuación con los resultados obtenidos.

31



ISSN-2410-3950





Figura 1 Metodología del diseño de un sistema de

secado con aprovechamiento de calor

Fase 1. Diagnóstico de las condiciones

iniciales

Esta fase se desarrollo mediante visitas

frecuentes a la planta, identificando al clima y

el tiempo de secado como factores que

interrumpen el proceso de producción.

Las mediciones desarrolladas en la planta

permiten identificar la ubicación de cada

proceso delimitando el área del sistema de

secado a diseñar identificado en la figura 2.

Considerando dos secciones (zona sombreada A

y B), cada sección cuenta con un horno de

cocción, por ejemplo; la zona A con el horno

este (Hest) y la zona B con el horno oeste (Hoest)

y las mediciones son 40m de longitud y 10m de

ancho; debido al proceso de producción y uso

no simultaneo de los hornos, para trabajar con

un sistema de secado de la distribución del área

seleccionada en indistinta utilizar cualquiera de

las dos.

Figura 1. Diagrama del área del sistema de secado

Fase 2 Diseño del sistema

En esta fase se consideran dos etapas

como se aprecia en la figura 1.

Etapa 1. Sistema de secado

Aplicando la ecuación 𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇 de la

conservación de la energía para el flujo de un

fluido, siendo 𝑄 = la trasferencia de energía al

sistema (J), 𝑚 = Masa del aire (Kg), 𝐶𝑝 =

Calor especifico del aire (J/Kg*°C), ∆𝑇 =

Diferencial de temperatura (°C) y apoyado de la

transferencia de calor se lleva a cabo el análisis

termodinámico que permite realizar el cálculo

correspondiente para la determinación del

tamaño de los ductos mediante el método de

caída de presión constante --método de igual

fricción--.

Apoyado con el software EES

(Engineering Equation Solver), se obtenienen

las dimensiones de los tramos en forma de

reducción de los ductos del sistema de secado,

que permiten la uniformidad del calor

incorporado del horno de cocción al sistema de

secado como se observa en la tabla 1.

32



ISSN-2410-3950





Tramo W1 (metros) H2 (metros)

a-c 1.213 0.2022

c-e 1.158 0.193

e-g 1.103 0.1838

g-i 0.9925 0.1654

i-k 0.8822 0.147

k-m 0.7719 0.1287

m-ñ 0.6065 0.1011 Tabla 5 Determinación de las dimensiones de los ductos

del sistema de secado

Al realizar el análisis termodinámico se

identifica el calor máximo generado

(168.616KJ) por el horno de cocción, que

permite elegir los accesorios; el ventilador

centrífugo modelo CLT18 con una capacidad

de 11529 m3/hr a velocidad de 1850 RPM y los

ventiladores murales modelo SB13 con una

capacidad de 3600 PCM a velocidad de 1600

RPM. Ambos ventiladores se identifican en la

figura 3, uno para la inducción del calor

generado por el horno de cocción, y otro para

eliminar la humedad y reducir temperatura del

sistema cuando el secado y proceso del horno

es finalizado.

Figura 2 Accesorios del sistema de secado

El diseño del sistema se apoyo en el

software SolidWorks para su identificación,

diseñando una cabina de control para realizar

un monitoreo constante del sistema y facilitar la

detección de fallas; apreciado en la figura 4.

1 Ancho del ducto 2 Largo del ducto

Figura 3. Diseño del sistema de secado

Etapa 2. Modelo de control

Con la finalidad de lograr un control de la

temperatura y un sistema funcional se diseña un

modelo de control difuso en el que se

determinan las variables difusas (entrada y

salida) junto con el arreglo de las reglas disufas;

determinadas a través del diagnóstico de las

condiciones iniciales y la experiencia del

experto en la producción de tejas. Enseguida se

presentan las variables contempladas y el juego

de reglas para el modelo de control difuso a

utilizar.

Se contemplaron tres variables de

entrada:

1. La temperatura de horno de cocción

se mide de 27°C a 1000°C, considerando tres

conjuntos difusos de tipo trapezoidal

(determinado por el comportamiento del horno

de cocción en operación); “baja” de 27°C hasta

350°C, “media” de 250°C hasta 850°C y “alta”

de 750°C a 1000°C (Rodríguez Ramírez, Diego

Nava, Martínez Alvarez, Méndez Lagunas, &

Aguilar Lescas, 2004).

33



ISSN-2410-3950





2. La temperatura del sistema de

secado se mide de 27°C a 130°C considerando

cinco conjuntos difusos; “muy baja” tipo

triangular de 27°C a 40°C, “baja” tipo

trapezoidal de 30°C a 80°C, “media” tipo

trapezoidal de 70°C a 110°C, “alta” tipo

triangular de 105°C a 125°C y “muy alta” tipo

triangular de 120°C a 130°C, las funciones

triangulares son debido a los puntos críticos del

sistema y las trapezoidales para a los momentos

de temperatura estándares. Determinado a partir

del experto en el área.

3. El tiempo se mide de 0 a 60 horas, con

un conjunto difuso “encendido” la función es de

tipo trapezoidal de 20 a 60 horas; se considera

como variable de entrada con el fin de obtener

resultados del secado después del tiempo de

operación del horno de cocción (no se incorpora

más calor). Debido que los extractores siguen

su operación y se requiere observar en que

momento establecer una temperatura ambiente

en el sistema para retirar el producto.

En las Variables de salida, se

contemplaron:

1. La velocidad del motor se mide desde 0V

hasta 10V, considerando seis conjuntos difusos,

“apagado (A)” de tipo triangular de 0V a 1V,

“despacio (D)” tipo trapezoidal de 1V a 4V,

“media (M)” tipo trapezoidal de 3V a 6V, “un

poco rápido (PR)” tipo trapezoidal de 5V a 8V,

“rápido (R)” tipo trapezoidal de 7V a 10V y

“súper rápido (SR)” tipo triangular de 9 a 10 V,

las funciones triangulares para los momentos

arranque-paro y trapezoidales para lograr el

control proporcional del ventilador.

2. La variable extractor (Ex) se mide de

0 a 1, considerándose a partir del

comportamiento y características de los

ventiladores comunes que se miden por niveles,

considerando un conjunto “Encendido (E)” de

tipo singleton para determinar simplemente si

está funcionando o no.

Se desarrolla el arreglo de las reglas

difusas con base a la interpretación del experto,

las cuales se muestran en la tabla 2.

T_sistema de secado

Muy

bajo Bajo Media Alta

Muy

alta

T_

Horno

Baja A

Media SR R M M A

Alta R PR M D

A y

Ex:E

Si “Tiempo” es “Encendido”

entonces “Extractor” es “Encendido”

Tabla 2 Juego de reglas difusas

Fase 3. Operación del sistema

En esta fase se obtiene el modelo de control

difuso a través del tools de “control y

simulación” en NI LabVIEW, a partir de la

distribución de los ductos, el análisis

termodinámico y el modelo difuso. Localizado

en el cuadrante B de la figura 5 que correponde

a la simulación del sistema de secado.

En el cuadrant D son ecuaciones

características de los fluidos a diversas

temperaturas, factores que se involucran y

afectan durante la transferencia de calor

realizada entre el horno de cocción y el sistema

de secado.

Figura 5 Diagrama del sistema de secado en LabVIEW

34



ISSN-2410-3950





Se determina la ecuación característica

del funcionamiento del horno de cocción Según

(Salazar Rodríguez, López Carranza, & M.

Vreeland, 1993), a través del toolbox de Matlab

“Curve Fitting Tool” obteniendo una ecuación

de tipo gaussiana con siete variables declarada

en la ecuación 1 y esta localizado en el

cuadrante A de la simulación del sistema

general.

f(𝑥) = 361.1 ∗ exp (− ((𝑥−15.36)

0.6702)

2

) + 73.49 ∗

exp (− ((𝑥−16.42)

0.461)

2

) + 49.14 ∗ exp (− ((𝑥−3.344)

4.905)

2

) +

1613 ∗ exp (− ((𝑥−12.1)

1.895)

2

) + 1059 ∗

exp (− ((𝑥−12.91)

2.621)

2

) + 485.4 ∗ exp (− ((𝑥−13.71)

5.437)

2

) −

2690 ∗ exp (− ((𝑥−12.27)

2.084)

2

) (1)

En el cuadrante C se involucran las

posibles pérdidas debido a los solidos y factores

del sistema de secado que interrumpan o

disminuyan el calor transportado, con el fin de

involucrar el mayor de los factores posibles que

interfieren y lograr la mayor acertación en los

resultados.

Fase 4. Análisis de resultados

En la figura 6 se presenta el

funcionamiento del ventilador que es

proporcional al aumento de la temperatura en el

sistema de secado; cuando llega a su velocidad

máxima y disminuye lentamente la velocidad

sin cambios repentinos, logra la máxima

eficiencia y pérdidas mínimas.

Figura 6 Comportamiento del ventilador durante el

proceso en LabVIEW

En la figura 7 se obtiene el

comportamiento del sistema de secado

observando que entre la hora 15 y 20 del

proceso se logra la temperatura de 125°C, como

ideal para lograr el secado de las piezas. Y entre

la hora 45 y 50 se vuelve a la temperatura

inicial, aprovechando el tiempo para retirar las

piezas del sistema de secado y preparar el

proceso de cocción.

Figura 7 Diagrama del sistema de secado en LabVIEW

Fase 5. Validación del modelo

Con base en los datos obtenidos a través

de la simulación del Sistema de secado y los

datos del tiempo de secado del método

tradicional se obtiene la tabla 3, datos que son

necesarios para llevar a cabo la validación.

Mes

(2016)

Secado del

Método

Tradicional

Secado del

Método

Propuesto

Ene 100 horas 47 horas

Feb 100 horas 49 horas

Mar 100 horas 46 horas

Abr 100 horas 45 horas

May 100 horas 46 horas

Jun 175 horas 49 horas

Jul 175 horas 50 horas

Ago 180 horas 50 horas

Sep 180 horas 50 horas

Oct 200 horas 50 horas

Nov 200 horas 50 horas

Dic 200 horas 50 horas Tabla 3 Tiempo de secado del Método Tradicional VS el

Método Propuesto

35



ISSN-2410-3950





Para realizar la prueba de hipótesis se

basa en los resultados que se obtienen aplicando

el programa MINITAB versión 14 indicado en

la figura 8, obteniendo el valor del estadístico

t=7.74.

Figura 8 Obtención de Tcalculada con MINITAB 14

Se considera que la hipótesis nula (𝑯𝒐)

asume que el tiempo de secado para el método

tradicional (𝝁𝟏) y el método propuesto (𝝁𝟐) son

iguales contra la alternativa (𝑯𝟏) de que el

método tradicional es mayor al método

propuesto, quedando el planteamiento de la

siguiente manera:

𝑯𝒐: 𝝁𝟏 = 𝝁𝟐

𝑯𝟏: 𝝁𝟏 > 𝝁𝟐

Para comparar con la Ttablas, considerando

un valor de significancia de 5%, localizado en

la tabla de distribución t de Student se tiene lo

siguiente:

𝒕𝒕𝒂𝒃𝒍𝒂𝒔 = 𝒕𝟎.𝟎𝟓, 𝟏𝟐+𝟏𝟐−𝟐 = 𝒕𝟎.𝟎𝟓, 𝟐𝟐 = 𝟏. 𝟕𝟏𝟕

Con los datos mostrados en la figura 9 se

concluye que existe evidencia estadística

suficiente para rechazar la hipótesis nula y en

consecuencia no rechazar la hipótesis

alternativa.

Figura 9 Prueba de hipótesis

De lo anterior se concluye que el tiempo

promedio de secado del método tradicional en

la empresa CERAMITEX es mayor al tiempo

promedio del sistema de secado propuesto;

implicando que la decisión es inversa al

planteamiento, porque la medición es el tiempo

y solamente se minimiza, conllevándonos a que

el método propuesto es mejor.

Resultados

Las corridas de la simulación del sistema de

secado se realizan considerando las

temperaturas promedios mensuales del año

2016 del municipio de Jiquipilas, Chiapas,

México; para los meses de enero a junio son

datos reales, para los meses restantes del año se

pronósticaron basados en AccuWeather

(AccuWeather.com, 2016). Que están indicados

en la tabla 4.

En la columna 4 de la tabla siguiente se

muestran las temperaturas máximas obtenidas

en el sistema de secado, oscilando entre los

120°C y 125°C quedando dentro de las reglas

difusas establecidas en la fase 2; en la columna

3 se localiza el tiempo en horas donde se

alcanzan dichas temperaturas y en la columna 5

el tiempo cuando el sistema restablece la

temperatura inicial.

36



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Mes T_prom Tie_sec T_max Tie_rest

Ene 22.7°C 20 horas 121.25°C 47 horas

Feb 23°C 20 horas 121.44°C 49 horas

Mar 27.7°C 20 horas 124.61°C 46 horas

Abr 28.9°C 17 horas 120.18°C 45 horas

May 30.48°C 20 horas 121.18°C 46 horas

Jun 23.9°C 20 horas 120.01°C 49 horas

Jul 22.75°C 20 horas 121.28°C 50 horas

Ago 22.79°C 17 horas 121.3°C 50 horas

Sep 25°C 20 horas 122.7°C 50 horas

Oct 24.7°C 20 horas 122.5°C 50 horas

Nov 24°C 20 horas 122.07°C 50 horas

Dic 23°C 20 horas 121.44°C 50 horas Tabla 4 Resultados del tiempo de secado del sistema

Conclusiones

Al simular el sistema de secado el rango de

temperatura a emplear esta entre 120°C y 125

°C, controlada entre las 17 y 20 horas del

proceso mientras que el proceso completo del

sistema de secado es posible realizarlo en 50

horas; reduciéndolo al menos en un 50% con

respecto al método tradicional.

En consecuencia, el diseño del sistema de

secado propuesto; permite coadyuvar en las

medianas industrias alfareras que no cuentan

con la suficiente dimensión territorial y recurso

económico para obtener sistemas que sean

competitivos con la gran empresa, basado en la

proporción de costos de la producción obtenida

y logrando en consecuencia un secado uniforme

de las tejas sin interrupciones.

Referencias

AccuWeather.com (25 de marzo de 2016).

Obtenido de AccuWeather.com:

http://www.accuweather.com/es/mx/jiquipilas/2

36959/month/236959?monyr=6/01/2016

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37



Reactor para generar biogás a partir de excretas animales

RAMÍREZ-COUTIÑO, Víctor*†, CARDONA-MARTÍNEZ, Clara y RODRÍGUEZ-UGARTE, María.

Universidad Tecnológica de Querétaro, Av. Pie de la Cuesta No. 2501, Querétaro, Querétaro. C.P. 76148, México Recibido Octubre 10, 2016; Aceptado Noviembre 18, 2016

___________________________________________________________________________________ Resumen

Este artículo presenta los resultados de la digestión

anaerobia de estiércol de vaca fresca obtenida de un

establo. Un digestor anaeróbico a escala laboratorio

de 5 l de volumen, se ha desarrollado, para operar

bajo condiciones de proceso por lotes. Las

características del reactor permiten probar la

producción de metano de una manera sencilla. El

seguimiento de la generación de biogás se realizo

por un periodo de 20 días. La producción de biogás

se llevo a cabo de manera eficiente los primeros 10

días generando 1.2 l, los días posteriores la

producción fue disminuyendo. Los resultados

obtenidos del digestor desarrollado, mostraron que

hay un buen potencial para la producción de biogás.

Debido a sus dimensiones se facilita su transporte y

la realización de pruebas directamente in situ,

evaluando diferentes residuos orgánicos o

mezclas de ellos, lo que facilitara la

investigación de cuales son las combinaciones

de residuos que producen más eficientemente

biogás.

Residuo orgánico, biogás, digestión anaerobia

Abstract

This article presents the results of the anaerobic

digestion of manure fresh cow. An anaerobic

digester to 5 l laboratory scale volume, has been

developed to operate under batch. The features

allow test reactor methane production in a simple

manner. Monitoring of biogas generation was

conducted for a period of 20 days. Biogas

production was carried out efficiently generating the

first 10 days 1.2 l, subsequent days was decreasing.

The results of the developed digester, showed that

there is good potential for biogas production. Due to

its dimensions facilitates transport and testing

directly in situ, evaluating different organic residues

or mixtures thereof, which will facilitate the

investigation of combinations which are produced

more efficiently waste biogas.

Organic waste, biogas, anaerobic digestion

Citación: RAMÍREZ-COUTIÑO, Víctor, CARDONA-MARTÍNEZ, Clara y RODRÍGUEZ-UGARTE, María. Reactor para

generar biogás a partir de excretas animales. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 37-41




38



ISSN-2410-3950

ECORFAN® Todos los derechos reservados RAMÍREZ-COUTIÑO, Víctor, CARDONA-MARTÍNEZ, Clara y

RODRÍGUEZ-UGARTE, María. Reactor para generar biogás a partir de

excretas animales. Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

En la actualidad la generación y el uso de

energía es una de las áreas que más impacto

tiene en las actividades industriales y cotidianas

de los seres humanos. Dicha energía

comúnmente se obtiene a partir de combustibles

fósiles. Sin embargo, debido al grado de

contaminación que estos generan por emitir

gases tóxicos de efecto invernadero y derrames

accidentales que contaminan suelo, agua,

sedimentos, aunado a su disminución por su

alto consumo Mundial, se hace necesaria la

exigencia de alternativas para la generación de

energía económicamente viable y amigable con

el medio ambiente. Hoy en día, una de las

opciones que ha tomado mayor relevancia para

disminuir el consumo de combustibles fósiles

son las tecnologías para generar bioenergía

mejor conocidas como energías renovables.

El biogás, que en general se refiere al gas

generado en reactores por la digestión

anaerobia de residuos orgánicos, es un medio

prometedor para hacer frente a las necesidades

energéticas mundiales y proporcionar múltiples

beneficios ambientales.

Desde un punto de vista socioeconómico,

el biogás no sólo reduce de manera significativa

los costos de tratamiento de residuos (Holm-

Nielsen et al., 2009) sino también tiene la

materia prima utilizada es de bajo costo.

Además, el biogás tiene un precio de venta más

bajo en comparación con el gasóleo y la

gasolina. Estos beneficios ilustran que el biogás

es ampliamente viable como una fuente

renovable.

Por ejemplo Estados Unidos estima que al

menos el 25% de la bioenergía puede ser

producida por biogás, en Italia durante el 2011

gran parte de la electricidad se produjo a partir

de biogás (Bacenetti et al., 2013), en Alemania

se operaron aproximadamente 4,000 unidades

de producción de biogás agrícola en las granjas

a finales del 2008, en China 26.5 millones de

plantas de biogás fueron construidos antes del

2007 (Deng et al., 2014).

Dentro de los residuos orgánicos

utilizados se encuentran los residuos agrícolas,

desechos industriales, sólidos municipales,

domésticos, estiércol de animales y mezclas de

residuos orgánicos.

El proceso para la generación de biogás

representa un sistema fisiológico microbiano y

transformación de materia prima en condiciones

específicas. Sin embargo, los consorcios

microbianos son sensibles a variaciones de las

condiciones en el funcionamiento, por lo que si

el proceso no se realiza adecuadamente, la

producción de biogás podría verse reducida.

Dentro de las variables a considerar se

encuentran la Temperatura, el pH, sólidos

volátiles y tipo de residuo orgánico.

Se han hecho muchos intentos para

aumentar la producción de biogás, incluida la

introducción de acelerantes, como aditivos

biológicos y/o químicos con el propósito de

favorecer las condiciones para el crecimiento de

microbios y la rápida producción de gas en un

reactor.

39



ISSN-2410-3950




Sin embargo falta más investigación

sobre nuevas técnicas para hacer más eficientes

los procesos en la producción de biogás

mediante el estudio de materias primas y

evaluación de las condiciones de trabajo. En el

presente trabajo, se evalúa la producción de

biogás mediante un reactor por lote empleando

como residuo orgánico excreta de ganado

vacuno.

Materiales y Desarrollo Experimental

Dispositivo experimental

El digestor diseñado es un reactor por lote de

para 5 l de volumen, (Fig. 1) fue construido de

una manera para facilitar su transporte.

El sistema se puede dividir en tres partes

diferentes: la alimentación del sistema, sistema

digestor y el gasómetro.

1) El sistema de alimentación está en la parte

superior del reactor. Para la carga de

biomasa se cuenta con un orificio de 25.4

mm de diámetro. El sistema de suministro se

realiza con una tubería y válvula

subsiguiente.

2) El digestor es cilíndrico tiene una altura de

50 cm y un diámetro de 20 cm tiene un

orificio de salida por la parte superior por

donde sale el gas producido, el flujo de

salida es controlado por una válvula.

3) El gasómetro tiene forma cilíndrica y esta

graduado para poder medir el volumen

producido de biogás mediante el

desplazamiento de una solución de H2SO4

y NaCl al 10% que se encuentra en su

interior y que está conectada a una tubería de

salida. El propósito de que la solución sea

de H2SO4 es que no se reproduzcan

microorganismos, algas o moho en el

contenedor y captar el CO2 y H2S generado

junto con CH4, en la parte superior cuenta

con una salida controlada por una válvula

para regular la salida del biogás.

Biomasa alimentada

La biomasa empleada para la alimentación del

reactor se compone de estiércol de vaca fresca,

la cual se obtuvo de un establo ganadero

ubicado en la localidad de Montenegro,

Municipio de Querétaro, México. El sustrato

fue caracterizado mediante análisis de pH,

sólidos volátiles.

Métodos analíticos

Para la evaluación del proceso se tomaron las

muestras de sustrato al inicio y al final del

experimento, para el pH se tomó directamente

la medición mediante el medidor de pH Marca

Hanna Modelo HI8424 y los sólidos volátiles se

analizaron por el método gravimétrico mediante

calcinación de la muestra a 550 °C de acuerdo

al método de medición de la NOM-004-

SEMARNAT-2002- SM2540BE para sólidos

volátiles en muestras de lodos, suelos y

biosólidos.

40



ISSN-2410-3950




Metodología experimental

El digestor se alimentó con 3 l de estiércol de

vaca y 0.5 l de agua, posteriormente se realizó

el sellado de cada válvula. La producción de

gas se comprobó después de 5, 10, 15 y 20 días.

Resultados

Caracterización del sustrato

Los resultados de la caracterización del sustrato

al inicio y finalización del proceso de digestión

mostrada en la Tabla 1, indican como el pH y el

contenido de sólidos volátiles disminuyeron, lo

cual es ocasionado por la rápida degradación de

la materia orgánica, la cual se hidroliza y es

convertida a los ácidos grasos.

Parámetro Inicio Final

Sólidos volátiles 10.5 9.8

pH 8.64 8.25

Tabla 1 Caracterización del sustrato al inicio y final del

proceso de digestión.

Los resultados obtenidos en la fase de

digestión anaerobia son normales de acuerdo al

intervalo óptimo de trabajo. (Prasad et al,

2007; Macias-Corral et al., 2008).

Producción de biogás

En el Grafico 1. Se puede observar como se

llevó a cabo la producción de biogás durante los

20 días de digestión. Podemos notar que la

mayor producción se obtuvo en los primeros 5

y 10 días (0.8-1.2 l respectivamente), ya que en

los posteriores días la producción fue

disminuyendo alcanzando al dia 20 un volumen

de 1.6 l.

Grafico 1.Producción de biogás durante 20 días.

Braun (1982), en su artículo sobre la

producción de biogás a partir de estiércol de

ganado, reporto similares resultados mostrando

que la mayor producción se genera en los

primeros 15 días y posterior a este se debe

agregar una nueva carga de sustrato. Comino et

al. (2009) en su investigación para generar

biogás a través de la mezcla de residuos de

excreta de vaca y suero de leche coincide en

que los primeros 15 días son los mas

importantes en la producción de biogás, de ahí

la importancia de tomar este tiempo como un

parámetro para el cambio de sutrato.

Agradecimiento

A la Universidad Tecnológica de Querétaro por

el apoyo a los investigadores participantes. Al

CONCyTEQ por el apoyo bajo el programa de

“Nuevos talentos científicos y tecnológicos”

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 10 20 30

Bio

gás

pro

du

cid

o (

l)

Tiempo (días)

41



ISSN-2410-3950




Conclusiones

El digestor desarrollado a escala laboratorio es

bastante innovador para sus dimensiones y por

la facilidad de su transporte, dando la

posibilidad de llevar a cabo pruebas

directamente in situ con diferentes residuos

orgánicos o mezclas de ellos, lo que facilitara la

investigación de cuales son las combinaciones

de residuos que producen mas eficientemente

biogás, pudiendo en un futuro construir un

biodigestor a escala piloto con resultados

prometedores e instalarlos de manera

permanente en los lugares donde se generen

cantidades grandes de residuos orgánicos,

obteniendo energía renovable útil para las

actividades que asi convengan.

Referencias

Bacenetti, J., Negri, M., Fiala, M., Gonzalez-

Garcia, S., 2013. Anaerobic digestion of

different feedstocks: impact on energetic and

environmental balances of biogas process. Sci

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Braun, R., 1982. Biogas – Methangärung

Organischer Abfallstoffe: Grundlagen und

Anwendungsbeispiele (Innovative

Energietechnik). Springer, Wien, New York,

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Comino, E., Rosso, M., Riggio, V., 2009.

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Holm-Nielsen, JB., Al Seadi, T., Oleskowicz-

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Macias-Corral, M., Samani, Z., Hanson, A.,

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2008. Anaerobic digestion of municipal solid

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Prasad, K., Immaculada, B., Lars, E., Irini, A.,

2007. Effects of mixing on methaneproduction

during thermophilic anaerobic digestion of

manure: lab-scale and pilot-scale studies.

Bioresource Technol. 99, 4919–4928.

42



Producción de bioetanol a partir de suero de queso proveniente de la región central

del estado de Veracruz

DE JESÚS-ANDRADE, Esmeralda*†, OSORIO-GONZÁLEZ, Carlos, SANDOVAL-SALAS, Fabiola

y ÁVALOS-DE LA CRUZ, Dora.


___________________________________________________________________________________ Resumen

La producción de bioetanol se considera una alternativa

energética que contribuye a la reducción de impactos

ambientales negativos, provocados por el uso de

combustibles fósiles. Con el fin de evaluar la producción

de bioetanol a partir de suero de leche de bovinos (dulce

y ácido) se optimizó el proceso de hidrólisis de la lactosa

y la fermentación del hidrolizado. Los sueros se

caracterizaron física y químicamente y se probaron dos

tratamientos de hidrólisis: química con ácido clorhídrico

al 0.01, 0.1 y 1M (30 y 90 minutos) y enzimática con

0.45, 0.9 y 1.8 mL/L de lactasa (15, 20 y 25 minutos). La

eficiencia de la hidrólisis se cuantificó con el contenido

de azúcares reductores por DNS y de glucosa por la

técnica GOD-GOP (Trinder) y mediante fermentación de

los mejores tratamientos. Los sueros (ácido y dulce)

hidrolizados con la concentración de solución de HCl al

0.1 M, crudos y suplementados al 6 y 12 % fueron

fermentados con una concentración de inoculo de 1x107

cel/mL a una temperatura 28°C, bajo condiciones

anaerobias, durante 92 horas. En estas condiciones, se

obtuvieron 28.44 g/L en suero dulce suplementado (12%

de azúcar total) y 30.02 g/L de bioetanol en suero ácido

suplementado.

Bioetanol, residuos agroindustriales, lactosuero,

fermentación

Abstract

The production of bioethanol is considered an energy

alternative that contributes to the reduction of negative

environmental impacts caused by the use of fossil fuels.

In order to evaluate the production of ethanol from whey

of bovine (sweet and acid) the process of lactose

hydrolysis and fermentation of the hydrolyzate was

optimized. The sera were characterized physically and

chemically and two hydrolysis treatments were tested:

chemical with hydrochloric acid to 0.01, 0.1 and 1 M (30

to 90 minutes) and enzyme with 0.45, 0.9 and 1.8 mL / L

lactase (15, 20 and 25 minutes). The efficiency of

hydrolysis was quantified with the content of reducing

sugars by DNS and glucose by the GOD-GOP (Trinder)

technique and by fermentation of the best treatments.

Sera (sour and sweet) hydrolyzed with the concentration

of HCl solution 0.1 M, raw and supplemented to 6 and

12% were fermented at a concentration of inoculum of

1x107 cel/mL at a temperature 28 ° C under anaerobic

conditions for 92 hours. Under these conditions, 28.44 g /

L were obtained in fresh serum-supplemented (12% total

sugar) and 30.02 g / L in serum supplemented bioethanol

acid.

Bioethanol, agro-industrial waste, whey fermentation

Citación: DE JESÚS-ANDRADE, Esmeralda, OSORIO-GONZÁLEZ, Carlos, SANDOVAL-SALAS, Fabiola y

ÁVALOS-DE LA CRUZ, Dora. Producción de bioetanol a partir de suero de queso proveniente de la región central del

estado de Veracruz. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 42-50




43



ISSN-2410-3950


DE JESÚS-ANDRADE, Esmeralda, OSORIO-GONZÁLEZ, Carlos,

SANDOVAL-SALAS, Fabiola y ÁVALOS-DE LA CRUZ, Dora. Producción de

bioetanol a partir de suero de queso proveniente de la región central del estado de

Veracruz. Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

Actualmente los altos índices de contaminación

ha llevado a los gobiernos de todo el mundo a

exigir a las industrias una producción limpia, lo

cual hace que las empresas planteen soluciones

para disminuir sus cargas contaminantes

(Panesar et al., 2007; Koutinas et al., 2009;

Carvalho et al., 2013), mediante la mejora de

sus procesos o a través del aprovechamiento de

los subproductos. El principal residuo que

genera la industria láctea es el suero de leche, la

producción mundial de este residuo por año es

de 160 millones de ton, con un crecimiento de

1-2 % anual (Dragone et al., 2009; Valencia y

Ramiréz, 2009; Guimaraes et al., 2010;

Ramírez Navas, 2012; Das et al., 2015). Lo

anterior provoca un daño al medio ambiente

debido que contiene una alta concentración de

sustancias orgánicas disueltas (Mukhopadhyay

et al., 2003), mismas que provocan una alta

demanda bioquímica de oxígeno (DBO) de 35-

45 mg/L, así como una alta demanda química

de oxígeno (DQO) 80,000mg/L (Ergüder et al.,

2001; Ozmihci and Kargi, 2007; Dragone et al.,

2009; Das et al., 2015), las variaciones en la

demanda están determinadas directamente por

el tipo de leche y del contenido de lactosa

(Mukhopadhyay et al., 2003; Das et al., 2015).

En la actualidad se han propuesto estudios con

el fin de transformarlo en un producto útil de

alto valor agregado, el cual representa una

oportunidad para el desarrollo de nuevos

productos (Bansal et al., 2008; Bertin et al.,

2013.

Dragone et al., 2011; Hernández-

Ledesma et al., 2010), debido a sus

características, a la nueva cultura en la

valorización de desechos agroindustriales y a la

creciente combinación de nuevas metodologías,

se podría aprovechar en otros procesos para la

obtención de compuestos de interés industrial

(Koutinas et al., 2009), generando una

oportunidad para el desarrollo de nuevos

productos tales como biogás (Bertin et al.,

2013), enzimas (Bansal et al., 2008), etanol

Sin embargo a pesar de los múltiples usos del

suero, el 47 % es descargado en el suelo,

drenajes y cuerpos de agua, tornándose en un

serio problema para el ambiente (Carrillo,

2006).

El estado de Veracruz ocupa el sexto

lugar a nivel nacional en la producción de leche

de bovino, con una producción de 695, 762

litros para el año 2015, (SAGARPA, 2016).

Considerando que una parte de esta leche se

destina a la producción de quesos, SAGARPA

(2016), reporta una producción de 363,271 mil

toneladas de queso para el mismo año, el cual

genero una considerable cantidad de suero que

no fue aprovechado, si se toma en cuenta que a

partir de 10 litros de leche de vaca se puede

producir de 1 a 2 kg de queso y un promedio de

8 a 9 kg de suero de leche (Parra, 2009; Guerra

et al., 2013).

Los sueros se caracterizaron física y

químicamente y se probaron dos tratamientos

de hidrólisis, ácida y enzimática. La eficiencia

de la hidrólisis se cuantificó mediante el

contenido de azúcares reductores y glucosa. La

fermentación de los mejores tratamientos y la

obtención de bioetanol se optimizo mediante la

adición de suplemento (melaza) al 6 y 12% con

la obtención de 28.44 g/L y 30.02 g/L de

bioetanol para suero dulce y ácido

suplementado respectivamente.

44



ISSN-2410-3950






Materiales y métodos

a) Obtención del suero de queso

El suero fue colectado de dos diferentes micro

queserías en la región centro del estado de

Veracruz. El suero dulce fue obtenido de la

coagulación de caseína vía enzimática (renina)

y el suero ácido por la mezcla de renina y

cultivos lácticos.

b) Material biológico y medio de cultivo

Se utilizó una cepa etanolgenica de

Saccharomyces cerevisiae ITPE01, aislada de

caña de azúcar. La cepa fue conservada en

medio agar papa-dextrosa a 4°C.

c) Composición química

La composición química del suero ácido y

dulce fue determinada bajo los siguientes

criterios: la material seca se evaluó por secado

en una estufa RIOSSA H-33 a 60°C hasta peso

constante (A.O.A.C., 2005), la cenizas se

realizaron por incineración en mufla

(FURNACE 1300) a 550°C por 5 horas; la

cuantificación de proteína se realizó por

espectrofotometría (Lowry, et al., 1951); la

grasa butírica se realizó por el método de

Gerber (NMX-F-155-SCFI-2003), el pH se

determinó por medición directa con un

potenciómetro Hanna modelo HI-8424 (NMX-

F-317-S-1978); para la demanda química de

oxigeno (DQO) se utilizó un kit HACH®

basado en el método 800 para agua y aguas

residuales, finalmente el contenido de lactosa se

realizó utilizando un equipo Lactoscan. Todas

las determinaciones se realizaron por triplicado.

d) Pre-tratamientos del suero de queso

-Hidrolisis enzimática de suero queso

Se utilizó una enzima en forma líquida (β-

galactosidasa) obtenida de ENMEX con el

nombre comercial de Lactoset©, la cual fue

almacenada a 4°C hasta el momento de su

utilización. La actividad de la enzima es de

10,000 u/g de enzima (1 mol de o-

nitrofenol/min, en condiciones óptimas). La

hidrolisis de lactosa se realizó bajo los

siguientes parámetros: temperatura (35-40 °C),

pH (6.5-7.5), tiempo (10-20 min) y

concentración de enzima (0.46, 1, 1.5 µL/L).

-Hidrolisis química de suero de queso

La hidrolisis química se realizó bajo las

siguientes condiciones: autoclave a 120°C/15

psi y 100°C/1 atm, por 30 y 90 minutos y una

concentración de ácido de 0.01, 0.1 y 1 M

respectivamente.

e) Producción de alcohol

Una vez hidrolizadas las muestras se

centrifugaron a 10 000 rpm por 10 minutos a

4°C, el sobrenadante fue filtrado en papel filtro

Whatman No. 1, el pH se ajustó a 4.5 y la

cuantificación de azúcares reductores en el

hidrolizado se realizó mediante el método de

DNS (Miller, 1959). Se inocularon matraces de

1000 mL con un volumen de trabajo de 500 mL

de suero hidrolizado, con una concentración de

inoculo de 1x107 cel/mL, la temperatura y el

tiempo de la fermentación fueron de 28°C y 92

horas como tiempo máximo. Las muestras

fueron destiladas y el porcentaje de etanol se

estimó con base a la ecuación de Gay-Lussac

para fermentación alcohólica.

45



ISSN-2410-3950






f) Análisis estadístico

Para evaluar el efecto de los diferentes

parámetros en la hidrolisis química se utilizó un

factorial de dos niveles y tres factores (23) así

como un análisis de varianza (ANOVA) y un

comparativo de medias (LSD). La evaluación

de la hidrolisis enzimática se realizó utilizando

un diseño de optimización (Box-Benkhen),

todas las corridas se hicieron por duplicado,

(Cuadro 1). Todos los análisis se realizaron con

el paquete estadístico Minitab® 17.1.0.

Corrida Tiempo Enzima Temperatura

1 15 0.45 40

2 25 0.45 40

3 15 1.8 40

4 25 1.8 40

5 15 1.125 35

6 25 1.125 35

7 15 1.125 45

8 25 1.125 45

9 20 0.45 35

10 20 1.8 35

11 20 0.45 45

12 20 1.8 45

13 20 1.125 40

14 20 1.125 40

15 20 1.125 40

Tabla 1 Diseño de Box-Benhken

Resultados

Composición química

Los resultados obtenidos para la composición

química se presentan en el Cuadro 2. Para

materia seca y pH del suero dulce son similares

a los reportados por Boudjema et al. (2015), la

cantidad de cenizas presente en ambos sueros es

menor respecto a lo reportado por Yadav et al.

(2015), lo anterior se debe principalmente a la

cantidad adicionada de cloruro de calcio en

cada uno de los diferentes procesos de

elaboración del queso (Malcata et al., 2001); la

cantidad de proteína es menor, y la cantidad de

ácido láctico es mayor a lo reportado por Anand

et al. (2013), el contenido de lactosa es mayor a

la reportada por Panesar et al. (2007), la

cantidad grasa presente es menor a lo reportado

por Yadav et al. (2015), esto se debe

principalmente a las características física y

químicas de la leche, a la especie bovina

específica, la época estacional en la que se

recolecto la leche, en la alimentación

proporcionada al animal y al proceso de

coagulación utilizado para la separación de la

caseína (Park et al., 2007), la demanda química

de oxigeno es similar a lo reportado por

Smithers et al. (2015), lo cual se debe

principalmente a la composición física y

química de la leche (Navas 2015).

Parámetro Dulce Ácido

Materia

seca

7.44±1.27 6.80±0.20

Grasa 0.4±0.00 0.86±0.05

Proteína 0.19±0.59 0.18±0.64

Cenizas 1.18±0.03 0.87±0.03

Lactosa 4.215±0.078 3.525±0.148

pH 6.60±0.02 4.42±0.18

Ácido

láctico

0.50±0.00 5.03±1.24

DQO (g/L) 56.76±0.00 74.58±0.02

Tabla 2 Composición química (%) de suero de queso

bovino (dulce y ácido).

46



ISSN-2410-3950






Pre-tratamientos del suero de queso

Hidrólisis enzimática

El resultado de la optimización de la

hidrolisis enzimática por Box-Benhken no

mostró diferencia significativa (P=0.208 y

0.709 respectivamente) para ambos sueros

(ácido y dulce). Después del tratamiento de

hidrólisis en suero dulce y ácido, el análisis

indica que no hubo un cambio significativo en

el contenido de azúcares reductores, lo cual se

debe principalmente a la inhibición competitiva

que ejercen los productos de reacción, glucosa

y galactosa, ya que van en incremento y la

galactosa ocupa el sitio activo de la enzima

evitando que la lactosa se una al mismo

(Beltrán y Acosta, 2014).

Hidrólisis química

En el ANOVA, los factores evaluados,

concentración de la solución de HCl y el

contenido de azúcares reductores (P-Value:

0.502) señala que no existe diferencia

significativa entre dichos factores (Gráfico 1),

por lo que se procedió a utilizar, la

concentración más baja de la solución de HCl

para efectuar la hidrólisis.

Gráfico 1 Gráfico de efectos principales, tipo de suero y

concentración de ácido.

Fermentación de los hidrolizados de suero

El monitoreo de los azúcares reductores

presentes en el medio de fermentación del

tratamiento de suero suplementado con melaza

(12%; gráfico 2 y 3) mostró consumo acelerado

de azúcares durante las primeras 12 horas

(50%) y una reducción notable después de este

periodo con tendencia a un comportamiento

asintótico para ambos tipos de suero (dulce y

ácido). Se observó que a pesar de haber

mantenido la fermentación hasta 92 horas, a

partir de las 40 horas el consumo es

prácticamente nulo, lo que indica la posibilidad

de que se esté agotando otro nutriente que actúa

como sustrato limitante. Cruz et al. (2003)

encontraron que la concentración y tipo de la

fuente de nitrógeno afecta el consumo de

galactosa cuando se usan cepas de panificación

y cerveceras.

El consumo de azúcar en el tratamiento

de suero suplementado al 6% de azúcares

mostro un comportamiento lineal hasta las 40

horas, equivalente a 6 g/h. Al igual que el

tratamiento de 12% la curva tiende hacerse

asintótica.

El consumo de azúcares en el sustrato no

suplementado con melaza fue mínimo (12 g/L)

hasta las 92 horas.

Gráfico 2 Cinética de consumo de azúcares reductores en

suero ácido de bovino. Suero crudo ( ), suero

suplementado al 6% ( ), suero suplementado al 12% ( ).

TX

SOLUCIÓN

21

1 .00.90.60.30.11 .00.90.60.30.1

2

0

-2

-4

Efe

cto 0

-2.608

2.608

ÁcidoDulce

38

36

34

Med

ia

35.771

34.851

36.692

1 .00.90.60.30.1

38

36

34

32

Med

ia

35.771

33.243

38.300

Interacción

Tipo de suero Concentración de ácido

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100

Azú

care

s re

du

ctore

s (g

/L)

Tiempo de fermentación (horas)

47



ISSN-2410-3950






Gráfico 3 Cinética de consumo de azúcares reductores en

suero dulce de bovino. Suero crudo ( ), suero

suplementado al 6% ( ), suero suplementado al 12% ( ).

Producción de alcohol

Los rendimientos de alcohol obtenidos de las

tres diferentes fermentaciones (suero crudo y

suero suplementado con melaza en 6 y 12%) se


Tabla 3 Rendimiento de alcohol obtenido a

partir de suero de queso

La producción de bioetanol en suero

ácido y dulce hidrolizado sin suplementar es

acorde a lo esperado considerando que el

contenido de azúcar (lactosa) es cercano al

40%, y coincide con estudios previos donde se

utilizó suero solo para la producción de etanol,

en los que se encontraron bajos rendimientos

(Coughlin y Charles, 1980; Moulin y Galzy,

1984; Parashar, et al. 2016).

La evaluación de la producción de

bioetanol en suero ácido y dulce suplementado

con melaza al 6 y 12% muestra un rendimiento

del 50% con respecto al rendimiento teórico, en

el que 1 mol de glucosa produce 2 mol de

etanol, 2 moles CO2 y energía (Sánchez y

Cardona, 2005). Los resultados obtenidos

coinciden con lo esperado, ya que se detectó

que la levadura solo consume una parte del

sustrato principal (fuente de carbono y energía-

azúcares), lo que indica la posibilidad de que se

esté agotando otro nutriente y que actúe como

sustrato limitante. Sin embargo en este trabajo

no se evaluó la evolución de otros nutrientes.

Trigueros et al. (2016) encontraron que S.

cerevisiae consume rápido la glucosa y

metaboliza con mayor lentitud la galactosa,

debido a que célula está lista para metabolizar

glucosa. Ocasionado que su sistema de síntesis

enzimática, necesario para asimilar la segunda

fuente de carbono dependa de su estado de

energía asociado con la concentración de

glucosa en el medio. Regulando el sistema en

diferentes mecanismos tales como la represión

de catabolitos y la inactivación catabólica, lo

que resulta, en fermentaciones prolongadas. No

obstante S. cerevisiae posee una buena

capacidad fermentativa y tolerancia al etanol, lo

que permite producir hasta 20% (v / v) (Antoni

et al, 2007; Cot al., 2007; Guimarães et al.,

2010), convirtiéndola en la levadura más usada

para la generación de este producto.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100

Azú

care

s re

du

ctore

s (g

/L)

Tiempo de fermentación (horas)

Tipo de

suero

Suero dulce Suero Ácido

Etanol

(g/L)

Rendimi

ento

teórico

Etanol

(g/L)

Rendimi

ento

teórico

Suero

hidroliza

do

0.316±

0.00

18.35±0.

00

0.632±

0.00

17.45±0.

00

Suero

suplemen

tado

(6%)

15.8±0.

00

30.66±0.

00

15.8±0.

00

30.66±0.

00

Suero

suplemen

tado

(12%)

28.44±

0.129

61.33±0.

00

30.02±

0.129

61.33±0.

00

48



ISSN-2410-3950






Conclusiones

Los parámetros fisicoquímicos del suero dulce

y ácido de bovino provenientes de la región

central del estado de Veracruz se encuentran

dentro de los intervalos aceptables, con respecto

a la de otros autores.

La optimización de la hidrolisis

enzimática mediante el diseño de Box-Benhken

no mostró diferencia significativa en el

contenido de azúcares, mientras que la

aplicación de tratamiento termo-ácidos

(hidrólisis química) incremento el rendimiento

de azúcares totales mediante la adición

soluciones de HCl a bajas concentraciones,

permitiendo llevar a cabo procesos

fermentativos.

La concentración de azúcares totales en

suero de queso hidrolizado ejerció gran

influencia en la producción de etanol por

Saccharomyces cerevisiae ITPE01 siendo la

formación de producto máxima de 28.44 y

30.02 para suero dulce y ácido respectivamente,

cuando se utiliza una concentración de

suplemento (melaza) al 12 %. Por último, el

uso de suero de leche como sustratos representa

una oportunidad importante que puede

permitirnos mejorar el valor añadido de los

procesos agroindustriales, reduciendo

temporalmente los costos de eliminación

ayudando a mitigar la contaminación, de

cuerpos de agua y suelos.

Agradecimiento

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología

(CONACyT) y al Tecnológico Nacional de

México (TNM) por brindar los fondos para la

realización de esta investigación.

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Diseño, construcción y prueba de un prototipo para la propagación controlada de

levadura Saccaromyces cerevisiae spp., en la producción de Colonche del jugo de

tuna Cardona

GASCA-VÁZQUEZ, Pedro*†, BERNARDINO-NICANOR, Aurea, GONZÁLEZ-CRUZ, Leopoldo y

JUÁREZ-GOIZ, Mayolo.


___________________________________________________________________________________ Resumen

El reto que hasta en la actualidad existía sobre el control del proceso de

Producción de Colonche a partir del jugo de tuna Cardona era el control del proceso y su descomposición, esto es debido a que aún no ha podido

posicionarse en un estatus aceptable en el mercado, y la razón

fundamental es que su elaboración continua siendo de forma rudimentaria; es por esto, que la presente investigación muestra el

interés de identificar las posibles variables que puedan estar

relacionadas con el proceso de fermentación; por tal motivo se estableció un programa de estudio que requirió como primera actividad

experimental el control de la actividad metabólica de la Levadura

presente de manera endémica en la planta de Nopal y fruto; para el logro de esta actividad se aislaron las levaduras involucradas, su estudio

a nivel laboratorio de manera individual y su control estricto, para evitar

contaminación por la presencia de otros microorganismos y como experimentación continua realizar los ensayos a nivel de un

fermentador construido de acero inoxidable C-14, tipo 304, con base

inferior semiesférica, y tapa superior bridada, con cierre tipo CLAMP roscado, enchaquetamiento al cuerpo 80%, con lámina inoxidable C-16

y conexiones en tapa superior. cuya característica principal fuese el

control de su temperatura, cierre hermético, agitación natural y su velocidad metabólica en el consumo de la fuente de carbono, para

estudiar su capacidad reproductiva y su actividad fermentativa en la

producción de la bebida fermentada llamada Colonche. Se ha logrado favorecer una producción de biomasa controlada y la obtención de una

bebida similar al colonche de antaño, con la variante de haber obtenido

una biomasa pura y una bebida fermentada estable y evitar que su descomposición. Esto promete su posible escalamiento a nivel

industrial, apoyo a los productores de tuna y su posible proyección

comercial.

Biomasa de levadura spp, Colonche, prototipo

Abstract

The challenge that until now existed on process control for Production

of Colonche from prickly pear juice Cardona was the process control and decomposition, this is because it has not yet been able to position

themselves in an acceptable status in the market and the fundamental

reason is that their continued development being crudely; is why, this research shows the interest to identify potential variables that may be

related to the fermentation process; for this reason a study program that

required as the first experimental activity controlling the metabolic activity of the yeast present endemic in the Nopal plant and fruit is

established; to achieve this activity yeasts involved were isolated, their

study at laboratory level individually and strict control to avoid contamination by the presence of other microorganisms and as

continuous experimentation perform the tests at the level of a fermenter

made of stainless steel C-14, type 304 with hemispherical lower base and upper cover flange, with threaded closure clamp, the body jacketing

80%, C-16 stainless sheet and top cover connections. whose main

characteristic was its temperature control, seal, natural agitation and metabolic rate in the consumption of the carbon source to study their

reproductive capacity and fermentative activity in the production of

fermented drink called Colonche. It has managed to favor a controlled production of biomass and obtaining a similar colonche of yesteryear,

with the variant having obtained a pure biomass and stable fermented

drink and prevent decomposition drink. This promises to their possible escalation at an industrial level, support to producers of tuna and its

possible commercial projection.

Pekle pear, biomass, Colonche, Biorreactor

Citación: GASCA-VÁZQUEZ, Pedro, BERNARDINO-NICANOR, Aurea, GONZÁLEZ-CRUZ, Leopoldo y JUÁREZ-

GOIZ, Mayolo. Diseño, construcción y prueba de un prototipo para la propagación controlada de levadura Saccaromyces

cerevisiae spp., en la producción de Colonche del jugo de tuna Cardona. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 51-

54




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ISSN-2410-3950


GASCA-VÁZQUEZ, Pedro, BERNARDINO-NICANOR, Aurea, GONZÁLEZ-

CRUZ, Leopoldo y JUÁREZ-GOIZ, Mayolo. Diseño, construcción y prueba de un

prototipo para la propagación controlada de levadura Saccaromyces cerevisiae spp.,

en la producción de Colonche del jugo de tuna Cardona. Revista de Sistemas

Experimentales 2016

Introducción

Nopal Cardón

Es una planta arborescente, de 2 a 5 m de

altura, ramificada, copa redondeada, tronco de

color marrón y corteza casi lisa. Los cladodios

de color verde obscuro grisáceo, recubiertos de

una notoria capa de cera; de 20 a 30 cm, a veces

de 45 cm de largo y de 12 a 23 cm, en

ocasiones 27 cm de ancho y de 3 a 4 cm de

espesor. Presentan aréolas muy pequeñas y

próximas entre sí, con numerosas espinas y

flores amarillas o naranjas (Figura 2) (Méndez y

GARCÍA, 2006). Fruto muy suculento y menor

número de semillas que otras especies

(SCHEINVAR, 2004; MELGAREJO, 2000).

Figura 2.Nopal Cardón y fruto.

El fruto es una falsa baya con ovario

ínfero simple y carnoso, la forma y tamaño de

los frutos es variable, hay frutos con forma

ovoide, redonda, elíptica y oblonga, con los

extremos aplanados, cóncavos o convexos, está

constituida por cáscara (33-50 %), pulpa (45-67

%) y semillas (2-10 %) del peso total del fruto.

El color rojo-magenta del fruto Cardón y su

pulpa lo hacen ser una baya y jugo de un

atractivo único y sugestivo a su consumo

(MÉNDEZ y GARCÍA 2006) (Tabla 2).

Tabla 2 Composición de la tuna Cardona

Sin embargo, uno de las restricciones para su

explotación comercial es el hecho de que su

tiempo máximo de consumo es de 15 días, y a

partir de este tiempo o antes, se presenta una

alteración acelerado que lo hace desagradable y

rechazable por el consumidor. problema que no

se había logrado detener, hasta que en estudios

experimentales, más detallados y realizados por

el por el equipo de investigación del

Laboratorio de Investigación de

Productos Alimenticios, logró aislar, propagar y

realizar pruebas de producción de Biomasa y

Colonche; con el equipo diseñado y ajustado a

las mejores condiciones requeridas para la

levadura y la eliminación de riesgos de

contaminación de bacteriana.

Hipótesis

El fermentador diseñado para la Producción de

Biomasa y la obtención del Colonche al final

del proceso, se logrará establecer, el tiempo

donde se presenta la máxima producción de

Biomasa, una bebida fermentada llamada

Colonche con una vida media Mayor a los 15

días.

Muestra Pes

o

(g)

Larg

o

(cm)

Diámetr

o (cm)

%

pulp

a

%

cáscar

a

%

Semilla

s

Tuna de

Zacatec

as

76.

4

6.4 4.8 26 70 4

Tuna de

San Luis

Potosi

58.

0

4.2 3.8 28 68 4

53



ISSN-2410-3950






Experimentales 2016

Metodología

El procedimiento para la elaboración del

Colonche a partir del jugo de tuna Cardona se

describe a continuación: pelado de la tuna,

molienda, filtrado para retirar semillas y pulpa,

acondicionamiento del jugo y filtrado para

quitar el resto de la pulpa. El jugo recuperado,

se concentró hasta 16 ºBrix, se colocó a

temperatura entre 70-80 C en el fermentador, se

enfrío aplicando un suministro de agua a

temperatura de 30 C hasta lograr el equilibrio

del sistema, se le agregó el pre inoculo de

levadura Saccaromyces cerevisiae spp., y se

mantuvo a una temperatura de 30 °C +/- 1°C,

durante 30 días, los parámetros iniciales,

después de su acondicionamiento fueron: 16.0

Resultados

El procedimiento para la elaboración del

Colonche a partir del jugo de tuna Cardona se

describe a continuación: pelado de la tuna,

molienda, filtrado para retirar semillas y pulpa,

acondicionamiento del jugo y filtrado para

quitar el resto de la pulpa. El jugo preparado se

colocó en un fermentador, se le agregó un pre

inoculo de levadura Saccaromyces cerevisiae y

se mantuvo a una temperatura de 30 °C +/- 1°C,

se monitorearon durante 30 días los parámetros

iniciales (después de su acondicionamiento):

16.0 °Brix, pH de 5.20, acidez de 0.057 (mg ac.

Cítrico/mL jugo), y se determinó el grado

alcohólico (°GL) final (Figura 2)

Con base a los resultados obtenidos se

encontró que la levadura en 10 días consumió el

56 % del azúcar (16.0-7.0 °Brix) y después del

día 11 al 30 sólo consumió el 11% del azúcar; a

los 30 días del experimento programado el

azúcar residual fue de 6.2 y el grado alcohólico

de 6° GL, por lo cual se puede concluir que el

tiempo establecido para la fermentación son 10

días debido a que los cambios a partir del día 11

no son significativos.

Figura 3 Respuesta de los experimentos en el Biorreactor

utilizado para la propagación y producción de colonche.

El experimento se hizo por duplicado y la

significación de las diferencias se analizó con la

prueba de Tukey a un nivel de p< 0.05.

Tabla 3 Composición del jugo de tuna Cardona (Opuntia

streptacantha)

Agradecimiento

Este proyecto fue financiado por Fondos mixtos

en la convocatoria: GTO-2008-C03-91651

Conclusiones

Los resultados obtenidos respecto al diseño,

construcción del biorreactor para la

propagación y producción de Colonche resultó

Adhoc.

23.5 29 30.25 24 23.2516.5 14.5 13.516 7 7 7 7 7 7 716.6 10 9 8.8 8.8 8.8 8.8 8.7

050

0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260

Po

bla

ció

n

Tiempo (h)

Relación entre el consumo de azúcar vs

crecimiento de la levadura Saccaromyces

cerevisie

Poblacion (millones levaduras/ml)

Brix (prueba 1)

Brix (prueba 2)

°BR

IX

° Brix pH Acidez (mg

acido cítrico/mL

de jugo de tuna)

Antes del

acondicionamiento

12.1 5.55 0.046

Después del

acondicionamiento

16.0 5.20 0.057

Después de la

fermentación

6.2 4.2 0.234

54



ISSN-2410-3950






Experimentales 2016

En los experimentos realizados se deduce

que si se desea producir biomasa pura a los 92 h

de iniciado el experimento se tendría la

producción máxima de biomasa, como se

registra en la Figura 3.

También se obtuvo el tiempo de 240 h en

el cual la separación del Colonche es estable y

adecuado para ser envasado y permitir la

estimación vida de anaquel y establecer el

tiempo de comercialización.

Se determinó un grado alcohólico entre 6-

7 ºG.L., lo que se etiqueta como una bebida de

bajo grado alcohólico; con características

sensoriales agradables y ser una bebida

alcohólica distinguida.

Se logró evaluar un sistema de

enfriamiento distinto a los comercialmente

utilizados para controlar la temperatura de un

biorreactor a nivel de laboratorio y de

capacidad industrial (Figura 1). Por lo tanto se

concluye que es un diseño original.

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Mundi- Prensa.

°Brix, pH de 5.20, acidez de 0.057 (mg ac.

Cítrico/mL jugo), al final del proceso, se

determinó el grado alcohólico (°GL).

55



Estimación del parámetro poblacional de la producción de lactosuero

agroindustrial con el método bayesiano y simulación Monte Carlo

MATEO, Nicolás*†, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y SÁNCHEZ, Fabiola.

Recibido Octubre 5, 2016; Aceptado Noviembre14, 2016

___________________________________________________________________________________ Resumen

La investigación tuvo como objetivo estimar

estadísticamente el volumen de lactosuero generado en el

100% de las agroindustrias de Tempoal, Veracruz,

México, para disponer de información cuantitativa acerca

del desecho que es vertido a los cuerpos de agua y que

potencialmente se le puede dar tratamiento y valor

agregado. Se empleó el método bayesiano de estimación

que involucra a la media μ de una población normal, el

resultado fue comparado con el obtenido en una ecuación

de regresión múltiple (RM) para verificar si el valor

obtenido en la regresión cae en el intervalo de confianza

Bayesiano; además, se utilizó la simulación Monte Carlo

a 10,000 iteraciones. La ecuación de la RM arrojó que la

generación de lactosuero en cada una de las 19

agroindustrias en el municipio de interés, fue de 955.00

litros (lt) diariamente. Por su parte la ecuación para

estimar μ* poblacional como una probabilidad a

posteriori por el método bayesiano arrojó 958.15. Ambos

valores se encuentran en el intervalo bayesiano calculado

de 945.11 -971.20 lt; así mismo la simulación Monte

Carlo arrojó que hay un promedio de 984.45 lt con un

coeficiente de variación de 6.15% y una precisión del

error al 95% de confianza de 0.1205%.

Estimación Bayesiana, Monte Carlo, Distribución a

priori, Lactosuero

Abstract

The research aimed to statistically estimate the volume of

whey generated in 100% of agroindustries Tempoal,

Veracruz, Mexico to provide quantitative information

about the waste is discharged into water bodies and

potentially can be given treatment and value added.

Bayesian estimation method was used involving the

mean μ of a normal population, the result was compared

with that obtained in a multiple regression equation (RM)

to verify whether the value obtained in the regression was

in the confidence Bayesian interval; also Monte Carlo

simulation was used with 10,000 iterations. The equation

of MRI showed that the generation of whey in each of the

19 agro-industries in the municipality of interest was

955.00 liters (lt) daily. Meanwhile the equation to

estimate μ* population as a posteriori probability by

Bayesian method yielded 958.15. Both values are in the

Bayesian range calculated 945.11 -971.20 lt; Likewise

Monte Carlo simulation showed that there is an average

of 984.45 lt with a coefficient of variation of 6.15% and

an accuracy of error at 95% in confidence 0.1205%.

Bayesian estimation, Monte Carlo, a priori

distribution, whey Cheese

Citación: MATEO, Nicolás, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y SÁNCHEZ, Fabiola. Simulación Estimación del

parámetro poblacional de la producción de lactosuero agroindustrial con el método bayesiano y simulación Monte Carlo.

Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 55-61




56



ISSN-2410-3950


MATEO, Nicolás, PURROY, Rubén, CRUZ, Lidilia y SÁNCHEZ, Fabiola.

Simulación Estimación del parámetro poblacional de la producción de lactosuero

agroindustrial con el método bayesiano y simulación Monte Carlo. Revista de

Sistemas Experimentales 2016

Introducción

En el estado de Veracruz, México existen 363

Unidades económicas registradas que procesan

leche; en la Región Huasteca Alta Veracruzana

(RHAV) existen 75 unidades, en el municipio

de Tempoal hay 19, de acuerdo al Directorio

Estadístico Nacional de Unidades Económicas

(DENUE, 2016).

El Sistema de Información

Agroalimentario y Pesquero (SIAP, 2014),

reportó que la producción de leche de ganado

bovino en Veracruz fue de 693 951 miles de

litros, ocupando el sexto lugar nacional. Los 15

municipios de la RHAV tuvieron una

producción total de 54 971.48 miles de litros en

el 2014.

El interés de estimar estadísticamente la

generación de lactosuero en las agroindustrias

lácteas se debe a que el Norte del Estado de

Veracruz se destaca principalmente por la

actividad ganadera de doble propósito (carne y

leche), siendo los residuos derivados de la leche

los que representan daños ambientales al no

tratar los desechos de los productos procesados.

Por este motivo la estimación de la generación

de lactosuero permitirá tener un diagnóstico

cuantitativo para iniciar con diseños de

tecnologías de tratamiento para esos

volúmenes. El estudio busca comprobar la

hipótesis de que en cada industria se generan

por lo menos 1 000 litros de lactosuero diario.

Fundamentación: Inferencia bayesiana

Los métodos clásicos de estimación de

parámetros se basan sólo en información que

proporciona la muestra aleatoria, interpretando

esencialmente probabilidades como frecuencias

relativas, denominadas como probabilidades

objetivas (Walpole, Myers y Myers, 1999).

Sin embargo, cuando existe información

adicional acerca de un parámetro θ de la

población f(x,θ) y que dicho parámetro varía en

función de alguna distribución de probabilidad

f(θ), se debe estimar el valor particular θ para la

población de la muestra aleatoria seleccionada;

dicha distribución de probabilidad se denomina

distribución a priori, con media a priori μ0 y

varianza a priori 𝜎02; las probabilidades que se

asocian con esa distribución a priori se

denominas probabilidades subjetivas.

Las técnicas bayesianas utilizan la

distribución a priori f(θ) que se obtiene de la

experiencia y conocimiento de un individuo en

un tema particular para llegar a la probabilidad

subjetiva; y también usa la distribución

conjunta de la muestra f(x1, x2,…, xn;θ) para

calcular la distribución a posteriori. Los

métodos bayesianos de estimación que

involucran a la media μ de una población

normal, se basan en el siguiente teorema:

Si �̅� es la media de la muestra aleatoria de

tamaño n de una población normal con varianza

𝜎2 conocida, y la distribución a priori de la

media poblacional es una distribución normal

con media 𝜇0 y varianza 𝜎02, entonces la

distribución a posteriori de la media

poblacional también es una distribución normal

con media 𝜇∗ y desviación estándar 𝜎∗, donde

(1) y (2) (Walpole, et al. 1999):

𝜇∗ =𝑛�̅�𝜎0

2+𝜇0𝜎2

𝑛𝜎02+𝜎2

(1)

𝜎∗ = √𝜎0

2𝜎2

𝑛𝜎02+𝜎2

(2)

El intervalo bayesiano del (1 − 𝛼)100%

para μ es (3):

𝜇∗ − 𝑧𝛼

2𝜎∗ < 𝜇 < 𝜇∗ + 𝑧𝛼

2𝜎∗ (3)

57



ISSN-2410-3950






Algunos modelos de estimación basan sus

cálculos en distribuciones de probabilidad y

tratan de analizar el comportamiento de las

variables que en ellas se contemplan a fin de

verificar la respuesta, sin embargo éstos

modelos no toman en cuenta información

subjetiva de cierta variable en particular que

proviene de juicios del experto en la materia.

En cambio otros modelos, sí consideran

información subjetiva conocida como

probabilidades subjetivas; tal es el caso de la

Estadística Bayesiana, la cual basa su resultado

en la combinación de la probabilidad objetiva y

subjetiva (Serrano, 2003).

Asi, el método Delphi, cuya herramienta

basa su desarrollo en la obtención de datos

confiables de un grupo de expertos (Tabares y

Velásquez, 2013), puede proporcionar solución

a problemas complejos, y éste método puede

considerarse su aplicación junto con la

Estadística Bayesiana, ya que proporciona

información subjetiva de cierta variable. Según

Correa (2015) la Estadística Bayesiana ha

cobrado fuerza en los útimos años frente a

problemas de estimación, pronósticos, etc.

Características Teoría Clásica Teoría Bayesiana

Parámetros de

Interés

Constantes

desconocidas

(parámetro fijo)

Variables

aleatorias

(parámetro

variable)

Probabilidad Como frecuencia

límite

Como

incertidumbre

Distribución a

priori

No existe Existe y es

explícita

Modelo

Muestral

Se asume Se asume

Distribución

posteriori

No existe Existe y se deriva

Intervalos Intervalos de

confianza

Intervalos de

credibilidad

Razonamiento Inductivo Deductivo

Tabla 1 Diferencias entre la teoría Clásica y la teoría

Bayesiana.

En la tabla 1 se observa que el enfoque

bayesiano toma en cuenta la aleatoriedad, lo

cual es importante puesto que la naturaleza de

un conjunto de datos de cierta variable de

interés siempre muestra cambios en el tiempo,

logrando caracterizar mejor la realidad y realiza

un mejor pronóstico o estimación.

Revisión de la literatura

Valencia et al. (2014) indican que la estadística

bayesiana toma en cuenta información a priori y

posee un proceso de actualización de

información a medida que se va contando con

esta, es un análisis indicado para este tipo de

pronósticos que no cuenta con mayor

información histórica pasada. De manera

similar lo expone Raftery (1999) quien sugiere

que la distribución a priori puede ser

subjetivamente determinada por el usuario

cuando no se tiene información previa a la

“experiencia”, o puede darse más

objetivamente, cuando se tiene información,

analizándose estadísticamente qué tipo de

distribución posee. También Geweke y

Whiteman (2004) destacan que el uso de

información conocida a priori es lo que se

piensa, y es la parte destacada de la inferencia

bayesiana.

El método bayesiano ha tenido

aplicaciones en muchos aspectos, tal es el caso

del propuesto por Lee, Boatwright y Kamakura

(2003) quienes plantearon un modelo bayesiano

para el pronóstico de ventas semanales, previas

al lanzamiento de álbumes musicales, los cuales

se actualizan a medida que se obtienen los datos

reales de ventas en el tiempo. El mismo

enfoque le dieron Neelamegham y Chintagunta

(1999) al emplear una estructura jerárquica

bayesiana para pronosticar, llevando a cabo un

análisis que predice ventas durante la primera

semana de nuevos lanzamientos de películas

estadounidenses en mercados internacionales.

58



ISSN-2410-3950






Urban, Hauser y Roberts (1990) utilizan

un método discreto de tiempo análogo de un

proceso de Markov de tiempo continuo llamado

macro-flow, para pronosticar el ciclo de vida de

un nuevo modelo de carro antes de su

introducción.

Flora (2005) usa técnicas bayesianas para

mejorar la calidad estimativa y predictiva del

modelo Ohlson, y los contrasta con los modelos

clásicos, según la autora, los resultados con

modelos clásicos contienen errores de

predicción y tienen menos poder explicativo

que los modelos bayesianos.

Metodología

Se hizo un muestreo por conglomerados con

base en información del DENUE (2016) que

pertenece al Instituto Nacional de Estadística y

Geografía (INEGI) y del SIAP (2014).

Primeramente se tomó en cuenta la división de

Veracruz en Regiones administrativas,

conformado por 10 regiones, siendo

seleccionada la RHAV (Conglomerado 1); el

segundo paso fue seleccionar un municipio de

dicha región entre los 15 municipios con los

que cuenta; seleccionando a Tempoal, ubicado

geográficamente entre los paralelos 21° 23’ y

21° 43’ de latitud norte; los meridianos 98° 05’

y 98° 39’ de longitud oeste; y altitud entre 20 y

160 msnm (INEGI, 2010) (Conglomerado 2),

finalmente, en el conglomerado 3 se

seleccionaron 8 agroindustrias de las 19

existentes en Tempoal (figura 1).

Figura 1 Muestreo por conglomerados

El muestreo fue realizado del 28 de

noviembre al 20 de diciembre del 2015 y

permitió hacer una visita de campo analizando

el proceso productivo mediante la Ingeniería de

Métodos. Se determinó el volumen de leche

procesada por turno, la cantidad de lactosuero

generado por leche procesada; lactosuero

procesado para derivados; lactosuero

comercializado y lactosuero desechado al

sistema hidrosanitario (figura 1).

Grafico 1 Destino del suero de queso en agroindustrias

de Tempoal, Veracruz, México

Se analizó el proceso durante 10 días en

las n=8 agroindustrias seleccionadas; se obtuvo

información de la relación suero obtenido/leche

procesada y masa obtenida/ leche procesada.

Los datos se analizaron para conocer el tipo de

distribución; se verificó la normalidad por

quesería a fín de comprobar si los datos se

ajustan a una distribución normal y conocer sus

estadísticos media �̅� y desviación estándar s.

59



ISSN-2410-3950






Godoy Tempoalense El Gringo Herrera

LEC

HE

SUER

O

LEC

HE

SUER

O

LEC

HE

SUER

O

LEC

HE

SUER

O

1717.

83

1561.

66

384.3

8

336.3

3

1156.

37

770.9

1

1746.

86

1079.

08

1261.

19

1146.

53

452.2

4

395.7

1

882.4

9

588.3

3

2715.

03

1677.

15

1833.

58

1666.

89

653.5

4

571.8

5

775.9

7

517.3

2

2300.

73

1421.

23

1219.

61

1108.

74

274.8

1

240.4

6

773.7

9

515.8

6

1690.

60

1044.

33

822.8

5

748.0

5

478.8

6

419.0

0

1077.

04

718.0

2

1394.

68

861.5

3

1523.

28

1384.

80

499.9

5

437.4

5

1257.

24

838.1

6

971.9

2

600.3

8

1403.

00

1275.

45

670.9

7

587.0

9

1147.

68

765.1

2

1596.

10

985.9

6

1423.

08

1293.

71

546.2

3

477.9

5

533.4

6

355.6

4

2248.

45

1388.

93

1406.

13

1278.

30

697.1

3

609.9

8

853.0

6

568.7

0

2009.

26

1241.

18

1313.

57

1194.

15

552.4

2

483.3

7

1339.

58

893.0

5

2218.

74

1370.

58

Media 1392.

41

1265.

83

521.0

5

455.9

2

979.6

7

653.1

1

1889.

24

1167.

04

Desv.

est

278.2

1

252.9

1

132.8

8

116.2

7

254.7

2

169.8

2

509.3

6

314.6

4

AD 0.31 0.31 0.20 0.20 0.26 0.26 0.18 0.18

Valor

P

0.49 0.48 0.83 0.83 0.63 0.63 0.89 0.89

Tabla 2 Producción de suero/leche procesada en n=8

agroindustrias.

Lara Luigui Tempoal Los Rosales

LEC

HE

SUER

O

LEC

HE

SUER

O

LEC

HE

SUER

O

LEC

HE

SUER

O

1314.

12

1021.

48

1593.

09

657.1

5

1314.

12

1021.

48

1593.

09

657.1

5

1027.

75

798.8

8

1362.

33

561.9

6

1027.

75

798.8

8

1362.

33

561.9

6

1374.

63

1068.

52

2087.

22

860.9

8

1374.

63

1068.

52

2087.

22

860.9

8

1262.

50

981.3

6

1896.

28

782.2

2

1262.

50

981.3

6

1896.

28

782.2

2

1370.

98

1065.

68

2170.

67

895.4

0

1370.

98

1065.

68

2170.

67

895.4

0

659.1

3

512.3

5

1657.

00

683.5

1

659.1

3

512.3

5

1657.

00

683.5

1

1288.

90

1001.

88

1012.

74

417.7

5

1288.

90

1001.

88

1012.

74

417.7

5

1154.

71

897.5

7

1373.

78

566.6

8

1154.

71

897.5

7

1373.

78

566.6

8

1502.

48

1167.

90

1984.

08

818.4

3

1502.

48

1167.

90

1984.

08

818.4

3

1239.

73

963.6

5

1914.

18

789.6

0

1239.

73

963.6

5

1914.

18

789.6

0

Media 1219.

49

947.9

2

1705.

14

703.3

7

1219.

49

947.9

2

1705.

14

703.3

7

Desv.

est

235.2

5

182.8

7

371.5

4

153.2

6

235.2

5

182.8

7

371.5

4

153.2

6

AD 0.62 0.62 0.28 0.28 0.62 0.62 0.28 0.28

Valor

P

0.08 0.08 0.57 0.57 0.08 0.08 0.57 0.57

Tabla 2 (continuación) Producción de suero/leche

procesada en n=8 agroindustrias.

La prueba de normalidad de Anderson-

Darling (AD) arrojó que el conjunto de datos

muestreados tanto de leche procesada como de

suero obtenido siguen una distribución normal

al 95% de confianza; en la tabla 2 se observan

los valores P, los cuales son mayores al valor de

significancia del 5% (P>0.05).

La media de medias de suero generado

por cada agroindustria se utilizó como

estadístico �̅�; la varianza 𝜎2 fue obtenida

primero por cada muestreo y depués para todos

los datos, y los valores a priori 𝜇0 y 𝜎02 fueron

obtenidas de la expertise de los dueños del

proceso. Los valores para la ecuación 1 y 2 se


Origen de los datos Estadísticos Valor

Del muestreo �̅� = 950.62

Del muestreo 𝜎2 = 450.31

A priori 𝜎02 = 208

A priori 𝜇0 = 986

Tabla 3 Valores obtenidos del muestreo y valores a

priori para calcular el parámetro a posteriori.

Gráfico 2 Distribuciones de probabilidad para las

variables leche procesada y suero generado.

Para contrastar los resultados, se realizó

una comparación del método bayesiano de

estimación con la técnica de Simulación Monte

Carlo aplicado a una Regresión Múltiple (RM),

cuyas variables independientes 𝑋1, 𝑋2 se

definen en la tabla 4:

Variable Tipo de

distribución

Parámetros

𝑋1: Leche procesada. (lt) Normal �̅�: 1453; 𝜎: 788.73

𝑋2: Masa obtenida (kg) Triangular Min: 303.05,

Moda:332.10, Max: 446.51

y: Suero obtenido (lt) - -

Tabla 4 Parámetros de 𝑋1 y 𝑋2 usados en la RM.

Las variables definidas son de tipo

continua, el tipo de distribución y sus

parámetros se observan en la tabla 4. Los

parámetros fueron datos de entrada para la

simulación, cuya variable y quedó definida

como una ecuación de predicción de la RM

(ecuación 4):

60



ISSN-2410-3950






𝑦 = 𝛽0 + 𝛽1𝑋1 + 𝛽2𝑋2 + ⋯ + 𝛽𝑘𝑋𝑘 + 𝜀 (4)

Donde:

βj: parámetros del modelo (coeficientes de

regresión).

ε: Error aleatorio.

Xj: Variables independientes.

Resultados

La ecuación de la RM con la simulación Monte

Carlo arrojó que la generación de lactosuero fue

de 955.00 lt diariamente, con una media de

984.45 lt, un coeficiente de variación de 6.15%

y una precisión del error al 95% de confianza

de 0.1205%.

Por su parte la ecuación para estimar μ*

poblacional como una probabilidad a posteriori

por el método bayesiano arrojó 958.15. Ambos

valores se encuentran en el intervalo bayesiano

calculado de 945.11 -971.20 lt. El Gráfico 4

muestra el histograma de la simulación a

10000 iteraciones empleando la RM.

Las estadísticas para simulación a 10 000

iteraciones de la estimación de μ*, y el gráfico

4 de la simulación empleando RM se presenta

en la tabla 5.

Gráfico 4 Histograma de 10 000 iteraciones para la

simulación “Suero obtenido” de la R.M.

Estadísticas de la

simulación

Simulación

RM

Simulación

Método

bayesiano

Media 938.2476 984.4572

Mediana 936.3914 986.1366

Desviación estándar 527.2971 60.5094

Variación 278,042.26 3661.38

Coeficiente de variación 0.5620 0.0615

Máximo 2984.13 1230.7739

Mínimo -939.86 712.0999

Rango 3,924.00 518.6740

Asimetría 0.0330 -0.1317

Curtósis -0.0690 0.0378

Precisión de error al 95%

de confianza

1.1015% 0.1205%

Tabla 5 Resultados de la simulación.

Agradecimiento

Al Tecnológico Nacional de México por la

aprobación del proyecto de investigación

“Sistema de tratamiento del lactosuero para

mitigar los efectos en sistemas hidrosanitarios

en Tempoal, Ver.”, así como al Instituto

Tecnológico Superior de Tantoyuca por el

apoyo institucional.

Conclusiones

La estimación por el método bayesiano,

permitió cuantificar el volumen de lactosuero

que las agroindustrias de Tempoal generan y

vierten a los sistemas hidrosanitarios, estos

resultados serán útiles para diseñar tecnologías

de tratamiento con esa capacidad diaria.

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62



Implementación de un deshidratador solar para la eficiente producción de chile

RESÉNDIZ-BADILLO, Ramiro*†, GARCÍA-VARGAS, Eduardo, JIMÉNEZ-NAVARRETE, Arturo

y MARROQUÍN-DE JESUS, Ángel.

Universidad Tecnológica de San Juan del Río. División de Química Industrial y Energías Renovables, Cuerpo Académico

de Energías Renovables. Av. La Palma no. 125, Col. Vista Hermosa, San Juan del Río, Qro. C.P. 76800


___________________________________________________________________________________ Resumen

El siguiente proyecto se fundamentará en él diseño,

creación e implementación de un deshidratador que por

medio de la radiación del sol pueda deshidratar diferentes

plantas comestibles en este caso la deshidratación de

variedades de chile. Otro punto importante en este

proyecto además de deshidratar las variedades de chile

por medio de la radiación solar, es poder aumentar la

producción de este producto en la comunidad de ‘’La

Fuente’’ ubicada en el municipio de Tequisquiapan, en el

estado de Querétaro, la cual hoy en día se siguen

utilizando las rudimentarias metodologías tradicionales

para el deshidratado del chile las cuales ocasionan

perturbaciones en las producciones, perdidas y sobre todo

las condiciones negativas de ergonomía hacia los

trabajadores que realizan dicha actividad. Las pérdidas

económicas de esta actividad se ven reflejadas gracias a

que varios estados del país dedicados a la misma

actividad de deshidratar el chile para diferentes usos,

están utilizando mecanismos y/o prototipos que elevan

hasta un 50% la producción total y por ende ocasionan

que los productores de la comunidad de ‘’La Fuente’’

tenga su mercado por debajo de estos estados.

Deshidratador, energía solar, producción, chile,

metodología

Abstract

The next project based on the design, creation and

implementation of a dehydrator which by means of the

radiation from the Sun can dehydrate different edible

plants in this case dehydration of varieties of chile.

Another important point in this project as well as

dehydrated varieties of chile by means of solar radiation,

is to increase the production of this product in the "La

Fuente" community located in the town of

Tequisquiapan, in the State of Querétaro, which today are

still used rudimentary traditional methodologies for the

dried chili which cause disturbances in the productions

losses and especially the negative conditions of

ergonomics to workers who perform such activity. The

economic losses from this activity are reflected thanks to

several States of the country engaged in the same activity

of dehydrated chili for different uses, are using

mechanisms and/or prototypes which rise up to 50% the

production total and therefore cause the producers of the

community of "La source" have its market under these

States.

Dehydrator, solar energy, production, chile,

methodology

Citación: RESÉNDIZ-BADILLO, Ramiro, GARCÍA-VARGAS, Eduardo, JIMÉNEZ-NAVARRETE, Arturo y

MARROQUÍN-DE JESUS, Ángel. Implementación de un deshidratador solar para la eficiente producción de chile. Revista

de Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 62-72




63



ISSN-2410-3950



NAVARRETE, Arturo y MARROQUÍN-DE JESUS, Ángel. Implementación de un

deshidratador solar para la eficiente producción de chile. Revista de Sistemas

Experimentales 2016

Introducción

Sin duda vivimos en un mundo que cada día

requiere satisfacer más necesidades a ritmos

jamás vistos y gracias a esta situación los

recursos que tenemos se están agotando, por

ejemplo; el carbón, el petróleo, el agua

(potable), etc. Se están agotando y además están

desarrollando grandes problemas ambientales-

ecológicos que están afectando directamente en

porcentajes muy elevados a los procesos, ciclos

ambientales y sobre todo a la humana.

Es por ello que se deben de crear

alternativas para mitigar el problema que se está

afectando el ser humano, por ello una de las

alternativas viables es la utilización del recurso

solar.

Por esta razón el siguiente el proyecto de

‘’La Implantación De Un Deshidratador Solar

Para Le Eficiente Producción De Chile’’, tiene

como objetivo primordial él diseño, creación e

implementación de un mecanismo de alto

rendimiento que por medio de la radiación

pueda deshidratar diferentes plantas

comestibles, en este caso chile.

También en base al proyecto se

comprenderá y analizará en un 100%, los temas

del funcionamiento de un deshidratado solar

para el cumplimiento de la formulación de un

proyecto de giro ecológico y tecnológico de la

carrera de T.S.U en Energías Renovables.

Gracias a los datos que se tienen y aunado al

control de proyectos, se pretenderá desarrollar

el proyecto de manera más técnica y profesional

posible, para poder así, poder cumplir con lo

establecido en los objetivos y metas al alcanzar

para este prototipo.

Mediante una investigación teórica, el

proyecto, está basando en tres antecedentes que

cumplen con los requisitos requeridos.

Otro punto importante en este proyecto

además de deshidratar las variedades de chile

por medio de la radiación solar, es poder

aumentar la producción de este producto en la

comunidad de ‘’La Fuente’’ ubicada en el

municipio de Tequisquiapan, en el estado de

Querétaro, la cual hoy en día se siguen

utilizando las rudimentarias metodologías

tradicionales para el deshidratado del chile y

sobre todo las condiciones negativas de

ergonomía hacia los trabajadores que realizan

dicha actividad. Las pérdidas económicas se

ven reflejadas gracias a que varios estados del

país dedicados a la misma actividad están

utilizando mecanismos y/o prototipos que

elevan hasta un 50% la producción total.

Particularmente este proyecto cuenta con

un control de variables climáticas, en este caso:

análisis de temperatura interior del

deshidratador, análisis de humedad. Esta

particularidad nos ayuda a poder

El proyecto cuenta con varia etapas de

seguimiento, fundamentadas por el ‘’método

ingenieril ‘’.

Para la elaboración del deshidratador

solar se dispuso del software AUTOCAD®

para la realización del dimensionado X y Y. A

su vez se utilizó Trimble SketchUp como

herramienta de integración y representación en

tres dimensiones.

Materiales y métodos

El entorno del DS se diseñó de acuerdo con las

etapas del método ingenieril propuesto por

DIXON, Cork (1970), ya que el proyecto se

adaptaba en su mayoría a esta metodología. La

figura 1 muestra las etapas de la metodología,

debido a las características del DS que se desea

desarrollar.

64



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

Figura 1 Etapas de las metodologías para el desarrollo de

un deshidratador solar

Figura 2 Etapas de las metodologías para el desarrollo de

un deshidratador solar.

El método ingenieril de DIXON, Cork

(1970); demuestra que para optimizar el diseño,

se requiere de las simulaciones con el modelo

de diseño más promisorio y las comprobaciones

de la concordancia entre las dimensiones y los

materiales permiten optimizar el diseño

seleccionado.

Tales actividades permiten detectar

cuando se producen equivocaciones, fallas,

accidentes, reparaciones, y cambios si las

decisiones se han basado en predicciones que

no son precisas.

Identificación de problemas, oportunidades

y objetivos

Observación directa del entorno

En esta fase se realizó la observación

directa del entorno en donde se va a desarrollar

un DS, haciendo un análisis sistemático, se

permitió identificar los (objetivos, alcances,

metodologías y estudios) para la solución de la

problemática.

Los habitantes de la comunidad de La

Fuente, su mayor actividad que realizan son la

producción de chile y el secado del mismo para

venderse.

A lo largo de la investigación se observó

que el procedimiento del secado del chile no es

higiénico y aunado también que utilizan

técnicas y métodos que limitan la producción

considerablemente.

Figura 3 Técnicas rudimentales empleadas para el

secado del chile en la comunidad de ‘’La Fuente’’,

Tequisquiapan, Qro.

65



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

Objetivos técnicos del proyecto

Desarrollar un sistema de secado y deshidratado

eficiente para variedades de legumbres,

hortalizas, frutas etc. (en este caso, chiles), para

aumentar la producción hasta de un 50% en la

comunidad de ‘’La Fuente’’ en el municipio de

Tequisquiapan, estado de Querétaro.

Objetivos específicos del proyecto

I. Mitigar en porcentajes altos el uso de

combustibles que contaminen el

medio ambiente.

II. Recuperar el mercado del

deshidratado y secado del chile, en la

comunidad ‘’La Fuente ‘’.

III. Facilitar el trabajo en las labores del

campo.

IV. Integrar el uso de energías de usos

renovables.

Sintetizar la información recolectada para el

desarrollo de un DS

La localidad de ‘’La Fuente’’ está situada en el

Municipio de Tequisquiapan (en el Estado de

Querétaro) sus coordenadas son; 20º 32’

51.98’’ N y -100º 02’.01’’O,

NASA MSFCEARTH SCIENCE (2015),

cuenta con un clima bastante benigno para el

cultivo de plantas en especial gran variedad de

chiles.

Tipo de clima:

Estepa local, BSh por el sistema Köppen-

Geiger

Análisis de precipitación

Grafico 1 Distribución de precipitación promedio anual

en la comunidad de la Fuente, Tequisquiapan, Qro.

Análisis de temperatura

Grafico 2 Distribución de temperatura promedio anual

en la comunidad de la Fuente, Tequisquiapan, Qro

66



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

Análisis general climatic

Mes Temperatura

Humedad

relativa

Radiación

día-

horizontal

Presión

atmósferica

Velocidad

del viento

°C % kWh/m2/d kPa m/s

Enero 13.9 74.1 4.17 87.4 3.3

Febrero 15.8 68.3 5.00 87.2 3.5

Marzo 17.9 59.1 5.85 87.1 3.9

Abril 20.1 58.2 6.15 87.0 3.8

Mayo 21.4 63.6 6.26 87.0 3.5

Junio 20.9 71.9 5.73 87.0 3.2

Julio 19.8 70.5 5.58 87.2 3.1

Agosto 19.8 71.0 5.53 87.2 2.9

Septiembre 19.2 77.1 4.75 87.1 2.8

Octubre 17.4 79.1 4.52 87.2 2.9

Noviembre 15.5 77.0 4.35 87.3 3.1

Diciembre 14.3 77.0 4.00 87.4 3.1

Anual 18.2 70.6 5.16 87.2 3.3

Tabla 1 Variables climatológicas para la comunidad de

la Fuente, Tequisquiapan, Qro.

Con este análisis sistemático se evaluó si

en la comunidad de La Fuente, es factible

implementar tecnología DS para satisfacer las

necesidades de los productores de la población.

Se determinó en base a investigaciones en la

literatura que las condiciones climáticas en la

región son muy favorables para poder formular

el proyecto del DS.

El recurso solar es el factor primordial

para el desarrollo de la tecnología DS; véase en

la tabla 1 y la figura 4, la radiación solar

medida en kWh/m2/día, muestra valores

excelentes para justificar el desarrollo

tecnológico – científico de un DS en la

comunidad de La Fuente.

Figura 4 Mapa de Irradiación Solar, México, kWh/m2

al día.

67



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

Alcance del proyecto Metas a corto

plazo

Diseñar un deshidratador solar en un software CAD

que cumpla con las características que se requieren

en este caso poder ayudar a las personas de la

comunidad de ‘’La Fuente’’ para aumentar la

producción.

Cotizar materiales en base a una investigación

previa para formular el proyecto y cumplir con lo

establecido.

Metas a

mediano plazo

Desarrollar de manera práctica el deshidratador

solar integrando los conocimientos de cada

integrante del equipo de trabajo y con los materiales

e instrumentos adecuados para la ejecución de este

proyecto.

Metas a largo

plazo

Someter a pruebas científicas y a estudios

estadísticos para formular conclusiones y además

integrar el proyecto al equipo de trabajo del secado

y deshidratado de chiles en la comunidad de ‘’La

Fuente‘’.

Realizar un estudio más a fondo para determinar con

exactitud las fortalezas y las áreas de oportunidad

del proyecto en base a la producción del secado y

deshidratado de chiles y así poder contribuir a la

mejor continua.

Alances Desarrollar las competencias genéricas y

profesionales que establece el plan de estudio de la

carrera de T.S.U en Energías Renovables de la

Universidad Tecnológica de San Juan Del Río

Contemplando la capacidad de formular

investigaciones y proyectos de índole tecnológico –

ecológico y así cumplir con los lineamientos y

dimensiones de competencias:

Conceptual

Procedimental

Actitudinal

Desarrollo y documentación de la

metodología científica

Pasos del método ingenieril

Identificación del problema:

Se ha visto en la producción del secado y

deshidratado de chiles en la comunidad de La

Fuente, en el municipio de Tequisquiapan,

Querétaro; una perdida en el mercado muy

considerable y aunado a que dichas actividades

hoy en día se efectúan con las rudimentarias

metodologías tradicionales, los trabajadores se

ven afectados por la falta de ergonomía de

dichas técnicas. Otra problemática que se ve

reflejada es el uso de combustibles que

contaminan el medio ambiente y a su vez cada

día se van agotando.

Recursos y metodologías a utilizar:

- Estudio de mercado previo.

- Encuestas.

- Uso de herramientas estadísticas.

- Entrevistas.

- Recurso literario.

- Recurso investigativo.

Recolección de la información necesaria

Se realizaron investigaciones en

diferentes fuentes de consulta para poder

centrar ideas factibles que puedan hacer que las

problemáticas mencionadas con anterioridad se

reducan y así posteriormente poder empezar

con el diseño previo.

68



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

Se consideró el estado del arte del

proyecto para evaluar prototipos ya establecidos

para retroalimentar más las ideas planteadas.

Recursos y metodologías a utilizar

- Encuestas.

- Recurso literario en formulación de

proyectos.

- Recurso literario en secadores y/o

deshidratadores solares.

- Tesis de proyectos.

- Uso de multimedia, videos y audios.

Búsqueda de soluciones creativas

Respecto a las investigaciones realizadas, se

están observando varias soluciones en la cuales

podrían hacer cumplir con las metas planteadas

en este proyecto y además poder solucionar las

problemáticas que los trabajadores de la

comunidad de La Fuente se están enfrentado,

tales soluciones son las siguiente:

- Reducción del gasto por uso de

energía eléctrica.

- Reducción del gasto por el uso

de combustibles derivados de

petróleo.

- Aumento hasta de un 50% de la

producción del secado y

deshidratado de chiles.

- Eliminando el uso de métodos

tradicionales que solo afectan a

la salud de los usuarios

responsables.


- Herramientas estadísticas

- Diagrama de Pareto

- Diagrama de Ishikawa

- Técnicas de investigación

- Método científico

- Recurso literario

- Webgrafías

- Uso de multimedia, videos y

audios.

- Tesis de proyectos

Pasar de la idea principal al diseño

preliminar.

Para la formulación del proyecto, se

deberá desarrollar el prototipo del deshidratador

solar en software CAD, en este caso se utilizará

AutoCAD® y Trimble SketchUp® de modelado

de piezas y así poder tener una mayor facilidad

en la realización del prototipo.


- Computadora

- Uso de software CAD

- Recurso literario para el fundamento

del diseño asistido por computadora.

69



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

Figura 5 Creación de estructura del DS en 3D,

proyección isométrica.

Figura 6 Estructura del DS en 3D, proyección isométrica

tipo alambre.

Figura 7 Estructura del DS en 3D, proyección isométrica

texturizado.

Figura 8 Estructura del DS en 3D, proyección de planta

texturizado.

Figura 8 Estructura del DS en 3D, proyección frontal

texturizado.

Figura 9 Estructura del DS en 3D, proyección derecha

texturizado.

70



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

Figura 10 Estructura del DS en 3D, proyección izquierda

texturizado.

Figura 11 Estructura del DS en 3D, proyección posterior

texturizado.

Evaluación y selección de la solución

En bases al marco teórico fundamentado se

estableció el diseño, realización e

implementación de un deshidratador solar tipo,

el cual contará con los siguientes aspectos:

- Sistema de control

automatizado.

- Sistema de aislamiento contra

factores climáticos

- Diseño fácil de manipular y

operar.

- Cámara de secado para

almacenar varios kilogramos de

chile y/o alimento.

- Cronometro e indicador para

volteo de chiles.


- Recurso literario en secadores

y/o deshidratadores solares.

- Tesis de proyectos.

- Uso de multimedia, videos y

audios.

- Programa Arduino.

- Computadora.

- Dispositivos electrónicos.

- Dispositivos eléctricos.

- Sensores de magnitudes.

Climáticas y metrológicas.

Preparación de reportes, planos y

especificaciones

Se desarrolló una documentación teórica en la

cual fundamente por medio del método

científico; los principios, objetivos, alcances,

metas, análisis, resultados y conclusiones del

proyecto y así poder implementarlo y poder

empezar a solucionar las problemáticas

mencionadas con anterioridad.También se

especificaron de manera de manual el proceso

de operación del deshidratador solar.


- Computadora

- Paquetería office

71



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

- Recurso literario

- Instrumentos de medición eléctrica y

electrónica.

- Gráficos

- Histogramas

- Climogramas

- Herramientas de calidad.

Implementación del diseño

Teniendo los análisis, resultados del proyecto,

su respectiva valoración y validación, se pasaría

a implementarlo.


- Recurso literario.

- Computadora.

Conclusión

El proyecto se basó en la metodología del

método ingenieril y unificando ciertos pasos del

método para proyectos, se logró acoplar el

diseño del DS a las necesidades, realizándolo

en periodos de tiempo de corto, mediano y

largo plazo. Esto aunado a la agilidad y

flexibilidad del método por prototipos, permitió

realizar una investigación previa, así como el

desarrollo del proyecto en general para cada de

las etapas con las que se trabajó, además de

incluir retroalimentación y una posterior

reingeniería del sistema.

Se debe dejar en claro que las

modificaciones a la metodología solo se han

realizado para el trabajo presente, por la cual

pueden aparecer puntos débiles sobre los cuales

trabajan, estando sujeto a evaluaciones o

modificaciones.

Se pretende que este proyecto se instale

directamente en la comunidad de ‘’La Fuente’’,

capacitando a las personas que van a estar

secando el chile. Cabe señalar que este proyecto

va a cambiar el trabajo de las personas de la

localidad, ya que su producción del secado de

chile va a aumentar y además se va a establecer

el uso de alternativas que ayuden al cuidado del

medio ambiente.

Agradecimiento

Los autores desean externar su agradecimiento

al Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado

de Querétaro, y a la Universidad Tecnológica

de San Juan del Río, por los apoyos brindados

durante el desarrollo del presente proyecto.

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Estudio comparativo de eficiencia térmica de espiral plano vs. espiral cónico en un

colector solar parabólico

ÁVALOS-SÁNCHEZ, Tomás*†, ROBLES-VELÁZQUEZ, Patricia y PRADO-SALAZAR, María.


___________________________________________________________________________________ Resumen

Comparar la eficiencia térmica de dos tipos de focos

receptores de energía radiante concentrada por un

colector solar parabólico. Metodología: se hicieron dos

espirales con 1.3 m de tubo de cobre de 3/8 de diámetro,

a los cuales les fueron controlados flujo de agua de un

solo paso y recirculada haciendo mediciones de

temperatura al agua en el recipiente de retorno y tomado

lecturas cada 5 minutos.Estos espirales fueron colocados

en el punto focal de un colector solar parabólico de 77

cm de Diámetro y concavidad de 6.6 cm. Ambos

mostraron ser muy eficientes en la absorción de calor y la

transmisión del mismo al agua, sin embargo, el que

mostró mayor pérdida de calor fue el cónico, aunque no

estaba expuesto a las corrientes de aire ya que tenía una

cubierta de aluminio.Mientras tanto el espiral plano

mostró mayor uniformidad en el comportamiento de las

temperaturas a pesar de estar expuesto a las corrientes de

aire. La temperatura máxima alcanzada, a un flujo de

0.15 litros/min, fue de 97.5 °C en 30 minutos a partir de

la temperatura inicial. Los flujos más bajos no permitían

hacer una lectura confiable de la temperatura ya que el

agua pasaba a su fase vapor.

Concentrador parabólico, energías renovables,

Energía Solar, Eficiencia térmica, experimentación,

intercambiador solar

Abstract

Compare the thermal efficiency of two kind of heat by

radiant energy concentrated by a parabolic solar

collector. Methodology: became two spirals with 1.3 m

length and diameter 3/8” copper pipe, which were

controlled water flow from one step and recirculated

making temperature measurements to water in container

return and readings taken every 5 minutes. These coils

were placed at the focal point of a parabolic solar

collector of 77 cm in diameter and concavity of 6.6 cm.

both proved to be very efficient in heat absorption and

transmission to the water into itself, which showed

greater heat loss but was the conical, although it wasn't

exposed to air currents and that it had an aluminum

housing. Meanwhile the flat spiral showed greater

uniformity in the behavior of temperatures despite being

exposed to air currents.The maximum temperature

reached, at a flow rate of 0.15 l/min, was 97.5 ° C in 30

minutes from the initial temperature. Lower flows did not

allow to make a reliable temperature reading since the

water was going into its vapor phase

Parabolic concentrator, renewable energy, solar

energy, thermal efficiency, experimentation, solar

heat exchanger

Citación: ÁVALOS-SÁNCHEZ, Tomás, ROBLES-VELÁZQUEZ, Patricia y PRADO-SALAZAR, María. Estudio

comparativo de eficiencia térmica de espiral plano vs. espiral cónico en un colector solar parabólico. Revista de Sistemas

Experimentales 2016, 3-9: 73-77




74



ISSN-2410-3950


ÁVALOS-SÁNCHEZ, Tomás, ROBLES-VELÁZQUEZ, Patricia y

PRADO-SALAZAR, María. Estudio comparativo de eficiencia térmica

de espiral plano vs. espiral cónico en un colector solar parabólico.

Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

La energía solar es la energía renovable, por lo

menos en los próximos 5 mil millones de años,

más abundante en la naturaleza de nuestro

sistema solar; por lo tanto, se aborda unas de las

maneras en que se puede canalizar para su

aprovechamiento, como lo son los colectores

solares parabólicos. A lo largo de la historia,

este tipo de energía ha sido utilizada para muy

variados usos y uno de ellos es para integrarla a

procesos industriales como en la recuperación

del agua de las aguas residuales.

Se compararón dos espirales diseñados y

elaborados, cada uno con sus propias variables,

con la finalidad de ser utilizados como

absorbedores de la radiación solar, teniendo

como propósito el comprobar la eficiencia

térmica de cada uno al someterlos a pruebas de

calentamiento de agua y con la obtención de

agua tratada para uso sanitario

Los colectores solares son estructuras

diseñadas para captar los rayos del sol con el

objetivo de transformarlos en energía térmica

para de esta manera elevar la temperatura de un

fluido, o bien la conversión a energía mecánica

y mediante algún motor a su vez transformarla

en energía eléctrica.

Históricamente el aprovechamiento de la

energía solar se ha dado de manera importante,

comenzó con el desarrollo de un método

empleado por Arquímedes en el año 212 A.C.

aproximadamente, utilizó los concentradores

solares para quemar las naves romanas

mediante el uso de un gran espejo cóncavo

Utilizar concentradores solares con

sistemas eficientes de absorción y transmisión

de esa energía en la recuperación de fluidos o

de calentamiento de agua para uso industrial o

doméstico a bajo costo será una valiosa

aportación para mitigar los efectos de la

contaminación ambiental y de los altos costos

de los combustibles fósiles.

Utilizando 1.3 m tubo de cobre de 3/8” se

formaron dos espirales, uno plano, Fig 1,

Explicar con claridad el problema a solucionar

y la hipótesis central.

Desarrollo de Secciones y Apartados del

Artículo con numeración subsecuente

Hipótesis

En la comparación acerca de la eficiencia

térmica entre un espiral plano y un espiral

cónico, se conjetura que el espiral cónico

captará de una manera más eficaz el calor que

incide en el absorbedor, puesto que los anillos

exteriores del espiral al momento de

encontrarse más cercanos a la parabólica

absorben el calor al tiempo que lo transmiten al

liquido por conducción, de esta manera cuando

el liquido llega a la zona de concentración de

calor su temperatura es mayor a la del

ambiente, disminuyendo el tiempo requerido

para calentar el agua, si a este sistema le

añadimos un aislamiento térmico y un sistema

de recirculación del agua que se obtiene a la

salida del espiral, tendremos un conductor de

mayor rendimiento.

Metodología

Se dividió en etapas: Cálculo de distancia focal,

medición de flujo, medición de temperatura.

75



ISSN-2410-3950






Cálculo de la distancia focal

Se utilizó una antena parabólica de acero la cual

se pulió y envió a cromar para tener un

terminado espejo, Fig. 3. Esta ya tenía

establecido un punto de inserción de receptor de

señal, sin embargo, se debía calcular para

confirmar que era la correcta para los efectos de

la instalación de los espirales a probar.

Previamente se midió la distancia entre el

espiral y el concentrador llamándola distancia

real que fue de 54.4cm.

Se realizó el cálculo de la distancia

adecuada que debería existir entre el plato y el

absorbedor (espiral) con la siguiente ecuación:

Donde: f = Distancia focal.

D = Diámetro del plato.

C = Profundidad o concavidad del plato.

Realizando las mediciones requeridas

para la ecuación se obtiene:

C= 6.6cm

D= 77cm

Los espirales fueron colocados a la

distancia focal calculada y en ella fue donde

hicieron las corridas de prueba.

Determinación de flujo

Se utilizó un recipiente con un volumen de agua

aproximado de 10L, en dicho recipiente se

instaló la bomba de recirculación conectada a

las dos mangueras, una conectada al sistema y

la otra que es la de retorno después de pasar por

el sistema.

Se calibraron las válvulas y se

detrminaron las posiciones de las mismas para

obtener los flujos a los que se harían las

corridas.

Determinación de Temperatura

Se hiceron las lecturas de temperatura con

termómetro de mercurio de -10 a 110 °C con

sensibilidad de 1°C. Se instaló un termómetro

en el recipiente y otro en la salida de la

manguera de retorno del agua.

Variables:

Flujo: 0.2 l/min, 0.15 l/min y 0.1l/min con y sin

recirculación de agua al mismo recipiente.

Espirales: 2

Lecturas: 6, una cada 5 minutos

Corridas totales: 72

Se ajustó la posición del punto focal

calculado, se colocó en la orientación, con

respecto al sol, requerida dependiendo del

espiral y la posición a evaluar.

El agua comenzó a fluir a través del

espiral y al llegar a la salida el termómetro

digital marcó las mediciones obtenidas del

agua.

Se tomaron las lecturas marcadas a

intervalos de tiempo cronometrando cada 5min

hasta llegar a 30min.

Se tomó la temperatura final alcanzada en el

recipiente.

Para comenzar un nuevo ciclo de

mediciones se volvió a llenar el recipiente con

agua a temperatura ambiente.

Una vez obtenidos los datos se hizo el

vaciado y se generaron las tablas y gráficas

correspondientes.

𝑓 = 𝐷2/(16 ∗ 𝐶)

𝑓 = (77)2/(16 ∗6.6)

𝑓 = 56.14𝑐𝑚

76



ISSN-2410-3950






Resultados

Las mediciones de temperatura a los distintos

flujos dieron como resultado que el espiral

plano de cobre, tuvo un comportamiento más

uniforme con respecto al cónico. Las

variaciones de temperatura, hacia a la baja,

fueron mínimas en las mismas condiciones

climatológicas en comparación con el espiral

cónico, aun cuando este estaba protegido del

viento con una barrera de aluminio. Ver

gráficas 1 a 10

En el espiral plano, la temperatura

máxima alcanzada del agua a la salida de la

manguera de retorno fue de 97.5 a un flujo de

0.1 l/min, ver Gráfica 5, esto recirculando el

agua al mismo recipiente, lo que fue

aumentando la temperatura del agua de entrada

paulatinamente. A las mismas condiciones no

se pudo medir con el espiral cónico. Sin

embargo con este último a un flujo de 0.2 l/min

y sin recirculación se obtuvo una temperatura

de 54.9 °C. Ver Gráfica 10. A un flujo de 0.15

l/min con las mismas condiciones climáticas, el

espiral plano se mostró más eficiente ya que

alcanzó una temperatura de 72.6°C vs. 32.9°C.

Ver Gráfica 8.

Anexos

Figura 1 Espiralde tubo de cobre, Plano

Figura 2 Espiral de tubo de cobre en forma de cono

Figura 3 Concentrador parabólico terminado espejo.

Agradecimientos

El presente trabajo se llevóa cabo en las

instalaciones de la Universidad Tecnológica de

Jalisco recibiendo apoyo de la misma para su

realización por lo cual hacemos llegar nuestro

agradecimiento.

Conclusiones

La condición de recirculación de agua resultó

ser la más recomendable para alcanzar las

mejores temperaturas en el agua. El espiral

parabólico con protección no fue la mejor

opción lo que mostró que la hipótesis planteada

fue negativa.

77



ISSN-2410-3950






La opción de colector parabólico de

radiación solar está sometida a demasiadas

variables climáticas que no permiten tener un

comportamiento constante todo el año, sin

embargo, sigue siendo una muy buena opción

cuando se quieren alcanzar temperaturas

extremas. Tan solo en este sistema se hizo la

medición con termopar en el punto focal y se

alcanzaron 970°C. de forma empírica se colocó

un tubo de ensaye de vidrio Pyrex con agua en

el punto focal e instantáneamente el agua

comenzó a hervir el tubo a fundirse. Hacen

faltan más pruebas y nuevos diseños de

captadores de radiación solar.

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78



Purificación de biodiesel con agua y silicato de magnesio

ANDRADE-DURÁN, Juan*†, CASTILLO-TELLEZ, Margarita, OVANDO-SIERRA, Juan y

CASTILLO-TELLEZ, Beatriz.


___________________________________________________________________________________ Resumen

Actualmente es uno de los problemas que presenta la

producción de biodiesel - la purificación -, la forma

más común y mayormente utilizada es el lavado con

agua, pero actualmente hay un considerable interés en la

purificación con otros materiales sólidos como el silicato

de magnesio sintético que es un absorbente eficaz para

eliminar impurezas. Los dos métodos comentados han

sido probados en condiciones similares de temperatura,

tiempo y concentración de reactivos, con esta

comparación se pudieron encontrar los mejores

resultados. Se encontró que es muy importante eliminar

el metanol sobrante para evitar la saturación del

absorbente. El análisis concluyo que los residuos de

glicerol y contenido de jabón en los dos procesos son

similares y lo suficientemente eficientes y no se

encontraron muchas diferencias, los requisitos de pureza

y análisis del biodiesel fueron en base a la norma

americana ASTM D6751. El biodiesel es un combustible

elaborado a partir de aceites vegetales y/o grasas

animales tratados mediante un proceso llamado

transesterificación que tiene como resultado una

reducción importante de su viscosidad. Este combustible

ha demostrado ser utilizable en cualquier motor diésel y

puede ser tratado de la misma manera que el diésel de

petróleo.

Transesterificación, Biodiésel, Aceite Vegetal,

Purificación

Abstract

Actually it is one of the problems in the biodiesel

production - the purification - the most common and

mostly used is water washing, but currently there is

considerable interest in the purification with other solid

materials such as synthetic magnesium silicate, which is

an effective absorbent to remove impurities. The two

methods discussed have been tested in similar

temperature conditions, time and concentration of

reactants; this comparison could be found the best results.

Found that it is very important to remove the remaining

methanol to avoid saturation of the absorbent. The

analysis concluded that residues of glycerol and soap

content in the two processes are similar and efficient

enough and did not find many differences; the purity

requirements and analysis of biodiesel were based on the

American standard ASTM D6751. Biodiesel is a fuel

made from vegetable oils and / or animal fats treated by a

process called transesterification results in a significant

reduction in viscosity. This fuel has proved usable in any

diesel engine and can be treated in the same way that the

diesel oil.

Transesterification, Biodisel vegetable Oil,

Purification

Citación: ANDRADE-DURÁN, Juan, CASTILLO-TELLEZ, Margarita, OVANDO-SIERRA, Juan y CASTILLO-

TELLEZ, Beatriz. Purificación de biodiesel con agua y silicato de magnesio. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-9:

78-87




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ISSN-2410-3950

ECORFAN® Todos losdeechos reservados ANDRADE-DURÁN, Juan, CASTILLO-TELLEZ, Margarita,

OVANDO-SIERRA, Juan y CASTILLO-TELLEZ, Beatriz. Purificación

de biodiesel con agua y silicato de magnesio. Revista de Sistemas

Experimentales 2016,

Introducción

El precio al alza del barril de petróleo por la

demanda mundial de combustibles, no limita

totalmente su consumo y aumenta las

preocupaciones ambientales sobre la

contaminación procedente de los gases de

combustión de los motores de combustión. La

forma más viable para resolver estos problemas

es mediante el uso de combustibles alternativos.

Entre los combustibles alternativos, los

biocombustibles se definen como combustibles

líquidos o gaseosos para el sector del transporte

que son en su mayoría producidos a partir de

biomasa. El biodiesel es un biocombustible, que

se define como un combustible compuesto de

mono-alquil ésteres de ácidos grasos de cadena

larga elaborado a partir de aceites vegetales y/o

grasas animales, tratados mediante un proceso

llamado transesterificación, que tiene como

resultado una reducción importante de su

viscosidad, y que ha demostrado ser utilizable

en cualquier motor diesel y puede ser tratado de

la misma manera que el diésel de petróleo.

Producción de Biodiesel

El proceso más fiable, económico y común para

producir el biodiesel es la transesterificación. El

proceso de transesterificación es el que se

utiliza actualmente para la producción de

biodiesel; consiste en remover el glicerol de los

triglicéridos contenidos en el aceite y

reemplazarlos por los radicales del alcohol

usado en el proceso de conversión, con lo que

se reduce la viscosidad manteniendo el número

de cetanos así como el valor calorífico, además

reduce el punto de ebullición del aceite y su

punto de ignición (flash point). El metanol es

el alcohol más común debido a su bajo precio

en comparación con otros alcoholes y las

ventajas físicas y químicas (compuesto polar,

alcohol de cadena corta etc.), aunque también

se utiliza el etanol.

En el caso del metanol, la reacción se

conoce como metanólisis. La estequiometria de

la reacción metanólisis requiere 3 moles de

metanol y 1 mol de triglicéridos para dar 3

moles de éster metílico de ácidos grasos y 1

mol de glicerol. Esta reacción, a su vez, consta

de tres reacciones consecutivas reversibles con

formación intermedia de diglicéridos y

monoglicéridos Tabla 1. Después de la

reacción, el glicerol se separa por decantación o

centrifugación y la capa obtenida se purificada

y se utiliza en aplicaciones tradicionales (la

farmacéutica, cosmética 90% de pureza) o en

sus aplicaciones mas recientemente (alimentos

para animales, materias primas de carbono en

las fermentaciones, en polímeros y lubricantes).

La fase de biodiesel también es purificada

(contiene pequeñas cantidades de metanol,

catalizador y agua) antes de ser usado como

combustible diesel con el fin de cumplir con la

norma ASTM D6751.

Tabla 1 Reacciones en la producción de Biodiésel.

De las ventajas de este bio-combustible,

una es que las materias primas utilizadas para

su producción son naturales y renovables.

Todos los tipos de aceites proceden de

vegetales o grasas animales (refinados, crudo,

aceites reciclados de cocina y grasas de frituras)

por lo que es biodegradable y no tóxico, el

biodiesel se degrada aproximadamente cuatro

veces más rápido que el diésel proveniente del

petróleo; en 28 días el biodiesel contenido en

agua se degrada de un 85 a un 88%.

80



ISSN-2410-3950





Hay diferentes tipos de catalizador: ácido

básico, resina de intercambio iónico, enzimas y

fluidos supercríticos. Sin embargo, los

catalizadores básicos (NaOH, KOH) son los

más comúnmente utilizados en la industria, ya

que el proceso resulta más rápido y las

condiciones de reacción son moderadas y la

reacción se puede realizar de dos formas:

continua y discontinua (por lotes) en diferentes

capacidades.

Hay varias ventajas en el uso de

biodiesel: renovable, biodegradable; reducción

de las emisiones de efecto invernadero;

contiene poco azufre o no, se mezcla en

cualquier proporción con diesel de petróleo, sin

modificaciones necesarias en el motor; bajas

emisiones de CO, partículas suspendidas; y

tiene beneficios ambientales.

Tiene algunas desventajas también: punto

de congelación alto (entre 0 y -4 ° C),

obstrucción del filtro (debido al poder

disolvente), menor capacidad de energía que el

diésel de petróleo y tiene problemas de

almacenamiento (debido a que es

biodegradable) soporta solo 3 meses.

El glicerol es suprimido en gran parte por

la separación por gravedad o centrifugación y el

metanol en algunos casos puede ser recuperado

por evaporación flash. El proceso no es 100%

eficiente por lo tanto la etapa final la

“purificación” es necesaria para cumplir con los

requisitos de la norma ASTM D6751.

Tipos de purificación

El combustible no se puede llamar biodiesel

hasta que supere las especificaciones de la

norma ASTM D 6751. Por lo tanto, la etapa de

purificación es esencial. El biodiesel no tratado

contiene impurezas como: glicerina libre,

jabones, metales, metanol, ácidos grasos libres,

agua del catalizador, y de glicéridos.

La vida útil del motor puede ser reducido

por los altos niveles de impurezas. La Tabla 2

muestra el efecto de cada impureza.

Tabla 2 Efectos de las impurezas del biodiésel en los

motores.

Hay dos métodos generalmente aceptados

para purificar biodiesel: húmeda y seca. El más

tradicional método es el de lavado húmedo y es

ampliamente utilizado para eliminar los

contaminantes y el exceso de producción de

sustancias químicas sobrantes del biodiesel. Sin

embargo, la inclusión de agua adicional para el

proceso ofrece muchas desventajas, incluyendo

aumento en el costo y tiempo de producción. El

lavado en seco reemplaza el agua con una

resina de intercambio iónico, bentonita, gel de

sílice o polvo de silicato de magnesio (como en

este caso) para neutralizar las impurezas. Estos

métodos de lavado en seco se utilizan en

plantas industriales.

Se conoce desde hace algún tiempo que

es posible cumplir con las especificaciones

lavando solo con agua caliente, pero esta

técnica da lugar a algunas desventajas. Una alta

contaminación en los efluentes líquidos se

genera como se muestra en la Tabla 3. La

pérdida significativa del producto puede ser

llevado a cabo para la retención en la fase

acuosa. Por otra parte, la formación de

emulsiones en el tratamiento de los aceites

usados de cocina o de otros aceites con alto

contenido de ácidos grasos libres puede ocurrir

debido a la formación de jabón.

81



ISSN-2410-3950





Tabla 3 Caracterización del afluente procedente de la

purificación de lavado con agua.

a Total de solidos suspendidos.

b Solidos suspendidos minerales.

c Demanda química de oxígeno.

Hay tres procesos comerciales

alternativos que están siendo estudiados, la

arcilla bentonita, resina de intercambio iónico y

silicato de magnesio. Estos procesos tienen la

ventaja de estar sin agua, lo que elimina

muchos de los problemas expuestos

anteriormente, pero, a excepción de algunos

materiales de publicidad bastante incompleta

poco se sabe realmente acerca de su

desempeño, para nuestro caso se realiza la

comparación utilizando silicato de magnesio

sintético.

Dado que tanto la glicerina y el metanol

son muy solubles en agua, lavar con agua es

muy eficaz en la eliminación de los

contaminantes y, hasta hace poco era el método

más común de purificación. También tiene la

ventaja de eliminar las sales de sodio residual y

jabones, debido a su solubilidad en agua. Pero

como se mencionó anteriormente el lavado con

agua tiene sus desventajas.

El uso de polvo muy fino de silicato de

magnesio (Magnesol) es promovido en los

EE.UU. y México por la Corporación The

Dallas Group of America, Inc.

Este material tiene una función puramente

adsorbente de los residuos no deseados del

biodiesel y el material usado ha pasado a ser

utilizado en otras otras aplicaciones (abono,

combustible y como aditivo en comida de

animales).

Objetivos

El principal objetivo ha sido analizar la eficacia

de la eliminación de metanol, agua, glicerol y

sulfatos, de los dos métodos estudiados

(purificación de biodiesel con agua y Silicato de

Magnesio sintético) en una variedad de

condiciones y combinaciones, aunque las

condiciones se han mantenido lo más cercano

posible a la práctica de explotación del

combustible. Los objetivos secundarios

incluyen la eficiencia de remoción de jabón, el

efecto de los procesos de FFA final y

estabilidad a la oxidación. En el caso del

proceso de purificación con silicato de

magnesio sintético se intenta hacer que se vean

la capacidad del absorbente, que es vital para

comparar la economía relativa de los procesos

en una posible aplicación industrial.

82



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Materiales Experimental

En este trabajo se analiza el funcionamiento de

Silicato de magnesio sintético (purificación

seca) contra el agua(purificación húmeda), para

encontrar la purificación optima del

combustible, se realizaron 5 experimentos de 27

muestras de 5 ml cada una; en total se

elaboraron 135 muestras de los cuales se

escogieron 45 al azar (9 de cada tipo), se utilizó

un solo tipo de aceite como materia prima

(aceite de cocina reciclado) pero de dos fuentes

distintas, cuyas características y condiciones

para convertirlo a biodiesel ya han sido

probadas con anterioridad en el Instituto de

Energías Renovables (IER-UNAM), los

experimentos se realizaron para determinar las

condiciones óptimas para el proceso de

conversión, usando una combinación de las tres

variables de un experimento anterior

(temperatura, porcentaje de alcohol y tiempo), y

dos más para la purificación agua (número de

lavados) y silicato de magnesio (porcentaje de

silicato de magnesio sintético), las muestras se

tomaron inmediatamente después de decantar

en el cono por gravedad la glicerina, el

metóxido de sodio se utiliza como catalizador.

La Tabla 4 muestra una comparación de los

parámetros con respecto a la norma del

combustible obtenido en la planta piloto de

Biodiesel del IER-UNAM. Aunque ninguna de

las muestras cumple totalmente con el

contenido de éster metílico en la Norma, este

biodiésel se han utilizado en el proceso de

purificación con el fin de estudiar la remoción

de impurezas, se utilizó agua de grifo y

desionizada, así como un tamaño de partícula

de 80µm del silicato de magnesio sintético. Los

químicos y normas para el análisis fueron

adquiridos a Sigma-Aldrich.

.

Tabla 4 Parámetros de composición.

Experimentos con Silicato de Magnesio

El trabajo se llevó a cabo en tubos de ensaye

con muestra de 5 ml provistos de un agitador de

velocidad variable, dos de las muestras se

sumerge en un lote de agua. El tiempo estándar

de la purificación fue de 10 minutos, pero las

muestras se tomaron a los 5 y 7 minutos. La

separación del producto final fue por

centrifugación, ya que no es muy recomendable

filtrar las muestras pequeñas.

Los experimentos se llevaron a cabo a

temperatura ambiente y en concentraciones

(w/w) de Magnesol: 0.5, 1, 2, 3 y 1%

combinado con lavado, según lo sugerido por el

proveedor. Todos los experimentos se

realizaron en ambas materias primas. Solo

nueve muestras de cada experimento se

analizaron. Las muestras fueron analizadas para

el metanol y el glicerol libre mediante técnicas

de GC, tomando en cuenta que debido al

tamaño de la muestra son las técnicas

recomendadas. El contenido de agua se midió

por el método de Karl-Fischer en cada muestra

al igual que la acidez, contenido de jabones, y

mono, di-y triglicéridos.

83



ISSN-2410-3950





Considerando que Magnesol es

higroscópico una vez que el empaque se abrió

se tuvo cuidado de volver a sellar tan

firmemente como sea posible. El material para

su uso inmediato fue puesto en recipientes

herméticos de plástico y para algunos

experimentos fue secado en el horno a una

temperatura cercana a los 100 ° C para

maximizar su efectividad. Debido a la

naturaleza muy fina del polvo Magnesol se

utiliza una mascarilla en su manipulación.

Experimentos con agua

El agua para el lavado utilizada es de dos tipos:

agua desionizada, y de grifo de la ciudad. La

tabla 5 muestra las propiedades del agua de la

ciudad de Temixco Mexico. Se efectuó el

lavado a temperatura de 65 °C. Tres relaciones

agua (números de lavados) y dos velocidades de

agitación. Una vez más todos los experimentos

se realizaron en ambas materias primas.

El trabajo utiliza el mismo procedimiento

utilizado con el Magnesol con el tamaño de

muestra de 5 mL. El tiempo estándar de lavado

fue de 10 minutos, pero las muestras se tomarán

a los 5 y 7 minutos. La separación del producto

final fue por gravedad de la solución durante 30

minutos, pero fue necesario centrifugar la

muestra. El análisis fue el mismo que para el

utilizado con el Magnesol, nueve análisis de

cada experimento, Tabla 6.

Tabla 5 Propiedades del agua de grifo (Temixco, Mex.)

.

Tabla 6 Experimentos con magnesol.

Métodos de Análisis

Un sistema automático de inyección “cool on

column” en un cromatógrafo de gases (Trace

CG ultra de la marca Thermo Finnigan

Corporation) fue utilizado para la

determinación de los mono- di-y triglicéridos y

glicerol libre, de conformidad con la norma

Americana ASTM D6584). Una columna

capilar de GC (30 m × 0,25 mm de diámetro x

0,25 micras) acoplado a un detector de

espectrometría de masas de 250 ° C, y helio

como gas acarreador a 1 ml / min. El análisis de

biodiésel para cada muestra se llevó a cabo por

sylating, se disolvieron 100 µl de muestra de

biodiesel en 0.8 ml de heptano y se inyecto 1µl

de esta solución en GC. Dos patrones internos

se utilizan, uno para el glicerol y otro para los

glicéridos. Los monoglicéridos (MG),

diglicéridos (DG), triglicéridos (TG) y el

contenido de glicerol libre se expresaron como

porcentaje en peso (% (m / m)). El instrumento

se calibró usando glicerol, monoolein, diolein y

trioleína en soluciones de n-heptano, de

conformidad con la norma D6584.

El metanol se determinó usando

igualmente el Trace CG ultra Thermo Finnigan

utilizando el método de inyección manual, de

conformidad con la norma ASTM D6751, con

2-propanol como patrón interno. El contenido

de agua se determinó por el método Karl-

Fischer (ISO 12937) y el índice de acidez se

determinó por titulación con hidróxido de

potasio, de conformidad con la norma ASTM

D664

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El índice de estabilidad a la oxidación

(OSI) se determinó siguiendo el método de

"Rancimat" de conformidad con la norma

ASTM D2274. El contenido de jabón se

determinará de acuerdo con el método de

"Biodiesel Analytical Methods"

Resultados y discusión

Magnesol

El Magnesol no tiene un efecto significativo en

los glicéridos y en la OSI, a diferencia de otros

métodos secos como son la arcilla bentonita o

el intercambio iónico, el efecto sobre el

contenido de metanol es menos relevante; la

eliminación del metanol a podría ser debido a

las pérdidas por evaporación a temperaturas

superiores a 65 ° C y no al Magnesol. Es

interesante observar el Magnesol seco tiene un

efecto ligeramente mejor al que no ha sido

secado para la eliminación de metanol

excedente, la razón es que absorbe más.

Ninguno de los experimentos disminuyo el

contenido de metanol por debajo del límite

máximo de la norma ASTM D6751, pero los

mejores resultados se alcanzan con la

concentración de Magnesol máxima y con las

combinaciones con lavados a 65 ° C, como se

muestra en la Gráfico 1.

Gráfico 1 Evolución de contenido de metanol vs L

Biodiésel/kg resina.

No hay diferencias significativas entre el

uso de Magnesol seco o no seco en la

eliminación de glicerol libre y jabón de los dos

tipos de biodiesel. Con la excepción de los

experimentos con 0,5% (w / w) de

concentración Magnesol, todos los

experimentos eliminan en forma satisfactoria el

contenido de glicerol en 10 minutos de

reacción. Lo mismo sucede en la eliminación de

jabón. La reducción en los valores de jabón es

menor que el alcanzado por otros medios de

purificación seca (resinas de intercambio

iónico, bentonita y gel de sílice). También

parece tener un efecto pequeño en el valor

ácido. Estos resultados se pueden observar en la

Tabla 7.

Tabla 7 Combustible (Magnesol) caracterizado ASTM

D6751.

Los resultados muestran que puede llevar

los niveles de glicerol por debajo de lo exigido

por la norma ASTM D6751 y puede producir

reducciones grandes en el contenido de jabón,

pero no tienen éxito en la eliminación de

metanol suficiente para satisfacer la norma.

Gráfico 2 Evolución de contenido de jabones vs.

Tiempo de purificación del Biodiésel con magnesol a

temperatura ambiente.

85



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El gráfico 2 y 3 se muestran el

comportamiento, la evolución del jabón y el

contenido de glicerol del trabajo del Magnesol.

Por lo menos el 1% (w/w) es necesario con un

tiempo de contacto de 10 minutos, pero parece

que hay poca ventaja en pre-secar el material o

de la operación por encima de la temperatura

ambiente. El contenido ligeramente mayor en

algunas muestras de glicerol se debe a que las

pruebas incluyeron menos de 0.5% (w/w) de

Magnesol.

Gráfico 3 Evolución del contenido de glicerina vs

Tiempo de purificación del Biodiésel con magnesol a

temperatura ambiente.

Lavado con agua

El lavado con agua es el único proceso que ha

reducido los niveles de metanol y glicerol libre

hasta las exigidas por la norma ASTM D6751.

Al igual que con el Magnesol, tiene efecto

parecidos sobre los diferentes glicéridos. La

Tabla 8 muestra la caracterización del

combustible lavado con agua.

Tabla 8 Caracterización de las muestras lavadas con

agua de la ciudad.

La eliminación de metanol se ve afectada

por la temperatura, debido probablemente a la

solubilidad reducida del metanol en agua, pero

es suficiente para cumplir con la norma ASTM

D6751, no hay gran beneficio en el uso del

agua desionizada y la agitación cada vez mayor

también tuvo poco efecto. La eliminación del

jabón fue influenciado en cierta medida por el

grado de agitación. En la eficiencia general de

eliminación de jabón estaba significativamente

mejor que con el Magnesol. En la mayoría de

los casos, la eliminación de glicerol por lavado

con agua se completa en 10 minutos en todos

los experimentos con la excepción del agua a

una proporción de 1:0.5 que ni dando más

tiempo logra el límite máximo de la norma

ASTM D6751 y se puede observar en la figura.

4 y la figura. 5. Los resultados muestran que la

temperatura no tiene una influencia importante

sobre la eliminación de glicerol lavado con

agua. Algo similar ocurre con la velocidad de

agitación biodiesel/agua. Así, las mejores

condiciones generales para el agua de lavado

son las condiciones más económicas:

temperatura ambiente, agua de la ciudad, 300

rpm y la relación biodiesel/agua de 1:2.

Gráfico 4 Evolución del contenido de glicerina vs.

Tiempo de purificación del Biodiésel lavado con agua a

temperatura ambiente y 500 rpm.

86



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Gráfico 5 Evolución del contenido de glicerina vs.

Tiempo de purificación del Biodiésel lavado con agua

ionizada a temperatura ambiente.

Conclusiones

Independientemente que los dos tipos de

materia prima nos dan dos combustibles

ligeramente diferentes, los procesos de

purificación han obtenido resultados similares.

De esta manera, estos tratamientos se pueden

probar en cualquier proceso de producción de

biodiesel, el estudio demuestra que es vital

eliminar la mayor cantidad de glicerol en la

etapa de separación primaria (sedimentación o

centrifugación) y que el metanol debe ser

retirado por evaporación flash o un proceso

similar.

Sólo el lavado con agua ha purificado el

biodiesel directamente de la separación del

glicerol, y cumplido con los requisitos de la

norma ASTM D6751. Pero tiene algunas

desventajas como: el abastecimiento, costo,

emulsiones, tratamiento de aguas residuales y el

secado del producto final.

El proceso de Magnesol ha tenido un

buen efecto sobre el contenido de metanol de

las muestras, pero ninguno de los experimentos

cumplió con el límite de la norma ASTM

D6751.Por lo menos el 2% (w/w) es necesario

con un tiempo de contacto de 10 minutos para

disminuir el contenido de glicerol y jabón.

Se observó una mejora cuando se pre-

seco el Magnesol o se operó a una temperatura

mayor de 65°C. Solo se logró cumplir con la

norma cuando se combinaron ambos procesos

(lavado con agua y Magnesol). Ninguno de los

procesos tiene un efecto significativo en el

índice de acidez, el OSI, glicéridos o contenido

de agua.

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Caracterización de un colector solar de tubos evacuados y de flujo continuo para

aplicaciones industriales

LEMUS-HERNÁNDEZ, Julio†, MONTER-ARREGUIN, Samuel y CASTAÑEDA-OLIVARES, Felipe


___________________________________________________________________________________________________

Resumen

Este trabajo describe la caracterización de un

sistema colector solar de tubos evacuados y de flujo

continuo que utiliza LabView como interface y

puntas de termopar como sensores de temperatura

para las condiciones climáticas de San Juan del Río,

Querétaro, México. Se determinaron las ∆T y

eficiencias térmicas del Sistema y sus posibles

aplicaciones. Los resultados experimentales fueron

comparados con los obtenidos mediante una

simulación numérica. Se obtuvieron mejores

resultados de eficiencia para el arreglo en paralelo.

En la actualidad continúa la tendencia de

diversificar las fuentes de energías para procesos

industriales y las energías renovables están tomando

un papel cada vez más importante en el mediano

plazo. El sistema que se propone permite bombear

un fluido a través de un sistema colector para

proveer de energía suplementaria al proceso

industrial.

Energía Solar, Transferencia de calor por

radiación, eficiencia energética

Abstract

The characterization of a solar collector with

evacuated tubes and continuous flow water heating,

was measured by thermocouples and LabView

interface data acquisition is presented. Weather

conditions for San Juan del Río, Querétaro, México.

∆T and the system efficiency is obtained and its

possible applications are considered. The

experimental results were compared with a

numerical solution. The best results were obtained

by parallel system. A trend in renewable energy is

diversification of sources and it may have good

prospects in the medium term, as the flow through

pumps hot fluid can be exploited to a greater

distance in an industrial process and provide

supplemental energy form for industrial processes.

Solar energy, radiation heat transfer, energy

efficiency

Citación: LEMUS-HERNÁNDEZ, Julio, MONTER-ARREGUIN, Samuel y CASTAÑEDA-OLIVARES, Felipe. Caracterización de un colector solar de tubos evacuados y de flujo continuo para aplicaciones industriales.Revista de

Sistemas Experimentales 2016, 3-9: 88-97




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ISSN-2410-3950

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LEMUS-HERNÁNDEZ, Julio, MONTER-ARREGUIN y Samuel, CASTAÑEDA-OLIVARES, Felipe. Caracterización de un colector solar

de tubos evacuados y de flujo continuo para aplicaciones

industriales.Revista de Sistemas Experimentales 2016.

Introducción

Los colectores solares de tubos evacuados

representan en la actualidad una alternativa de

calentamiento de agua muy importante. Se han

realizado muchas investigaciones alrededor del

mundo tratando de optimizar éste y otros

mecanismos de captación de energía solar. Es

sabido que la irradiancia del sol varía

dependiendo de factores como las condiciones

atmosféricas y ambientales de la zona o lugar,

la situación geográfica, la época del año y la

situación de la Tierra respecto al Sol. (Roldán

Viloria, 2012)

Los principales aparatos que se usan con

la energía solar térmica son los calentadores de

agua y las estufas solares. Los colectores

solares, tanques de almacenamiento y fluidos de

transferencia de calor son los tres componentes

básicos en aplicaciones de calentadores de agua

solares. (Jamar, Majid, Azmi, Norhafana, &

Razak, 2016). Para llevar a cabo el estudio

realizado se documentaron las últimas

investigaciones realizadas y sus vertientes.

En los sistemas de colección de tubos

evacuados (ETCs) se ha demostrado que la

combinación de una superficie selectiva y un

espacio evacuado dan como resultado un

desempeño excelente para la colección de

energía solar a altas temperaturas. El vacío

reduce las pérdidas de calor por conducción y

convección al ambiente. Su geometría permite

lograr excelentes niveles de colección en

ángulos de incidencia bajos. (Kalogirou, 2009)

Las variables en el diseño de un colector solar

de tubos evacuados se concentran en los

siguientes aspectos:

a) La geometría y arreglos del colector solar.

Uno de los principales temas estudiados es el

efecto de la relación de aspecto del tubo

(relación longitud-diámetro) sobre la eficiencia

de la temperatura del agua en el tubo de vidrio

evacuado.

Los resultados muestran que la relación

longitud-diámetro tiene un efecto significativo

en la eficiencia de este tipo de calentadores

solares de agua. A mayor relación longitud-

diámetro, menor es la eficiencia de ellos.

(Yekta, Veysi, & Shojaeizadeh, 2015). El uso

de software con simulaciones numéricas se ha

ocupado en la identificación de formas para

mejorar la eficiencia de los colectores solares y

poder ser utilizado para la optimización de las

configuraciones geométricas según Min Thant,

Myat Soe, & Maw Htay en 2015.

Opciones como el uso de una serie de

tubos inclinados conectados a un tanque de

cabecera, o dos filas de tubos horizontales en

cada lado de un colector central fueron

evaluadas por Thomas en 2015. Encontrando

mejores resultados para el arreglo en paralelo

del sistema.

Existe una tecnología denominada Heat

Pipe, que consiste en el uso de dos materiales

de transferencia de calor. Esta tecnología se

utiliza principalmente para la generación de

agua caliente con una mayor eficiencia, menos

pérdida de calor y menos fricción. (Parmar &

Bhojak, 2016). Li y colaboradores (2016)

diseñaron un nuevo tubo al vacío con micro-

canales, que da algunas ventajas como las altas

temperaturas y una baja pérdida de calor.

Recientemente se han escrito varios

reviews que evalúan todas las tecnologías

disponibles como la de los colectores de placa

plana, de tipo parabólico, tubos de vacío,

parabólica comedero, lente de Fresnel, antena

parabólica y Helióstato colector de campo

(HFC). Se encontró que el colector plano es el

más adecuado debido a la mayor eficiencia y

economía en el sistema de calentador de agua

solar. (Patil & Deshmukh, 2016) (Patil,

Deshmukh, & Paul, A Review on Different

Collectors Performance, 2016). La misma idea

pero trabajada en SolidWorks fue realizada por

Bellos y colaboradores en 2015.

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La modelación de sistemas de colectores

solares se ha realizado también con tubos en

“U”, logrando elevar los coeficientes de

transferencia de calor y por lo tanto la

capacidad de absorción de energía térmica.

(Kiran Naik, Varshney, Muthukumar, &

Somayaji, 2015). El uso de aletas arroja que su

orientación no influye en la temperatura

alcanzada por el fluido usando tubos de cobre,

sin embargo reduce los tiempos de espera para

ello. (Krumholz, Agavo, & Dundon, 2016)

(Mishra, 2015)

b) El tipo de arreglo de flujo

Cambios en el caudal y su efecto han

sido reportados por la Universidad Aleksandras

Stulginskis en 2015, donde el aumento de la

velocidad del caudal en el sistema ha reducido

las pérdidas de calor en la tubería, pero con más

energía utilizada por la circulación del agente

de transferencia de calor (Agua).También se

han realizado pruebas de flujos en tubos

evacuados colocados en paralelo y en serie,

dando ventaja a los arreglos en paralelo según

Ricci y colaboradores en 2015. Lo cual

comprueba Daghigh & Shafieian en 2016, al

reportar menor eficiencia aplicando convección

forzada.

c) Análisis financiero

Ayompe, Duffy, McCormack, & Conlon en

2011, Nájera Trejo, Martin Domínguez, &

Escobedo Brenato en 2016 y Ghoneim,

Shabana, Shaaban, & Mohammedeln en 2016

usaron TRNSYS que es una herramienta de

simulación dinámica para el diseño y

optimización de sistemas energéticos y

simulación térmica. Con ello han podido

predecir el rendimiento a largo plazo del

calentamiento solar de agua en diferentes

lugares. Simular corridas del sistema en

distintas condiciones meteorológicas y

condiciones de operación.

Y optimizar el tamaño del sistema solar

de calentamiento de agua para que coincida con

diferentes perfiles de carga. Diversos estudios

evalúan las eficiencias de los colectores solares

en diversas regiones del mundo, tal como

Daghigh & Shafieian en 2016 quienes

encontraron el número óptimo de tubos (15

tubos) para las condiciones estudiadas por ellos.

Bouzenada y colaboradores en 2016,

compararon en pruebas simultáneas el efecto

geográfico de los colectores probados en Asia,

Medio Oriente y América del Norte,

encontrando la región de Túnez como la mejor

opción para el sistema evaluado.

La caracterización del colector solar de

tubos evacuados en flujo contínuo se ha

realizado con anterioridad, sin embargo, en la

información disponible hasta el momento, no se

había realizado aplicando el flujo en paralelo y

en serie con el uso de una bomba en ambos

casos. Lo cual industrialmente puede ser

atractivo al tener más aplicaciones al permitir

transportar el fluido de calentamiento más lejos

hasta el lugar de aplicación.

Para evaluarlo se usó el software de

LabView de National Instrument. Realizado en

las condiciones climáticas predecidas por el

software Meteonorm 5.1, para la región de San

Juan del Río, Querétaro. México. En abril de

2016.

El objetivo es caracterizar un colector

solar basado en tubos evacuados y serpentín

con flujo de agua en arreglos en serie y en

paralelo, con convección forzada y con la

finalidad de evaluar su posible aplicación en

procesos industriales.

91



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Metodología

El sistema general está compuesto por cinco

elementos principales:

1. Colector con 4 Tubos de borosilicato de

58 mm de diámetro externo, tubo

absorbedor de 42 mm de diámetro y 1.8

m de longitud. Cada tubo cuenta con un

serpentín de tubo de cobre de 3/8” de

diámetro externo.

2. Un soporte para tubos diseñado y

construido con la capacidad de ajustar

su orientación a la trayectoria del sol en

un eje.

3. Un sistema de transmisión de flujo de

agua en circuito cerrado con venteo. La

distribución del agua de alimentación se

realiza mediante Tubing de teflón 3/8”

OD aisladas térmicamente. Para las

necesidades previstas, el sistema

permite cambiar fácilmente a un arreglo

de tubos en serie o en paralelo. Utiliza

una bomba peristática de flujo variable

marca MasterFlex L/S Mod. 7523-40 de

10 a 600 RPM, 115 VCA. 2.3 A. con la

capacidad de regular flujos de 0 a 1700

mL/min.

4. Sistema de medición y control de

variables. Se utilizó la tarjeta de

adquisición de datos DAQ NI-USB6008

de 12 bits de National Instruments. Se

programó para proporcionar lecturas de

temperatura promedio cada 10

segundos. Termopares tipo K y

compensadores de temperatura de punta

fría AD595 de marca Analog Devices.

Su instalación al centro de la tubería

permite sensar directamente la

temperatura del fluido.

5. Estación Meteorológica de CEA

instalada en la Universidad Tecnológica

de San Juan del Río. Proporciona la

información de variables meteorológicas

tales como la temperatura ambiente,

velocidad de aire y Radiación solar.

La estación está instalada a 30 metros de

donde se ubicó el colector. En la Figura 1 se

presenta una fotografía del sistema sin

deflectores y en la figura 2 el arreglo de

conexión entre los 4 tubos evacuados en serie.

Para este estudio se utilizó agua

desionizada como fluido de trabajo por su alto

valor de Cp, disponibilidad y su punto de

ebullición de 96 °C. Además por su inocuidad,

su bajo factor de incrustación y bajo riesgo

ambiental.En las corridas experimentales se

estudiaron flujos de agua de 50 hasta 500

mL/min. Las condiciones de radiación solar

fueron variantes obteniéndose en instantes

máximos de hasta 1100 W/m². La salida del

colector se conectó a un disipador de calor

enfriado por aire con el fin de simular la carga

térmica demandada por una unidad de proceso.

Su salida se retorna al colector.

Para concluir con la caracterización se

obtuvo la solución numérica de las ecuaciones

de transferncia de calor con la ayuda del

software ESS por su versatilidad y capacidad de

proporcionar propiedades termodinámicas.

Figura 4 Sistema del colector solar de tubos evacuados

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Figura 5 Arreglo de serpentines en el sistema

Simulación numérica del desempeño del

colector

Antes de presentar las ecuaciones que describen

el modelado es necesario enunciar las

siguientes consideraciones. Se consideraron tres

nodos de temperatura en cada tubo evacuado:

Temperatura exterior del tubo, temperatura

superficial del tubo absorbedor y temperatura

del tubo de cobre. Además, se omite la

resistencia de transferencia de calor por

conducción a través de los tubos de borosilicato

y tubo de cobre. Se desprecia el fenómeno de

retromezclado del fluido dentro del tubo de

cobre. Además se supone una condición de

estado estacionario. De acuerdo con (Ricci, y

otros, 2015) el coeficiente de transmitancia del

borosilicato y coeficiente de absorción del tubo

colector son de 0.92 y 0.95 respectivamente.

A continuación se presentan las

ecuaciones para realizar los balances de energía

térmica en un tubo colector basadas en los

modelos propuestos por Ndiaye (2015).

Tubo exterior:

𝑄1 + 𝑄2 − 𝑄3 − 𝑄4 = 0 (1)

𝑄1 = 𝛼𝑔𝐴𝑠𝑢𝑝𝐺 (2)

𝑄2 = 𝐴𝑝𝜎𝜀 (𝑇𝑝4 − 𝑇𝑠𝑢𝑝

4 ) (3)

𝑄3 = 𝐴𝑠𝑢𝑝𝜎𝜀 (𝑇𝑠𝑢𝑝4 − 𝑇𝑠𝑘𝑦

4 ) (4)

𝑄4 = 𝐴𝑠𝑢𝑝ℎ𝑎𝑚𝑏(𝑇𝑠𝑢𝑝 − 𝑇𝑎) (5)

Y de acuerdo con la ecuación de Swinbank

citado por Ndiaye (2015):

𝑇𝑠𝑢𝑝 = 0.0552 𝑇𝑎1.5 (6)

Y También por la ecuación de Churchill y

Bernstein:

𝑁𝑢 = 0.3 +0.62 𝑅𝑒1/2𝑃𝑟1/3

[1+(0.4/𝑃𝑟)2/3]1/4 𝐵 (7)

𝐵 = [1 + (𝑅𝑒

282000)

5/8

]4/5

(8)

Tubo absorbedor:

𝑄5 − 𝑄2 − 𝑄6 = 0 (9)

𝑄5 = 𝜏𝑔𝛼 𝐴𝑝𝐺 (10)

𝑄6 = �̇�𝑐𝑝 [1 − 𝑒𝑥𝑝 (−ℎ𝑖𝐴𝑡

�̇� 𝑐𝑝)] (𝑇𝑝 − 𝑇1) (11)

Fluido:

𝑇2 = 𝑇𝑝 − (𝑇𝑝 − 𝑇1)𝑒𝑥𝑝 (−ℎ𝑖𝐴𝑡

�̇� 𝑐𝑝) (12)

Eficiencia térmica:

𝜂 =𝑄𝑢

𝐴𝑝𝐺 (13)

𝑄𝑢 = �̇� 𝑐𝑝(𝑇𝑝 − 𝑇1) (14)

O También por:

𝜂 = 𝑎1 − 𝑎2 (𝑇1−𝑇𝑎

𝐺) (15)

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Nomenclatura

Asup =Área superficial del tubo externo (m²)

At = Área del tubo absorbedor (m²)

B = Factor de la ecuación de Churchill y Berstein.

Cp =Capacidad calorífica promedio del fluido (J kg-1 K-

1)

G =Radiación solar (W m-2)

hamb =Coeficiente de transferencia de calor por

convección en el exterior (Wm-2 K-1)

hi =Coeficiente de transferencia de calor por convección

entre el tubo de cobre y el fluido (Wm-2 K-1)

ṁ = Flujo másico (kg s-1)

Nu = Numero de Nusselt

Pr = Número de Prandtl

Q1 = Energía solar absorbida por el absorbedor (W)

Q2 = Radiacion de calor intercambiado entre el tubo

absorbedor y tubo exterior (W)

Q3 = Energia emitida al cielo (W)

Q4 = Perdidas de calor por convección al ambiente (W)

Q5 = Energía recibida por el tubo absorbedor (W)

Q6 = Energía retirada por el fluido por convección (W)

Re = Numero de Reynolds

Tp= Temperatura del tubo absorbedor (K)

Tsup =Temperatua superficial extenra (K)

Ta = Temperatura ambiente (K)

T1 =Temperatura de entrada (K)

T2 = Temperatura de salida (K)

𝑇𝑠𝑘𝑦=Temperatura del cielo (K)

α = Absrotividad de radiación solar

ε =Emisividad de tubo borosilicato

ϭ = Constante de Stefan – Boltzmann (Wm-2 K-4)

τg = Transmitancia del tubo de borosilicato.

η = Eficiencia energética

Resultados

En la Gráfica 1 podemos observar la variación

de las temperaturas experimentales que se

obtuvieron a lo largo de una jornada desde las

9:00 horas hasta las 15:40 horas. Se puede

observar la correlación directa entre la ganancia

de energía térmica por el fluido y la radiación

solar en W/m² presente en ese instante. En este

gráfico se alcanza a apreciar la diferencia de

temperatura que alcanza el fluido a su paso por

el colector. Se observan ΔT del orden de los 20

°C desde las 11:30 hasta las 14:00 de ese día,

en un solo paso. La ΔT del sistema máxima en

recirculación fue de 70°C, con una temperatura

máxima alcanzada de 85°C.

Esta diferencia de Temperatura es la que

se podrá disponer como recurso energético en

una aplicación industrial. Durante los análisis

de resultados se determina que la potencia de

calentamiento de un tubo evacuado ofrece una

potencia de calentamiento máximas (14)

registradas de 150 W con una media de 120 W,

considerando que este valor depende de las

condiciones de radiación solar, la temperatura

de entrada del fluido de trabajo y del arreglo

serie o paralelo instalado.

Gráfico 1 Perfil de temperaturas a un flujo de 100

mL/min. Fuente: Estación meteorológica CEA

Universidad Tecnológica de San Juan del Río. 11 de

Abril del 2016.

https://www.wunderground.com/personal-weather-

station/dashboard?ID=IQUERETA29#history/tdata/s201

40411/e20140411/mdaily

A su vez, el Gráfico 2 muestra evidencia

que el arreglo en paralelo ofrece mayor

eficiencia en todas las corridas, este mismo

resultado se observa con la simulación

numérica (1-15). Las ecuaciones que describen

su desempeño son las siguientes tomando el

modelo de (15):

𝜂𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 = 0.5544 − 0.5373 (𝑇𝑖−𝑇𝑎

𝐺) (15)

𝜂𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 = 0.3992 − 2.9754 (𝑇𝑖−𝑇𝑎

𝐺) (16)

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Gráfico 2 Correlación de la eficiencia del arreglo Serie y

Paralelo en función del factor (T1-Ta)/G y los estimados

con la correlación numérica.

El análisis de variación de temperatura

de salida contra los flujos volumétricos y de la

eficiencia contra el mismo flujo volumétrico se

representan en los Gráficos 3 y 4

respectivamente. Como se puede observar el

ΔT en el arreglo en serie es mayor, sin

embargo, la eficiencia del colector es mayor

con el arreglo en paralelo.

Gráfico 3 Perfil de temperaturas en función del tipo de

arreglo serie o paralelo con una alimentación de 50 °C y

Radiación solar de 864 W/m²

Gráfico 4 Varición de la eficiencia en función del flujo

de alimentación para los arreglos de serie y paralelo

Conclusiones

La caracterización del colector solar de tubos

evacuados fue posible de llevar a cabo,

arrojando información relevante para el

prototipo construido. En flujos de entre 100-

150 mL/min, se obtuvo la máxima ganancia

energética cuando fue acoplado a un secador de

alimentos, obteniendo a su vez productos

aceptables en términos de cantidad de humedad.

En términos de eficiencia y considerando una

posible aplicación industrial, el arreglo en

paralelo respecto al arreglo en serie tiene el

100% más de eficiencia. Éste proyecto sirve de

plataforma para diseñar y monitorear proyectos

a mayor escala, pues ya se conocen parámetros

de diseño que pueden ser escalados como la

geometría y las relaciones de flujo con las

eficiencias.

Cualquier aplicación industrial

involucra el suministro de energía de forma más

económica posible basado en las energías

renovables. Se observa éste proyecto puede

formar parte de las redes de suministro de

energía que pueden ser diversas y tener un

impacto en la elección de las tecnologías en la

industria. Se coincide con lo que opinan Muster

Slawitsch, y otros en 2016, sobre los procesos

en la gestión de la energía total de las empresas,

pues la meta es la diversificación.

De igual forma coincidimos con Porras

Prieto en 2015, en que la utilización de un

sistema único de suministro es inviable en la

mayoría de los casos, especialmente a tasas de

transferencia elevadas, al no ajustarse la

demanda de agua caliente a la estacionalidad de

la producción del sistema solar, y al existir

muchos días sin producción de agua caliente

por la ausencia de irradiación mínima.

95



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[Titulo en Times New Roman y Negritas No.14]

Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en Mayusculas -2do Nombre de Autor Correo institucional en Times New Roman No.10 y Cursiva

(Indicar Fecha de Envio:Mes,Dia, Año); Aceptado(Indicar Fecha de Aceptación: Uso Exclusivo de ECORFAN)

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Resumen

Titulo

Objetivos, metodología

Contribución

(150-200 palabras)

Indicar (3-5) palabras clave en Times New

Roman y Negritas No.11

Abstract

Title

Objectives, methodology

Contribution

(150-200 words)

Keyword

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Cita: Apellidos en Mayúsculas -1er Nombre de Autor †, Apellidosen Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper.

Título de la Revista. 2015, 1-1: 1-11 – [Todo en Times New Roman No.10]

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† Investigador contribuyendo como primer autor.



ISSN-2410-3950


Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en

Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper. Titulo de

la Revista. 2015- [Redactado en Times New Roman No.9]

Introducción

Texto redactado en Times New Roman No.12,

espacio sencillo.

Explicación del tema en general y explicar

porque es importante.

¿Cuál es su valor agregado respecto de las

demás técnicas?

Enfocar claramente cada una de sus

características

Explicar con claridad el problema a solucionar

y la hipótesis central.

Explicación de las secciones del artículo

Desarrollo de Secciones y Apartados del

Artículo con numeración subsecuente

[Título en Times New Roman No.12, espacio

sencillo y Negrita]

Desarrollo de Artículos en Times New Roman

No.12, espacio sencillo.

Inclusión de Gráficos, Figuras y Tablas-

Editables

En el contenido del artículo todo gráfico, tabla

y figura debe ser editable en formatos que

permitan modificar tamaño, tipo y número de

letra, a efectos de edición, estas deberán estar

en alta calidad, no pixeladas y deben ser

notables aun reduciendo la imagen a escala.

[Indicando el título en la parte inferior con

Times New Roman No.10 y Negrita]

Grafico 1 Titulo y Fuente (en cursiva).

No deberán ser imágenes- todo debe ser editable.

Figura 1 Titulo y Fuente (en cursiva).

No deberán ser imágenes- todo debe ser editable.

Tabla 1 Titulo y Fuente (en cursiva).

No deberan ser imágenes- todo debe ser editable.

Cada artículo deberá presentar de manera

separada en 3 Carpetas: a) Figuras, b) Gráficos

y c) Tablas en formato .JPG, indicando el

número en Negrita y el Titulo secuencial.


ISSN-2410-3950


Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en

Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper. Titulo de

la Revista. 2015- [Redactado en Times New Roman No.9]

Para el uso de Ecuaciones, señalar de la

siguiente forma:

Yij = α + ∑ βhXhijrh=1 + uj + eij (1)

Deberán ser editables y con numeración

alineada en el extremo derecho.

Metodología a desarrollar

Dar el significado de las variables en redacción

lineal y es importante la comparación de los

criterios usados

Resultados

Los resultados deberán ser por sección del

artículo.

Anexos

Tablas y fuentes adecuadas.

Agradecimiento

Indicar si fueron financiados por alguna

Institución, Universidad o Empresa.

Conclusiones

Explicar con claridad los resultados obtenidos y

las posiblidades de mejora.

Referencias

Utilizar sistema APA. No deben estar

numerados, tampoco con viñetas, sin embargo

en caso necesario de numerar será porque se

hace referencia o mención en alguna parte del

artículo.

Ficha Técnica

Cada artículo deberá presentar un documento

Word (.docx):

Nombre de la Revista

Título del Artículo

Abstract

Keywords

Secciones del Artículo, por ejemplo:

1. Introducción

2. Descripción del método

3. Análisis a partir de la regresión por

curva de demanda

4. Resultados

5. Agradecimiento

6. Conclusiones

7. Referencias

Nombre de Autor (es)

Correo Electrónico de Correspondencia al

Autor Referencia

Revista de Sistemas Experimentales

Formato de Originalidad

Sucre, Chuquisaca ____ de ____ del 20_____

Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables por lo que deberán firmar los

autores antes de iniciar el proceso de revisión por pares con la reivindicación de ORIGINALIDAD de

la siguiente Obra.

Artículo (Article):

_____________________

Firma (Signature):

_____________________

Nombre (Name)


Formato de Autorización

Sucre, Chuquisaca ____ de ____ del 20_____

Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables. En caso de ser aceptado para

su publicación, autorizo a ECORFAN-Bolivia a difundir mi trabajo en las redes electrónicas,

reimpresiones, colecciones de artículos, antologías y cualquier otro medio utilizado por él para alcanzar

un mayor auditorio.

I understand and accept that the results of evaluation are inappealable. If my article is accepted for

publication, I authorize ECORFAN-Bolivia to reproduce it in electronic data bases, reprints,

anthologies or any other media in order to reach a wider audience.

Artículo (Article):

_____________________

Firma (Signature)

_____________________

Nombre (Name)
